На электрических станциях и подстанциях устанавливаются повышающие и понижающие трансформаторы для питания потребителей и для связи с энергосистемой.
Ввиду того что в сетях энергосистем существует несколько ступеней трансформации, число трансформаторов и их мощность в несколько раз превосходят число и установленную мощность
Номинальная мощность, кВ. А | Высшее напряжение, кВ не более | Доля в общем парке, % |
по мощности | Средняя мощность. кВ. А |
1800 и ниже | 10 | 95,0 | 35,0 | 340 |
2500—7500 | 110 | 4,1 | 23,0 | 4900 |
10 000—90 000 | 330 | 0,8 | 27,0 | 25 000 |
Свыше 90 000 | 500 | 0,1 | 15,0 | 100 000 |
генераторов. В настоящее время на каждый установленный киловатт генераторной мощности приходится 7—8 кВ-А трансформаторной мощности. В ближайшие годы этот удельный показатель возрастет до 9—10 кВ-А/кВт в связи со все расширяющимися масштабами электрификации нашей страны, ростом сетей и увеличением числа ступеней трансформации.
Единичные мощности и напряжение трансформаторов непрерывно повышаются. Уже выпущены трехфазные трансформаторы 1000 MB - А для работы в блоке 800 МВт и ведется подготовка к изготовлению трансформаторов еще больших мощностей. Максимальная мощность группы однофазных трансформаторов 500 кВ равна 1,6 ГВ-А, а напряжением 750 кВ — 1,25 ГВ - А. Осваиваются трансформаторы напряжением 1150 кВ.
В табл. 1-13 приведены данные, характеризующие трансформаторный парк нашей страны (на 1.1.1969 г.). Как видно из таблицы, 99 % всех трансформаторов имеют относительно небольшие мощности и напряжение до 110 кВ.
Число трансформаторов, установленных на электростанциях, сравнительно невелико, однако они оказывают существенное влияние на работу энергосистемы.
В энергетических системах преимущественно применяются двух- и трехобмоточные трехфазные трансформаторы *. Трехобмоточные трансформаторы устанавливаются в тех случаях, когда на электростанции (подстанции) питание потребителей и выдача мощности производится на двух напряжениях: среднем и высоком (СН и ВН) или среднем и низком (СН и НН). Установка трехобмоточных трансформаторов взамен двух двухобмоточных экономит площади, материалы и капитальные вложения, а также сокращает потерн энергии при эксплуатации. Два двухобмоточных трансформатора в таких случаях устанавливают только при отсутствии перспективы развития нагрузки на втором напряжении и при общем ее значении, меньшем 10—15 % мощности трансформатора.
По экономическим причинам также предпочтительна установка трехфазных трансформаторов. Их стоимость, расход активных материалов (меди и стали) на 20—25 %, а потери энергии при эксплуатации на 12—15% меньше, чем в группе однофазных трансформаторов равной мощности.
В некоторых случаях обмотка одного и того же напряжения двухобмоточного трансформатора состоит из двух или нескольких параллельных, изолированных друг от друга ветвей. Эти трансформаторы с так называемыми расщепленными обмотками применяют для укрупнения блоков мощных ТЭС или ГЭС, когда с целью упрощения главной схемы и уменьшения токов короткого замыкания к одному трансформатору присоединяют несколько генераторов, а также на понижающих подстанциях и в схемах собственных нужд электростанций для уменьшения токов короткого замыкания и облегчения шин и аппаратуры.
На современных крупных электростанциях часто применяют для связи двух высших напряжений автотрансформаторы, обладающие существенными технико-экономическими преимуществами по сравнению с обычными трансформаторами. Их стоимость, расход активных материалов (меди и стали) и потери энергии при эксплуатации значительно ниже, чем у обычных трансформаторов с той же номинальной мощностью. Предельная мощность автотрансформаторов тоже может быть значительно больше, чем у обычных, так как их масса и габариты меньше. К числу недостатков автотрансформаторов относят некоторое усложнение релейной защиты и регулирования напряжения из-за наличия в них не только электромагнитной, но и гальванической связи между обмотками разных напряжений, а также необходимость глухого заземления нейтрали, что приводит к увеличению токов к. з., и большую опасность атмосферных перенапряжений из-за электрической связи обмоток ВН и СН. В настоящее время у нас в стране выпускаются только трехобмоточные автотрансформаторы, причем автотрансформаторная связь осуществлена в них между обмотками ВН и СН, а третья обмотка (НН) связана с ними только электромагнитно. Третья обмотка предназначается для компенсации токов третьей гармоники и используется для питания потребителей, присоединения синхронного компенсатора или даже генератора. Минимальная мощность трехобмоточных автотрансформаторов 220, 330 и 500 кВ равна соответственно 32; 63 и 125 MB-А.
К основным параметрам трансформатора принадлежат полная мощность, частота, напряжение, ток, потерн активной и реактивной мощности, к. п. д. Если эти параметры относятся к условиям, установленным ГОСТ, они называются номинальными. Номинальными называются условия, при которых высота установки трансформатора над уровнем моря не превосходит 1000 м, температура воды при входе в маслоохладитель не выше +25 °С, естественно изменяющаяся температура охлаждающего воздуха не более +40 °С при среднесуточной температуре не более+30 °С и среднегодовой не более +20 °С; температура окружающего воздуха не ниже —45 °С.
