Трансформаторы предназначаются для преобразования электроэнергии с одного напряжения переменного тока на другое напряжение, необходимое для передачи или распределения электроэнергии потребителям.
Параметры трансформаторов задаются параметрами электрической сети, для работы в которой предназначены эти трансформаторы. Основным параметром электрической сети является напряжение электрического тока, которое выбирается в основном в зависимости от мощности, которую нужно передать то электросети потребителям, и протяженностью линий электропередачи. Как известно, чем большая мощность должна передаваться и чем дальше требуется передать ее, тем более высокое напряжение электропередачи должно быть использовано.
В связи с этим основными характеристиками трансформатора являются напряжение обмоток и мощность, передаваемая трансформатором.
Передача мощности от одной обмотки к другим происходит электромагнитным путем, т. е. посредством намагничивания активной стали при прохождении тока по обмоткам трансформатора и создания магнитного поля взаимоиндукции между обмотками. При этом часть мощности, поступающей к трансформатору из питающей электросети, расходуется на преодоление магнитного сопротивления сердечника и сопротивления провода обмоток протекающему току. Эта мощность не поступает в питаемую от трансформатора сеть, так как теряется в трансформаторе, и представляет собой потери, величина которых зависит от конструкции трансформатора.
При передаче мощности через трансформатор напряжение на вторичных обмотках изменяется при изменении нагрузки за счет падения напряжения в трансформаторе, которое определяется величиной реактивного сопротивления трансформатора — напряжением короткого замыкания (ек).
Таким образом, величина потерь мощности в трансформаторе и напряжение короткого замыкания также являются важными характеристиками трансформатора, поскольку от них зависит экономичность работы трансформатора и режим работы электросети.
Ниже показана связь величины этих характеристик с конструктивным выполнением трансформаторов.
В связи с началом строительства в 50-х годах крупнейших гидроэлектростанций и тепловых электростанций с агрегатами по 100 тыс. кВт потребовались более крупные мощности трансформаторов — до 120 тыс. кВ*А на напряжение 220 кВ в трехфазном исполнении и на напряжение 400 кВ в однофазном исполнении.
Рис. 1. Трансформатор 750 МВА.
Дальнейшее развитие энергетики потребовало укрупнения энергетических агрегатов до 150, 200, 300, 500 и, наконец, до800тыс. кет, что в свою очередь потребовало создания трансформаторов для работы в блоках с такими агрегатами, а также на мощных понизительных подстанциях. Увеличение передаваемой мощности и увеличение дальности передачи энергии привели к применению все более высоких вторичных напряжений повысительных трансформаторов. В середине 50-х годов появились трансформаторы с напряжением 400, а затем 500 кВ. После перехода на 500 кВ возникла необходимость иметь промежуточное напряжение 330 кВ и, наконец, для перспективных дальних передач межсистемных связей потребовалось напряжение 750 кВ.
Таким образом, в настоящее время выпускаются и находятся в эксплуатации трансформаторы на напряжения 220, 330, 500 и 750 кВ.
Мощность трехфазных трансформаторов на напряжение 220 кВ достигает 630 МВ*А. Такие трансформаторы работают на Красноярской ГЭС в блоке с генераторами по 500 Мет (рис. 1). С генераторами мощностью 300 Мет, широко используемыми на современных крупных тепловых электростанциях, работают трансформаторы мощностью 360 и 400 МВ*А.
На напряжение 330 кВ наиболее мощным трансформатором является трансформатор мощностью 1 000 000 кВ*А, работающий в блоке с турбогенератором 800 тыс. кет. Много трансформаторов мощностью 400 тыс. кВ*А работают с генераторами 300 Мет, изготовлен трансформатор мощностью 630 тыс. кВ*А.
Из автотрансформаторов на напряжение 330 кВ в настоящее время работают автотрансформаторы мощностью до 250 тыс. кВ - а.
