Переключающие устройства трансформаторов служат для регулирования напряжения путем изменения соединения ответвлений обмоток между собой или с вводом. Их применение
связано с необходимостью обеспечения потребителей электрической энергией стандартного качества по напряжению.
Отклонение напряжений от стандартных в сторону повышения или понижения одинаково отрицательно отражается на работе электроустановок потребителей. Так, например, при снижении напряжения в сети на 10% уменьшается частота вращения электродвигателей, возрастают токи и нагрев обмоток ротора и статора, приводящие: к сокращению сроков их работы; при длительном повышении напряжения на 10% резко сокращается (примерно втрое) срок службы электрических ламп накаливания. Для некоторых видов оборудования резкие колебания напряжения могут стать причиной аварийного выхода из строя.
Колебания напряжения в питающей электрической, сети неизбежны вследствие изменений режимов нагрузки и других причин, чем и вызвана необходимость регулирования напряжения электрической энергии в месте ее потребления. Такое регулирование осуществляется с помощью специальных переключающих устройств, устанавливаемых в трансформаторах.
Регулирование может быть ручным или автоматическим. Ручным называют способ регулирования, при котором переключение отводов обмотки (ступеней регулирования) осуществляется вручную путем изменения положения контактов с помощью привода переключающего устройства. Автоматическое регулирование производится при помощи сложного специального устройства и без непосредственного участия оператора.
По конструкции и функциональному назначению переключающее устройство представляет собой коммутационный аппарат, состоящий из системы контактов, привода, механической передачи и различных приборов, обеспечивающих его нормальную работу.
В современных трансформаторах применяют переключающие устройства ПБВ (без возбуждения) и РПН (под нагрузкой).
Устройства переключения без возбуждения ПБВ. Подавляющее большинство силовых трансформаторов снабжено устройством ПБВ. Существуют различные конструкции переключателей ПБВ, отличающихся компоновкой, устройством контактов, приводов и других деталей, но основным элементом каждого их них является система подвижных и неподвижных контактов. Схема контактных систем переключателя выбирается в зависимости от схемы ответвлений обмотки трансформатора.
В силовых масляных трансформаторах общего назначения с устройствами ПБВ при необходимости регулирования напряжения число включенных витков изменяют переключателями ответвлений, расположенными внутри бака.
Переключатель снабжен системой подвижных и неподвижных контактов: подвижные контакты укреплены на валу, верхний конец которого выведен за пределы крышки бака трансформатора и снабжен приводом; к неподвижным контактам присоединены ответвления обмотки. При повороте привода в требуемом направлении на определенный угол подвижные контакты, укрепленные- на его валу, входят в соприкосновение с неподвижными, осуществляя нужное соединение витков обмотки.
Большинство находящихся в эксплуатации трехфазных силовых трансформаторов снабжено переключателями ТПСУ-9- 120/6, ТПСУ-9-120/11, ТПСУ-9-120/10, 3-50/35, ПТЛ-6-200/10 и ПТЛ-9-120/35, устройство которых кратко рассмотрено ниже.
Переключатель ТПСУ-9-120/6 (рис. 41, а, б) применяют в трехфазных силовых трансформаторах мощностью до 100 кВ А, напряжением 6 кВ на стороне ВН и без расширителей. Переключатель состоит из защитного зонта 1, стального вала 2 с укрепленной на нем рукояткой 3, муфты 4, бумажно-бакелитовой трубки 5 и гетинаксовой плиты б, в которой на равных расстояниях друг от друга запрессовано девять бумажно-бакелитовых втулок с установленными в них контактными стержнями 7 из латуни. Стальной вал соединен с коленчатым валом, несущим на себе два подвижных сегментных контакта 8. Переключатель крепится болтами к угольникам, установленным на верхних ярмовых балках активной части трансформатора, а его вал выведен наружу через отверстие в крышке трансформатора.