Полная мощность S, кВ-А, трехфазного двухобмоточного трансформатора выражается формулой:
(1-78)
В трехобмоточных трансформаторах номинальной называют мощность наиболее мощной обмотки.
В автотрансформаторах номинальной называется полная мощность, передаваемая автотрансформатором из первичной сети во вторичную. Эта мощность называется также проходной. Она складывается из электрической мощности, передаваемой из первичной обмотки во вторичную без трансформации посредством электрической связи между ними, и так называемой трансформаторной мощности передаваемой во вторичную обмотку электромагнитным путем, как в обычных трансформаторах (рис. 1-51):
(1-79)
Трансформаторная мощность (в кВ-А) в номинальном режиме автотрансформатора называется типовой мощностью STIin, так как габариты и масса автотрансформатора с номинальной проходной мощностью 5Н соответствуют габаритам и массе обычного двухобмоточного трансформатора с мощностью STP, помещенной в шкале типовых мощностей трансформаторов по ГОСТ 9680—77Е (в киловольтамперах) и составляющей лишь часть полной мощности S (табл. 1-14).
Отношение типовой мощности к полной номинальной называют коэффициентом выгодности квыг, так как из выражения для этого коэффициента видно, что применение автотрансформатора тем выгоднее, чем ближе UBH к UCH и, следовательно, чем меньше
Таблица 1-14
10 |
| 16 |
| 25 | ... | 40 |
| 63 |
|
100 | — | 160 | — | 250 | — | 400 |
| 630 |
|
1000 | — | 1600 | — | 2500 | — | 4000 |
| 6300 |
|
10 000 | — | 16 000 | — | 25 000 | — | 40 000 |
| 63 000 |
|
100 000 | 125 000 | 160 000 | 200 000 | 250 000 | 320 000 | 400 000 | 500 000 | 630 000 | 800 000 |
1 000 000 |
|
| ~ |
|
|
| — |
| — |
габариты автотрансформатора по сравнению с обычным трансформатором той же номинальной мощности:
(1-80)
где knc — коэффициент трансформации; £выг — коэффициент типовой мощности, или коэффициент выгодности.
Номинальная мощность однофазных трансформаторов и автотрансформаторов, предназначенных для работы в трехфазных группах, должна составлять 113 номинальных мощностей, приведенных в табл. 1-14.
В эксплуатации находится большое число трансформаторов, мощности которых соответствуют прежнему ГОСТ 401—41 (теперь см. ГОСТ 401—83) и не совпадают со шкалой табл. 1-14 (50, 180, 320, 560, 750 кВ-А, 1,8 MB-А и т. д.).
Номинальные напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора соответствуют напряжениям холостого хода. При работе под нагрузкой с напряжением первичной обмотки, равным номинальному, напряжение вторичной обмотки будет меньше на потери напряжения в трансформаторе.
Коэффициент трансформации трансформатора определяется отношением номинальных напряжений первичной и вторичной обмоток. В трехобмоточных трансформаторах коэффициент трансформации определяется для каждой пары обмоток: ВН и НН; ВН и СН; СН и НН.
Номинальными токами трансформатора являются токи, соответствующие работе трансформатора с номинальными мощностями и напряжением.
Напряжение короткого замыкания ик характеризует полное сопротивление трансформатора z и обычно выражается в процентах номинального напряжения:
(1-81)
Так как реактивное сопротивление трансформатора значительно выше активного, то приближенно считают
(1-82)
Напряжение короткого замыкания ик зависит от мощности и напряжения трансформаторов и изменяется в широких пределах: от 4,5—5,5 % у трансформаторов малой мощности 10— 35 кВ до 12—14 % у трансформаторов большой мощности 220— 500 кВ.
Ток холостого хода /х. х также является важной характеристикой трансформатора, по его номинальному значению можно судить о затратах реактивной мощности на намагничивание. Обычно ток холостого хода задается в процентах номинального тока трансформатора. Относительное его значение падает с увеличением мощности и напряжения: у трансформаторов 10— 35 кВ ток /х х равен 2,0—2,5 %, а у трансформаторов 220— 500 кВ /х. х = 0,5-i-0,3 %.
Не менее важными являются показатели экономичности работы трансформатора. Так как к. п. д. трансформатора зависит от нагрузки, принято характеризовать его экономичность раздельно постоянными потерями (потери в стали) Ах и потерями в меди при полной нагрузке АРк. 3. В заводских каталогах и в ГОСТ потери указываются непосредственно в киловаттах. Относительное их значение зависит от мощности трансформатора и уменьшается с увеличением этого показателя. Отнесенные к номинальной мощности потери в стали (постоянные потери) колеблются от 0,36 % в трансформаторах 100 кВ-А до 0,08 % в трансформаторах 630 MB-А. Соответственно данные для нагрузочных потерь Аз — это 2 и 0,21 % (уменьшение в 10 раз). Заметим, что как ни малы эти относительные значения, абсолютные потери в трансформаторах в масштабе страны очень велики. Так, в 1975 г. потери в стали трансформаторов составили примерно 3,3 %, а в меди обмоток — примерно 3,7 % энергии, выработанной всеми электростанциями страны, т. е. около 70 ТВт-ч, что равно годовой выработке трех таких станций, как Красноярская ГЭС.