На напряжение 500 кВ трансформаторы стали изготовляться в 1958 г. Вначале это были однофазные трансформаторы и автотрансформаторы мощностью 90 и 135 тыс. кВ*А. Затем в 1963 г. были изготовлены трехфазные автотрансформаторы мощностью 250 тыс. кВ*А, однофазные трансформаторы мощностью 417 тыс. кВ*А (в 1967 г.) для работы со спаренным блоком генераторов по 500 тыс. кет на Красноярской ГЭС и, наконец, в 1969 г. трехфазный трансформатор мощностью 400 тыс. кВ*А (рис. 3). Изготовляется трехфазный трансформатор мощностью 630 тыс. кВ • а.
Рис. 3. Автотрансформаторы 330 кВ.
На напряжение 750 кВ изготовлены и работают однофазные автотрансформаторы мощностью но 417 тыс. кВ*А (рис. 4), в процессе изготовления — однофазные автотрансформаторы мощностью то 333 тыс. кВ*А.
Создание таких мощных трансформаторов стало возможным благодаря применению высококачественных исходных материалов и усовершенствованию конструкций
трансформаторов, направленному на улучшение их характеристик.
Как было сказано выше, потери мощности в трансформаторе являются одной из основных характеристик экономичности конструкции трансформатора. Полные потери составляются из потерь при холостом ходе и так называемых потерь короткого замыкания. При холостом ходе, когда ток протекает только по обмотке, присоединенной к источнику питания, а в других обмотках тока нет, так как никакой нагрузки не присоединено, мощность, потребляемая от сети, расходуется на создание магнитного потока холостого хода, т. е. на намагничивание сердечника и индуктирование напряжения на разомкнутых зажимах ненагруженных обмоток. Поскольку переменный ток изменяет свою величину и направление, то величина и направление магнитного потока также изменяются. Это значит, что сталь сердечника намагничивается и размагничивается попеременно. При изменении тока от максимума до нуля сталь размагничивается — магнитная индукция уменьшается, но с некоторым запозданием, т. е. размагничивание задерживается (при достижении нулевого значения тока индукция не равна нулю и полное размагничивание происходит после изменения направления тока на обратное).
Рис. 4. Однофазный трансформатор напряжением 750 кВ.
Задерживание в перемагничивании является следствием сопротивления стали переориентировке элементарных магнитов, и чем больше в стали углерода, т. е. чем тверже сталь, тем большее сопротивление она оказывает и тем больше задерживание, а следовательно, тем больше энергия требуется для перемагничивания стали. Вследствие наличия задерживающей силы, как известно, кривая намагничивания при перемене направления тока образует так называемую «петлю гистерезиса» (рис. 5), которая для каждого сорта стали изменяется в зависимости от величины магнитной индукции в магнитопроводе.
Ширина петли гистерезиса зависит от содержания в стали углерода, и в идеальном случае «мягкого» железа без содержания углерода петля исчезает, т. е. исчезнут и потери на намагничивание. Площадь, охватываемая петлей, выражает мощность, затрачиваемую на намагничивание. Так как при перемагничивании сталь нагревается, то электрическая энергия, подводимая к трансформатору, преобразуется в тепловую и рассеивается в окружающее пространство, т. е. безвозвратно теряется. В этом физически и заключаются потери мощности на перемагничивание.
Рис. 5. Петля гистерезиса — зависимость индукции В от изменения тока намагничивания.
Кривая OSM - начальная.
Для уменьшения мощности, требуемой для намагничивания магнитопровода. применяется электротехническая сталь с малым содержанием углерода, содержащая (ряд других присадок, улучшающих свойства стали.
Кроме потерь на гистерезис при протекании магнитного потока по магнитопроводу возникают потери на вихревые токи. Как известно, магнитный поток индуктирует электродвижущую силу, создающую ток, не только в обмотке, находящейся на стержне магнитопровода (сердечника), но и в самом металле сердечника. Ток, создаваемый а. д. е., протекает по замкнутому контуру (вихревое движение) в сердечнике в направлении, перпендикулярном направлению магнитного потока, и нагревает металл сердечника вследствие наличия его электрического сопротивления. Для уменьшения величины вихревых токов сердечник (магнитопровод) собирается из отдельных изолированных листов стали. При этом чем тоньше лист, тем меньше элементарная э. д. е., создающая ток, меньше величина тока и путь его протекания, т. е. меньше нагрев и затрата (потеря) мощности. Для уменьшения величины вихревых токов увеличивают электрическое сопротивление стали посредством введения в металл присадок.