Переключение производят следующим образом: нажимая на рукоятку вертикально вниз до отказа и освобождения движения вала, поворачивают его на некоторый угол, а затем, прекратив нажатие и продолжая поворачивать вал, переводят рукояткой контакты до включения их в нужное рабочее положение.
Выключатели ТПСУ-9-120/6 просты по конструкции, обслуживанию и ремонту.
Переключатель ТПСУ-9-120/11 (рис. 42, а, 6) применяют в силовых трансформаторах мощностью 250—1000 кВ-А, напряжением 10 кВ. Его контактная система имеет конструктивное сходство с переключателем ТПСУ-9-120/6. Переключатель состоит из гетинаксового диска 8 с закрепленными в нем бумажно-бакелитовыми втулками 9; в которых запрессованы латунные контактные стержни 7. Управление переключателем осуществляется с помощью колпака /, соединенного с валом, к которому, в свою очередь, прикреплен коленчатый вал б с двумя сегментными контактами 5. Бумажно-бакелитовый цилиндр 4 соединен одним концом с гетинаксовым диском, а другим —с. крышкой. Правильное положение сегментных контактов 5 определяется положением указателя на колпаке относительно цифр I, II и III и совпадением отверстий для двух стопорных, болтов 2 в колпаке и крышке сальника 3. Переключатель крепится к крышке трансформатора.
Рис. 41. Устройство трехфазного переключателя ТПСУ-9-120/(\(л) и схема работы его контактов (б). Латинскими буквами обозначены контакты
Рис. 42. Устройство трехфазного переключателя ТПСУ-9-120/11 (а) и схема работы его контактов (б)
Переключатель ТПСУ-9-120/10 (рис. 43) применяют в трансформаторах напряжением 6 и 10 кВ широкого диапазона мощностей. Он имеет, некоторое конструктивное сходство с, ранее рассмотренными переключателями и отличается от них в основном устройством и расположением контактов в бумажно-бакелитовом цилиндре. Переключатель состоит из Стального вала с колпаком, бакелитового цилиндра с укрепленными на нем неподвижными контактами и коленчатого вала с подвижными контактами. Стальной вал 4 привода, проходящий через фланец 16, связан вверху с колпаком 2 привода, а внизу с бумажно-бакелитовой трубкой 11.
Рис. 44. Устройство трехфазного переключателя 3-50/35 и схема работы его контактов (б),
Рис. 43. Устройство трехфазного переключателя ТПСУ-9-120/10 (а) и схема работы его контактов (б):
1 - стопорный болт, 2 и 4 - колпак и вал привода, 3 — чугунный фланец цилиндра, 5 — центрирующая гетинаксовая пластина, б — неподвижный контакт, 9 — контактные болт и сегмент,
и 13 — болты крепления цилиндра,
10 — коленчатый вал, 11 и 12 — бумажнобакелитовые трубка и цилиндр, 14 — резиновая уплотняющая прокладка, 15 — крышка трансформатора, 16 — фланец колпака
1 — рукоятка, 2 — вал, 3 — крышка переключателя, 4 — бумажно-бакелитовая трубка,
и 9 — подвижный и неподвижный контакты, б — держатель, 7 — медная лента, 8 — диск
В нижнем конце трубки закреплен коленчатый вал 10 с латунными контактными сегментами 9. Нижний конец коленчатого вала центрирован в гетинаксовой пластине 5/Коленчатый вал с контактными сегментами 9 закрыт снаружи бумажно-бакелитовым цилиндром 72, который болтами 13 укреплен на чугунном фланце 3.
В нижнем торце цилиндра на равных расстояниях друг от друга расположены девять неподвижных латунных контактов б, внутренняя поверхность которых имеет цилиндрическую форму. Снаружи к каждому неподвижному контакту присоединяют соответствующие ответвления обмоток, а внутри по ним скользят контактные сегменты, замыкая в каждом рабочем положении три неподвижных контакта. Для перевода подвижных контактов переключателя из одного рабочего положения в другое необходимо вывернуть стопорный болт 7 и повернуть головку привода на 120°.
Переключатель прикрепляют к крышке бака трансформатора, при этом вся контактная часть располагается под крышкой, а конец вала с колпаком выступает над крышкой бака.
Переключатель ТПСУ-9-120/10 хорошо зарекомендовал себя в эксплуатации, его рабочие контакты, рассчитанные на номинальные токи 120 А, выдерживают многократные переключения без нарушения регулировки.
Переключатель 3-50/35 (рис. 44, а) применяют в многочисленных трансформаторах мощностью до 1000 кВ-А, напряжением 35 кВ. Он имеет простую, но достаточно надежную в работе конструкцию контактов, схема работы, которых показана на рис. 44,6. Переключатель устроен следующим образом. В крышке 3 переключателя проходит стальной вал 2, на верхнем конце которого крепят рукоятку 1 для переключения. Вал проходит внутри бумажно-бакелитовой трубки 4 и связан с вращающимся держателем 6.
В держателе укреплены три подвижных контакта 5, перемещающихся вместе с ним. Под действием спиральных пружин контакты могут также перемещаться на 3 — 4 мм вдоль своей оси; пружины прижимают подвижные контакты к нижним торцам неподвижных контактов 9. Последние проходят через отверстия в пластмассовом диске 8, в котором они закреплены. К верхней части каждого неподвижного контакта (их девять) подсоединяют ответвления обмоток, снизу пружины прижимают к ним подвижные контакты, которые соединены друг с другом медной лентой. 7. Контакты переключают когда другое рабочее положение поворотом рукоятки на 30е. Каждое положение переключателя фиксируется специальным фиксатором.
Переключающее устройство ПБВ типа ПТJL получило широкое распространение в качестве регулятора напряжения силовых трансформаторов мощностью 1800 — 5600 кВ-А. Благодаря наличию контактов ламельного («ножевого») типа вместо сегментных контактов переключатель ПТЛ работает более надежно. Контакт, ламельного типа представляет собой две профильно изогнутые медные пластины (ламели), плотно прижимаемые пружинами к контактной пластине.
Переключатели ПТЛ выпускают на напряжения трансформаторов 10 кВ (ПТЛ-9-120/10) и 35 кВ (ПТЛ-9-120/35).
Рис. 45. Трехфазный переключатель ПТЛ-9-120/35:
а — разрез, б — вид сверху, в — устройство контакта, г — схема работы контактов
Переключатель ПТЛ-9-120/35 (рис. 45, а — г) применяют для регулирования напряжения трансформаторов III габарита для обмоток с трехступенчатым регулированием и ответвлениями близ нейтрали. Переключатель состоит из стального вала 6, уплотненного сальником 8 и гайкой проходящего через металлическую сальниковую крышку 7, с помощью которой переключатель крепится к крышке трансформатора. На шлицах в торцевой части вала установлен и застопорен штифтом 4 колпак 2 с рукоятками и стрелкой, указывающей номер ступени регулирования.
В верхней части колпака имеются прикрепленная винтом 5 круглая шайба с предостерегающей надписью «Внимание! Смотри инструкцию» и болт 7, фиксирующий рабочую ступень напряжения. При ввернутом болте стрелка колпака должна показывать одну из ступеней, обозначенных на крышке римскими цифрами I, II и III. Нижний конец стального вала жестко сочленен с изоляционным валом 9, изготовленным из толстостенной бумажно-бакелитовой трубы, которая служит для электрической изоляции подвижных контактов от крышки переключателя и передачи вращения от верхнего приводного валика к нижнему 11 и далее к подвижным контактам. На хвостовой части валика 11 жестко закреплены (при помощи вспомогательных деталей и болтов 19) контактная пластина 18 и поводки 20. На пластинах 18 установлены три пары подвижных контактов 16 ламельного типа, поджимаемых пружинами 17 Подвижные контакты составляют одно целое с контактной пластиной и образуют соединение в звезду. Систему неподвижных контактов образуют девять медных пластин 15, расположенных равномерно по окружности бумажно-бакелитового цилиндра 10 и закрепленных на нем винтами 12 и пластинами 13.