Таблица 1 Удельные потери различных марок стали
Свойства стали зависят от целого ряда технологических факторов, действующих при ее изготовлении. В частности, большую роль играет способ прокатки стали. Горячекатаная сталь, применявшаяся ранее, имеет значительно большие удельные потери (ватт на килограмм), чем холоднокатаная сталь, что объясняется структурным изменением стали при прокатке.
Вместо стали толщиной 0,5 мм в настоящее время применяется для крупных трансформаторов сталь толщиной 0,35 мм, а за рубежом в некоторых странах изготовляется сталь толщиной до 0,28 мм.
Некоторые сравнительные данные по потерям в стали приведены в табл. 1.
В любом трансформаторе расход материалов должен быть оптимальным, особенно в крупных трансформаторах, у которых габарит играет существенную роль. При заданной индукции в сердечнике (что также связано с сортом применяемой стали) габарит сердечника определяет мощность трансформатора. Поэтому стараются, чтобы в сечении сердечника (стержня магнитопровода) было как можно больше стали, т. е. при выбранном наружном размере коэффициент заполнения должен быть наивысшим. Это достигается применением наиболее тонкого слоя изоляции между листами стали. От ранее применявшейся бумажной изоляции (оклейка стали листом бумаги), дававшей коэффициент заполнения К3= =0,85, перешли к изолировке стали лаковым покрытием, обеспечивающим К3=0,89—0,93, и в настоящее время применяется сталь с жаростойким («карлитовым») покрытием, наносимым в процессе изготовления стали на металлургическом заводе, дающем возможность получить К3=0,95 -0,96.
Значение коэффициента заполнения видно из того, что при увеличении его на 1% потери холостого хода снижаются приблизительно на 2%.
Кроме потерь в стали при холостом ходе имеются потери от протекания тока холостого хода по первичной обмотке.
При изготовлении трансформатора вследствие различных технологических операций со сталью (резка на отдельные листы, штамповка отверстий для шпилек, стягивающих сердечник, перекладка позиций и др.) качество стали в готовой конструкции (матнитопроводе) несколько ухудшается и потери в конструкции получаются больше, чем в исходной стали до ее обработки. Увеличение потерь выражается так называемым коэффициентом увеличения потерь, который в зависимости от конструкции и технологии составляет от 2 до 1,25. В прежних конструкциях, рассчитанных на применение листовой стали с прессовкой магнитопровода шпильками, этот коэффициент достигал 1,8—2.
В современных конструкциях, в которых применяется рулонная сталь и прессовка магнитопровода осуществляется без шпилек, проходящих сквозь сердечник, а с помощью бандажей, коэффициент увеличения потерь снижен до 1,5—1,25. Таким образом, для снижения потерь холостого хода применяется не только сталь более высокого качества, но и более современная конструкция магнитопровода.
В современных конструкциях потери холостого хода составляют 20—40% от полных потерь. Однако ввиду того, что удельные годовые затраты на 1 кет потерь холостого хода много больше, чем затраты на 1 кет потерь короткого замыкания, значимость потерь холостого хода является большей.
Второй составляющей потерь мощности в трансформаторе являются потери короткого замыкания. К этим потерям, которые более правильно было бы назвать нагрузочными потерями, поскольку величина их пропорциональна нагрузке трансформатора, относятся джоулевы потери в обмотках от протекания по ним токов нагрузки и добавочные потери в обмотках и в элементах конструкции трансформатора.
Величина добавочных потерь определяется в основном величиной напряженности магнитного поля рассеяния. Поток поля рассеяния характеризуется тем, что проходит не через все витки обмотки, а отклоняется в стороны, т. е. сцепляется не со всеми витками и замыкается не через сердечник, а через окружающее пространство (не имеющее ферромагнитных деталей) и через ферромагнитные элементы конструкции [(стенки бака, консоли) (рис. 6)].
Благодаря отклонению потока рассеяния от пути главного потока часть его пересекает витки обмотки в радиальном направлении. Особенно резко это выражается у крайних витков или катушек обмоток. Поскольку у крайних витков ноток проходит перпендикулярно боковой поверхности провода витков, в проводе наводится вихревая э. д. с. и возникает вихревой ток, который вызывает дополнительный нагрев провода.
Рис. 6. Поле рассеяния двух концентрических обмоток.
Как известно, чем больше поверхность, пересекаемая потоком, тем больше а. д. с. и вихревой ток, поэтому в обмотках НН, где из-за большей величины номинального тока применяется обмоточный провод большего сечения (т. е. с большей высотой боковой поверхности), значения вихревых потоков получаются наибольшие. Проведенными расчетами показано, что в концевых катушках добавочные потери в ряде случаев могут превышать основные джоулевы потери в 3—4 раза [Л. 15].
Вследствие того что обмотки НН, рассчитанные на больший ток, выполняются из ряда параллельных проводников, отдельные проводники занимают в магнитном поле различное положение и имеют несколько различную длину. Поэтому в отдельных проводниках возникают неодинаковые э. д. с. и поскольку концы этих проводников соединены вместе, в параллельных проводниках возникают уравнительные циркулирующие токи. Практически это можно представить так: в одних проводниках ток будет меньше, чем в других за счет большего их сопротивления (или меньшей э. д. е.). А так как выбор сечения проводников ведется из расчета одинаковой плотности тока, то в результате перераспределения тока в ряде проводников получается большая плотность тока и, следовательно, нагрев больше расчетного и большие джоулевы потери.
Поле рассеяния, как было сказано, замыкается через ферромагнитные части конструкции, расположенные вблизи обмоток. Таковыми являются стенки бака трансформатора, прессующие элементы стержней магнитопровода и крайние пакеты активной стали, ярмовые балки (консоли) и прессующие кольца обмоток и некоторые другие.
Все эти узлы имеют более или менее массивные детали, в которых при пересечении их магнитным потоком создаются вихревые э. д. с. и, следовательно, вихревые токи, достигающие благодаря меньшему сопротивлению магнитных деталей большей величины и вызывающие нагрев конструктивных узлов. В ряде узлов из-за местных концентраций напряженности магнитного поля местные нагревы достигают очень высоких пределов (что приводит к явлению местного крекинга масла). Особенно нежелательны вихревые токи в баке с нижним разъемом. Поскольку в разъеме части бака не соприкасаются, ток может проходить только через стяжные болты разъема и отдельные болты в таких случаях нагреваются чрезвычайно сильно. Крайние пакеты стержней, через которые
поток поля рассеяния проходит в перпендикулярном направлении, также нагреваются вихревыми токами и местные нагревы могут достичь недопустимых пределов.
Такому же нагреву подвержены стяжные диамагнитные пластины, применяемые для связывания верхней и нижней ярмовых балок магнитопровод а, выполненного без стяжных шпилек.
Прессующие кольца обмоток, изготовляемые из конструктивной стали, и нижние ярмовые балки также являются узлами сосредоточения добавочных потерь.
По данным ВИТ [JI. 15] в крупных трансформаторах относительная величина добавочных потерь составляет в среднем 1,08 кВт/МВ*А, причем в трансформаторах, разработанных до 1965 г., она составляла 1,1 кВт/МВ*А, а в разработанных после 1965 т. (1965—1968 гг.) снижена до 1,0 квт1Мв • а.
Значение величины потерь мощности в трансформаторе для эксплуатации нагляднее всего может быть иллюстрировано следующим примером.
Если рассматривать трансформатор, работающий на тепловой электростанции в блоке с генератором мощностью 200 тыс. кВт со средней нагрузкой 80% номинальной мощности и числом часов работы 8000 ч в год с потерями холостого хода 370 кВт и потерями короткого замыкания 925 кВт (тип ТДЦГ-250000/220), то общий расход энергии за год на покрытие потерь приблизительно составит:
3=370-8 000+0,82 -925-8 000=7 685 000 кВт • ч.