Бумажно-бакелитовый цилиндр 10, прикрепленный болтами к крышке является для неподвижных контактов одновременно несущей конструкцией и электрической изоляцией. Гетинаксовая плита 21 служит основанием переключателя и деталью, центрирующей приводной вал. Регулировочные ответвления обмоток подсоединяют к неподвижным контактам болтами 14 согласно маркировке, показанной на рис. 45, г.
Регулирование напряжения с помощью переключателя ПТЛ производится следующим образом: отключают полностью трансформатор от сетей, вывертывают болт 7 из колпака, а затем поворотом рукоятки привода в нужном направлении устанавливают контактную систему в требуемом положении, указываемом стрелкой колпака, после чего ввертывают болт 7 в резьбовое отверстие и, проверив правильность выполненных операций переключения, включают трансформатор под напряжение и нагрузку.
Переключатель ПТЛ-6-200/10 (рис. 46) выпускается нескольких исполнений. В зависимости от количества ответвлений, силы тока и класса напряжений переключатели имеют типовые обозначения ПТЛ-4-120/35, ПТЛ-6-200/10, ПТЛ-6-200/35, где цифра 6 означает количество ответвлений, которые могут быть подсоединены к переключателю, 200 — номинальный ток, на который рассчитаны контакты переключателя, а 35 и 10 номинальное напряжение, на которое рассчитана изоляция переключателя.
Переключатель ПТЛ-6-200/10 на напряжение 10 кВ имеет следующее устройство. На бумажно-бакелитовом цилиндре 4 тремя ярусами закреплены выступающие внутрь цилиндра неподвижные контакты 7 (по шесть на каждую фазу).
Рис. 46. Трехфазный переключатель ПТЛ-6-200/10
Внутри цилиндра проходит изоляционный вал — бумажно-бакелитовая труба 5, несущая подвижные контакты б, замыкающие одновременно по одной паре неподвижных контактов в каждой из фаз (в каждом ярусе). К неподвижным контактам снаружи цилиндра присоединены регулировочные отводы обмоток. Устройство подвижных контактов видно на рисунке.
Верхний конец бумажно-бакелитовой трубы соединен с основным стальным валом 7, нижний — с вспомогательным стальным валом 8. На торцах цилиндра 4 закреплены металлические фланцы 2 с втулками 3 подшипников, центрирующие и поддерживающие вал переключающего устройства. Кроме того, в нижней части цилиндра имеется диск 75, скрепленный с нижним фланцем тремя, удлиненными болтами 9.
На хвостовой части вспомогательного вала жестко закреплен штифтом 12 фиксатор 10, изготовленный в виде трехлучевой звезды, в вершинах которой на пружинах установлены пальцы 77, входящие в отверстие диска и та сим образом фиксирующие ступень переключения. Переключатель устанавливают на кронштейнах, прикрепленных к активной части трансформатора. Для этого в верхнем фланце предусмотрено три отверстия, а в нижнем — болты 9. Устройства ПТЛ на большие токи и напряжения (ПТЛ-6-400/10, ПТЛ-6-400/35) отличаются размерами изоляционного цилиндра, длиной бумажно-бакелитовой трубы и спаренной системой контактов, рассчитанных на токи 400 А.
Устройства переключения под нагрузкой РПН
Регулирование напряжения трансформаторов способом РПН осуществляется при помощи сложных переключающих устройств, состоящих из приводного механизма, избирательного контактора и токоограничивающего реактора или токоограничивающих резисторов.
Учитывая высокое качество электроэнергии, подаваемой потребителям, и постоянство напряжения, в питающих электрических сетях, следовательно, и редкую необходимость строгой стабильности напряжения, а также относительную сложность устройств РПН, большинство не только - эксплуатируемых, но и вновь выпускаемых трансформаторов снабжено простыми по конструкции и достаточно надежными, переключающими устройствами ПБВ, которые ; уже рассматривались. Поэтому ниже приводится только краткое описание элементов, входящих в устройства РПН, и способов их размещения в трансформаторах.