При стоимости электроэнергии в среднем 1 коп!кВт -ч затраты на потерянную энергию выразятся суммой 76,85 тыс. руб.
О снижении потерь холостого хода при изготовлении трансформатора было сказано выше.
Снижения потерь короткого замыкания достигают в основном за счет уменьшения добавочных потерь, так как снизить джоулевы потери в обмотках за счет снижения плотности тока в крупных трансформаторах почти не удается.
Снижение добавочных потерь в обмотках достигается различными конструктивными решениями.
Концевые катушки делают расщепленными по высоте (т. е. с параллельными катушками меньшей высоты). Наиболее эффективным способом считается применение для намотки многожильного транспонированного провода с большим числом отдельных изолированных жил. В этом случае, кроме уменьшения высоты проводника (в плоскости, перпендикулярной направлению потока поля рассеяния), отдельные проводники меняются местами (транспозиция) и этим достигается уничтожение циркулирующих токов в параллельных ветвях.
Добавочные потери в стенках бака могут быть уменьшены посредством изменения расположения обмоток, вернее посредством изменения распределения намагничивающих сил обмоток таким образом, чтобы поток не замыкался через бак. Но это не всегда дает эффект, поскольку могут оказаться под влиянием потока рассеяния другие узлы. Наиболее эффективным считается магнитное экранирование бака магнитными шунтами, набранными из полос трансформаторной стали. Поток рассеяния замыкается но этим шунтам, имеющим меньшее магнитное сопротивление и меньшие удельные потери, чем конструкционная сталь бака, и не попадает в стенку бака. Для снижения добавочных потерь в прессующих элементах, стяжных пластинах стержня и пр. выполняют их из диамагнитных сталей. Снижение потерь в ярмовых балках и прессующих кольцах обеспечивается применением магнитных шунтов, экранирующих полки балок, уменьшением размеров колец, а также применением неметаллических деталей (например, из стеклопластика). Устранение потерь от циркулирующих потоков через распорные устройства достигнуто применением изоляционных прокладок на пятах распорных домкратов.
Для иллюстрации эффективности мер, применяемых для снижения добавочных потерь, отметим, что, например, установка магнитных шунтов на ярмовых балках снижает потери в них на 60—70%, а в прессующих кольцах на 50% {Л. 15].
Основной составляющей напряжения короткого замыкания является реактивное падение напряжения в трансформаторе (при номинальном токе нагрузки), которое определяется реактивным сопротивлением обмотки и, практически пренебрегая активной составляющей падения напряжения (что вполне допустимо для трансформаторов мощностью более 10 МВ*А), может быть приравнено к напряжению короткого замыкания в процентах, т. е. e„=es, %.
Реактивное падение напряжения зависит от мощности трансформатора и геометрических размеров обмоток
(диаметр канала между обмотками, высота обмоток, ширина канала между обмотками) и числа вольт на виток обмотки.
Исходя из того, что ек или реактивное сопротивление трансформатора при работе определяет падение напряжения в трансформаторе, целесообразно иметь по возможности меньшую его величину, но, с другом стороны, •при малом реактивном сопротивлении увеличивается значение тока сквозного короткого замыкания через трансформатор.
Это влечет, во-первых, необходимость расчета и изготовление трансформатора на большие динамические и термические воздействия тока короткого замыкания, т. с. более тяжелой и дорогой конструкции с большим вложением материалов, а во-вторых, требует применения в цепи трансформатора коммутационной аппаратуры также с большей динамической и термической устойчивостью к токам к. з.