Устройства РПН бывают двух исполнений: с токоограничивающим реактором и с активными токоограничивающими резисторами.
Трехфазное переключающее устройство РПН типа РНТ-13 с токоограничивающим реактором (рис. 47) состоит из привода, контактора, трехфазного избирателя и реактора.
Привод устройства РПН помещен в коробку 2, укрепленную на стенке бака 7 трансформатора, и при помощи вала 4 соединен с контактором, расположенным в баке 5, заполненном маслом, уровень которого контролируется указателем 6.
Рис. 47. Расположение частей переключающего устройства РПН типа РНТ-13 внутри трансформатора и на его баке:
1 — бак трансформатора, 2 — коробка с приводом, 5 — муфта вертикального вала, 4 — вертикальный вал, 5 — бак контактора, б — указатель уровня масла в баке - контактора, 7 — горизонтальные валы привода, 8 — избиратели ответвлений фаз А, В и Q 9 — реактор, 10 — ярмовая балка, 11 - бумажнобакелитовая трубка
Контактор соединен с трехфазным избирателем 8 ответвлений фаз А, В и С, который составлен из трех однофазных избирателей, сочлененных при Помощи бумажно-бакелитовых трубок 11. Контактор и избиратель одновременно приводятся в действие приводом, который может быть включен вручную или электродвигателем, имеющимся в приводе. Полный цикл переключения со ступени на ступень происходит за один оборот главного вертикального вала 4. Привод содержит устройство кнопочного управления электродвигателем, систему сигнализации и счетчик количества переключений. Приводы обычно снабжают устройством дистанционного управления.
Избиратели снабжены контактами, действие которых происходит без разрыва цепи тока, поэтому они не обгорают.
Такая работа контактов не вызывает возникновения электрической дуги, способной разлагать масло, и позволяет устанавливать избиратель на ярмовой балке магнитопровода внутри трансформатора. Контактор установлен в Отдельном баке с. маслом, не сообщающимся с маслом, в которое погружена активная часть трансформатора. Такое размещение контактора вызвано тем, что работа его контактов связана с разрывом электрической цепи, сопровождающейся, возникновением электрической дуги, разлагающей и загрязняющей масло.
Реактор 9, представляющий собой катушку с большим индуктивным сопротивлением, установлен внутри трансформатора на ярмовой балке магнитопровода и служит для ограничения циркулирующего тока, проходящего по его обмоткам. Циркулирующий ток, проходя по обмотке реактора вызывает в его магнитопроводе магнитный поток, который, образуя противо-ЭДС, создает индуктивное сопротивление цепи и тем самым ограничивает циркулирующий ток. При отсутствии реактора образовался бы замкнутый контур, а возникший в этом контуре ток короткого замыкания привел к выгоранию витков ступени.
При использовании устройства РПН с токоограничивающим реактором возникают сложности из-за его размещения в тесном пространстве внутри бака трансформатора. Начиная с 1970 г. в отечественном трансформаторостроении стали широко применять быстродействующее переключающее устройство РПН с активными токоограничивающими резисторами. Это устройство погружного типа занимает сравнительно небольшое пространство в баке трансформатора, поскольку его основные сборочные единицы — контактор и трехфазный избиратель — соединены в единую вертикально расположенную конструкцию.
Переключающее устройство (рис. 48) состоит: из несущего фланца 7, закрепляемого на крышке бака, командного вала 2, связанного с системой шестеренчатых и мальтийских передач, которые передают движение на валы избирателя и контактора; корпуса 3 контактора 4, представляющего собой герметически закрытый изоляционный цилиндр, в который встроены механизм переключения, контактор и активные резисторы 5; верхнего фланца 6, в котором размещен блок зубчатых и мальтийских передач избирателя 7.