Поэтому с точки зрения работы трансформатора в энергосистеме должна быть выбрана оптимальная величина ек и если у малых трансформаторов (до 6 300 кВ*А на 10—36 кВ) напряжение короткого замыкания получается в пределах 5,5—7,5%, то у Крупных трансформаторов на более высокие классы напряжения, работающих в более мощных энергосистемах с большими значениями токов короткого замыкания, эта величина должна быть в пределах 10—15%. Но поскольку, как сказано выше, значение ек зависит от геометрических размеров обмоток и главным образом от радиальных размеров (поскольку вертикальный размер обмоток ограничен транспортными габаритами), то на величину ек оказывает влияние напряжение обмоток ВН. Чем выше напряжение обмотки ВН, тем больше должен быть изоляционный промежуток между обмотками, а также диаметр кольцевого канала между обмотками, т. е. увеличивается значение ек. С увеличением мощности ек также увеличивается и только увеличение числа вольт на виток в обмотках при переходе к высшим напряжениям позволяет несколько скомпенсировать увеличение ек. Тем не менее в крупных трансформаторах с обмотками ВН, выполненными из двух концентров или в многообмоточных трансформаторах на высокие классы напряжения (220— 500 кВ), ек получается в пределах 11—15%, а в автотрансформаторах между основными обмотками ВН — СН
в пределах 8—11,5%. (Между обмотками ВН и НН автотрансформатора ек достигает 30%.)
В число регламентированных стандартами или техническими условиями характеристик трансформатора входит ток холостого хода или, правильнее сказать, намагничивающий ток. Ток холостого хода не велик по сравнению с поминальным током нагрузки трансформатора и составляет у крупных трансформаторов от 0,3 до 3,5% номинального тока.
Величина его определяется качеством стали и конструкцией магнитопровода (наличие шпилек, тип стыков) и практически зависит от величины потерь в стали.
Желательно иметь возможно меньшую величину тока холостого хода, поскольку она влияет и на величину потерь в обмотке при холостом ходе, а также на величину постоянной составляющей потерь в сети.
При включении трансформатора под напряжение возникает толчок — пик намагничивающего тока, поскольку имеется некоторая инерция намагничивания стали и полный поток не может возникать мгновенно после включения на обмотку напряжения от источника питания. По мере возрастания магнитного потока сердечник все более насыщается, а с увеличением степени насыщения сердечника намагничивающий ток быстро спадает и остается на уровне, соответствующем расчетной величине потока (индукции) в сердечнике. Поскольку кратковременные (0,01 сек) толчки тока намагничивания при включении достигают значительной величины (до 5—7 кратного значения номинального тока нагрузки трансформатора) и приводят в действие защиту от сверхтоков или дифференциальную защиту, то и из этих соображений целесообразно иметь у трансформаторов наименьшую величину тока холостого хода.
В настоящее время нашли широкое распространение автотрансформаторы, применяемые в сетях напряжением 220 кВ и выше, причем изготовляются, как правило, трехобмоточные автотрансформаторы, т. е. такие, у которых кроме обмоток, связанных электрически — обмоток с автотрансформаторной связью, имеется обмотка, связанная с ними магнитно. Обычно это обмотка низшего напряжения, предназначенная либо для присоединения генератора (на электростанциях) или синхронного компенсатора (на подстанциях), либо для питания местных потребителей на напряжениях до 35 кВ.
Широкое распространение автотрансформаторов объясняется экономическими выгодами —в основном меньшими затратами материалов при их изготовлении по сравнению с трансформаторами той же мощности (особенно при коэффициенте трансформации основных (автотрансформаторных) обмоток не более 3.
Это объясняется тем, что в обмотке СН (рис. 7) протекает разность токов обмотки BII (АХ) и обмотки СН (ах), т. е. ток меньший, чем в линии, питаемой обмоткой СН. При коэффициенте трансформации автотрансформаторных обмоток, близком к единице, токи в обмотке ВН и в обмотке СН почти одинаковы и, следовательно, разность их мала. Это позволяет выполнять общую часть (обмотку (СН) на меньший ток и поэтому со значительно меньшим расходом меди и меньшими потерями.
Мощность, выдаваемая автотрансформатором из вторичной обмотки (СН) в сеть, выражается как /2U2, но мощность, передаваемая во вторичную обмотку из первичной (ВН), выражается как (/2—Ii)Uz.
Рис. 7. Принципиальная схема понижающего автотрансформатора при нагрузке.
Чтобы выявить выгодность автотрансформатора, следует сравнить его с трансформатором такой же мощности по вторичной обмотке (СН), т. е. I^Uz.
Отношение мощностей
где k — коэффициент трансформации автотрансформаторных обмоток
Отношение а, называемое «коэффициентом выгодности», указывает, какую часть затрат на трансформатор мощностью U2I2 составляют затраты на автотрансформатор, выдающий в сеть такую же мощность-
Эта мощность называется «типовой» в отличие от номинальной мощности автотрансформатора I2U2, называемой «проходной», т. е. передаваемой из сети первичной обмотки (ВН) в сеть вторичной обмотки (СН).
Таким образом, типовая мощность меньше проходной в « раз. Например, при трансформации с 220 кВ на 110 кВ, т. е. при k=2, коэффициент выгодности составит: а = 1 —0,5. Это значит, что на той же активной части
может быть изготовлен автотрансформатор с проходной (номинальной) мощностью вдвое большей, чем трансформатор. Для автотрансформатора с напряжениями обмоток ВН и СН соответственно 500 и 110 кВ этот коэффициент увеличивается до 1— =0,78, а для автотрансформатора на напряжения 330 и 220 кВ уменьшится до
1-1=0.33.
Мощность третьей обмотки (НН), магнитносвязанной с автотрансформаторной обмоткой, может быть не более типовой, потому что типовой мощностью определяются размеры активной части (сечение сердечника), которые как раз должны соответствовать трансформаторной связи. Иначе говоря, если активная часть соответствует типовой мощности Р, т. е. мощности трансформатора с магнитносвязанными (двумя или тремя) обмотками, то при использовании этого трансформатора в качестве автотрансформатора (с добавлением обмотки, имеющей автотрансформаторную связь с одной из имеющихся обмоток) возможно передать проходную мощность Р/а, которая больше типовой в 1/а раз.
Таким образом, в состав характеристик автотрансформатора включаются дополнительно такие понятия, как типовая мощность и коэффициент выгодности.
Мощность, передаваемая автотрансформатором во вторичную обмотку, может быть выражена:
Что касается остальных характеристик, рассмотренных выше, то все они, за исключением ек, имеют такое же значение и величины, как и у трансформаторов с небольшими отклонениями в зависимости от конструкции.
Режим работы автотрансформатора при коротком замыкании отличается от режима работы трансформатора. При коротком замыкании вторичной обмотки автотрансформатора ток в первичной обмотке возрастает очень значительно, потому что напряжение, приложенное
w,
к первично и обмотке, повышается в отношении • Wj_Wi (рис. 8).
Напряжение Ui, прикладываемое к обмотке с числом витков (у трансформатора), при коротком замыкании на автотрансформаторной обмотке прикладывается к обмотке с числом витков Wi—w2. Сопротивление короткого замыкания в таком случае равно сумме полного сопротивления части обмотки ВН (дополнительной части) и сопротивления вторичной обмотки (т. е. общей части обмотки ВН), приведенному к числу витков дополнительной части.
В то время как в трансформаторе при коротком замыкании сопротивление короткого замыкания представляет сумму полных сопротивлений первичной и вторичной обмоток, отнесенное к полному числу витков первичной обмотки, в двухобмоточном автотрансформаторе эти сопротивления относятся к части витков обмотки ВН. Поэтому номинальное напряжение короткого замыкания у автотрансформатора меньше, чем у трансформатора, в w (или в раз)
Однако такие значения напряжения короткого замыкания требуют применения коммутационной аппаратуры, рассчитанной на большую мощность к. з. в энергосистеме, поскольку уменьшение значения е„ влечет возрастание токов короткого замыкания. Поэтому при конструировании автотрансформатора значение ек выбирается для основного режима (двухобмоточного автотрансформатора) ВН — СН и приравнивается к величине двух- обмоточных трансформаторов, т. е. в пределах 10—12% (в трансформаторах в пределах 11—13%).