Избиратель представляет собой цилиндрическую клетку, состоящую из гетинаксовых реек, на которых закреплены медные (неподвижные) контакты 9. На каждый ряд неподвижных контактов приходится один подвижный контакт 10. Подвижные контакты приводятся в движение от двух изоляционных валов 12 и перемещаются вокруг центральной трубы 13; ток с контактов отводится на контактные диски 11, а с последних — на контактор. Концы изоляционных планок закреплены между нижним 15 и верхним 6 фланцами.
На изоляционном цилиндре 16 размещены шпильки 77, к которым,присоединяют отводы от нулевых точек обмоток трансформатора. Несущий фланец 1 выполнен разъемным (с крышкой 19). Горизонтальный вал 18, выступающий из,фланца, позволяет присоединить к нему вал привода с той -или другой стороны фланца. В крышке фланца имеется окно 20 для цифрового указателя положений, в стенке фланца — три патрубка 21.
Принципиальные схемы работы и последовательность переключения контактов быстродействующего устройства РПН с токоограничивающими резисторами показаны на рис. 49. В нормальном рабочем положении на ступени II (рис. 49, а) контакторы К1 и К2 разомкнуты, КЗ и К4 замкнуты. При указанном положении контакторов сопротивление резистора R2 зашунтировано и ток нагрузки /н проходит через выключатель /72, контактор К и дальше по цепи в нейтраль или линию.
Рис. 48. Переключающее устройство с активным токоограничивающим резистором:
1, 6 и 15 — несущий, верхний и нижний фланцы, 2, 12,14 и 18- командной, изоляционный, поворотный и горизонтальный валы, 3 — корпус контактора, 4 - контактор, 5 - активный резистор, 7 — избиратель, 8 — предызбиратель, 9 и 10 — неподвижный и подвижный контакты, 11 - контактный диск, 13 - центральная труба, 76,— изоляционный цилиндр, 17 — шпилька, 19 — крышка, 20 — окно, 21 - патрубок
Рис. 49. Принципиальные схемы работы и последовательность переключения контактов устройства РПН с активными резисторами: а — е — полный цикл переключения со ступени на ступень
При этом избиратель П1 нечетных ступеней обесточен и находится в ожидании команды от приводного механизма на выборе ступени / или III. Если надо перейти со ступени II на III, приводной механизм включают в сторону увеличения номера ступени. В первый момент работы приводного механизма избиратель 777 переходит на ступень III (рис. 49,6). Затем вступает в работу контактор: размыкается контакт К4 (рис. 49, в) и ток нагрузки проходит через резистор R2. Далее замыкаются контакты К2 (рис. 49, г), образуется положение «моста», ток нагрузки проходит через резисторы R1 и R2. Кроме того, в контуре возникает циркулирующий ток /ц. Затем размыкается контакт Щ (рис. 49, д) и ток нагрузки идет через резистор R1 так же, как на рис. 49, в. Далее замыкаются контакты К1, резистор Л7 шунтируется и цикл переключения на этом заканчивается — трансформатор работает на III ступени напряжения (рис. 49, е). Порядок работы избирателя и контакторов при переключении на следующую ступень аналогичен.
Цикл переключения в переключателях РПН с активными резисторами длится сотые доли секунды (т; е. мгновенно). Устройства РПН с активными токоограничивающими резисторами имеют по сравнению с устройствами РПН с токоограничивающими реакторами ряд преимуществ; компактность и удобство размещения в результате замены громоздкого реактора небольшими (по своим размерам) токоограничивающими резисторами; безотказность работы устройств (в случае прекращения электропитания электродвигателя моторного привода управление может быть осуществлено пружинным приводом).
Однако в конструктивном отношении устройства РПН с активными резисторами значительно сложнее, чем переключающие устройства с реакторами. Для обеспечения большой скорости работы требуются надежность и точность изготовления, а также высокое качество применяемых материалов и механизмов. Последовательность переключения контактной системы при больших скоростях требует высокой степени точности регулировки и проверки осциллографированием.