Рис. 8. Принципиальная схема понижающего автотрансформатора при коротком замыкании.
Значение е„ между другими обмотками, т. е. в режимах НН--ВН или НН—СН. определяется конструктивными особенностями — взаимным расположением обмоток и расстоянием между ними, которое зависит от напряжения обмоток.
В трехобмоточном понизительном автотрансформаторе напряжение короткого замыкания между обмоткой низшего напряжения и автотрансформаторными обмотками имеет большую величину. Особенно это относится к обмотке ВН. Обмотки ВН располагаются наиболее далеко от стержня магнитопровода, а обмотка НН является ближайшей к стержню. Таким образом, расстояние между обмотками НН и ВН получается значительное и, следовательно, ек имеет увеличенное значение. Если трансформатор имеет регулировочную обмотку, которая располагается между обмотками СН и ВН (или СН и НН), то это еще более удаляет обмотку ВН от обмотки НН и е„ еще возрастает.
В автотрансформаторах с расположением обмотки НН в середине (повысительных) ек между обмотками ВН и НН имеет несколько меньшее значение, но зато увеличивается значение ек между обмотками ВН и СН.
В выполненных автотрансформаторах ек между обмотками ВН и НН составляет от 20 до 35%. Это значение получается, если относить его к номинальной мощности обмотки ВН (к проходной мощности автотрансформатора), если же относить его к типовой мощности (что физически более правильно, потому что передача мощности в режиме НН —ВН не превышает типовую), то значение ек получится меньше в а раз. По выполненным понизительным автотрансформаторам значение ек между обмотками НН и ВН колеблется в пределах 12— 18% (см. табл. приложения).
Дополнительной характеристикой, свойственной автотрансформаторам, является величина тока в общей части автотрансформаторной обмотки. Поскольку в этой части обмотки протекает разность токов обмоток ВН и СН, она рассчитывается на ток, меньший, чем линейный ток стороны обмотки СН.
Величину этого тока общей части можно контролировать только в тех автотрансформаторах, у которых имеется трансформатор тока в нейтрали каждой (или по крайней мере одной) фазы. У однофазных автотрансформаторов измерение тока может быть осуществлено просто с помощью трансформаторов тока на нейтральном вводе, а в трехфазном для этого требуется установка трансформатора тока на нейтральном отводе одной фазы (до соединения в звезду внутри бака).
Величина тока в общей части дается для того, чтобы в эксплуатации не допускать превышения ее при различных режимах работы, когда линейные токи обмоток не превосходят номинального значения, что может быть, например, при комбинированном режиме: передача мощности от обмотки ВЫ в обмотку СН и одновременно из обмотки 1IH в обмотку СН. Такой режим возникает при передаче мощности от генератора на сторону СН и из системы на сторону СН или, наоборот, от генератора на сторону ВН и от другого генератора через шины стороны СН также на ВН.
Особенностью автотрансформаторов является режим работы с обязательным глухим заземлением нейтрали автотрансформаторной обмотки. Поскольку обмотка ВН и обмотка СН представляют собой физически одну обмотку (или две электрически связанные), то волны перенапряжений, попадающие с линии стороны ВН, проходят в обмотку ВН и обмотку СН. Если нейтраль заземлена, потенциал ее при прохождении волны по обмотке будет равен нулю, а потенциал на выводе обмотки СН будет ниже, чем на линейном вводе обмотки ВН. Если же нейтраль изолирована, то будет происходить отражение волны от нейтрали, причем на нейтрали потенциал возрастает вдвое и распределение потенциала по обмотке может быть таково, что на вывод обмотки СН попадет потенциал даже больший, чем на выводе обмотки ВН, вследствие чего изоляция обмотки СН может повреждаться, так как не рассчитана на такие потенциалы. Усиление изоляции привело бы к значительному усложнению и удорожанию конструкции. Поскольку автотрансформаторы предназначены для работы в сетях с большим током замыкания на землю, т. е. при глухом заземлении нейтрали, то разземления нейтрали не требуется.
