ЛЕКЦІЯ 21

ТЕМА 2.5 РЕГУЛЮВАННЯ НАПРУГИ ТА ПЕРЕХІДНІ ПРОЦЕСИ В ТРАНСФОРМАТОРАХ

Щоб забезпечити стабільність електропостачання споживачів, вихідну напругу силового трансформатора, враховуючи зміну вторинної напруги при роботі його під навантаженням та спадання напруги в лініях, необхідно регулювати. Будь-яка зміна стану роботи трансформатора супроводжується перехідним процесом. Питанням, пов’язаним з регулюванням напруги та перехідними процесами, надається значна увага в процесі експлуатації трансформаторів.

2.5.1 РЕГУЛЮВАННЯ ВТОРИННОЇ НАПРУГИ ТРАНСФОРМАТОРА

При експлуатації трансформатора досить часто виникає потреба змінювати величину вторинної напруги. Найчастіше це пов’язано з необхідністю стабілізації напруги за рахунок незначної (в межах від 5 до 10 %) зміни первинної напруги, викликаної падінням напруги і лініях та потребою регулювання вторинної напруги (через особливості технологічного процесу) в певних межах при незмінній (чи мало змінюваній) первинній напрузі. В будь-якому разі регулювання вторинної напруги здійснюється зміною коефіцієнта трансформації трансформатора, тобто співвідношенням між числами витків первинної і вторинної обмоток.

Якщо необхідність регулювання викликана зміною первинної напруги, то найпростіше змінювати число витків первинної обмотки (з цією метою в обмотці виконуються відповідні відгалуження) так, щоб намагнічувальна сила, а отже магнітний потік і ЕРС витка залишалися незмінними. Так як число витків вторинної обмотки не змінилось, не зміниться і ЕРС цієї обмотки і її напруга.

При необхідності значного регулювання вторинної напруги при незмінній первинній напрузі, слід змінювати число витків вторинної обмотки. Змінювати число витків первинної обмотки у цьому випадку не можна, тому що це викличе зміну магнітного потоку трансформатора і, як наслідок, або до його перегрівання, або до поганого використання.

Перемикання відгалужень обмоток найчастіше може здійснюватись у відімкненому від мережі трансформаторі, таке перемикання називається перемиканням без збудження (ПБЗ), або у навантаженому – тоді воно називається регулюванням під навантаження (РПН).

Перемикання відгалужень без збудження. Таке регулювання застосовується у сухих і масляних силових трансформаторах загально промислового призначення, а також у силових трансформаторах, що працюють з випрямлячами або інверторами. Напруга регулюється на ± 5 % від номінальної напруги зі ступінчастістю 2,5 %, тобто трансформатор має відгалуження на п’ять різних (включаючи номінальну) напруг. В трансформаторах порівняно незначної потужності може бути тільки три відгалуження (+ 5; 0; – 5) %. Найчастіше в силових трансформаторах регулювальні витки виконуються в обмотці ВН, що дозволяє спростити конструкцію перемикача за рахунок менших, ніж в обмотці НН, струмів. Крім того, більше число витків обмотки ВН дозволяє виконати зміну напруги з більшою точністю. В силових трансформаторах, що працюють з випрямлячами або інверторами, часто напруга регулюється з боку НН; при цьому перемикальна апаратура виконується на значні струми, що досить ускладнює її конструкцію.

При регулюванні напруги частина витків однієї з обмоток відмикається, що веде до порушення рівномірність розподілу МРС по висоті обмотки, а це, в свою чергу, до спотворення магнітного поля розсіювання і появи електродинамічних сил, які стискують або розтягують обмотку в осьовому напрямі. Ці сили особливо небезпечні при аварійних КЗ і можуть навіть зруйнувати обмотку. Тому регулювальну зону обмотки намагаються рівномірно розподілити по висоті обмотки, або виконати в середині, симетрично відносно обох ярем. У трифазних трансформаторах порівняно незначної потужності сполучених за схемою У, враховуючи незначні електродинамічні зусилля, регулювальні витки доцільно виконати біля заземленої нульової точки, що спростить ізоляцію перемикача. Якщо відгалуження розташовані в середній зоні обмотки (в потужних трансформаторах), то перемикачі виконуються з підсиленою ізоляцією і високою точністю дії, тому що неузгоджена робота елементів перемикача при високій напрузі може призвести до серйозних аварій.

В трансформаторах з багатошаровою циліндричною обмоткою (рис. 2.5, а) витки, що відмикаються, звичайно розташовуються на кінці обмотки у зовнішньому шарі симетрично відносно обох ярем (рис 2.43, а). При переході з одного відгалуження Х₁ – Х₅ на інше відмикається рівна кількість витків від центру обмотки. У безперервних обмотках (рис. 2.5, б) відгалуження А₂ – А₇ розташовуються в середній частині (рис 2.43, б). При номінальній напрузі до 35 кВ може використовуватись зворотна схема (рис 2.43, в), що дозволяє розташувати відгалуження біля нульової точки і одночасно в середині обмотки по висоті. При такій схемі частини обмоток мають різний напрямок намотування.

В масляних трансформаторах перемикання звичайно здійснюється контактним перемикачем, що розташовується безпосередньо в баці, а ручка його привода на кришці. В сухих трансформаторах відгалуження виводяться на панель і перемикання здійснюється перестановкою контактних пластин на різні вивідні шпильки.

Перемикання відгалужень під навантаженням. Для підвищення гнучкості і зручності керування крупними електричними мережами і системами має велике значення можливість регулювання напруги трансформаторів без перерви навантаження. Випускаються такі трансформатори всіх потужностей від 63 до 250000 кВ _* А з межами регулювання ± (10 – 16) %.

Для здійснення регулювання під навантаженням необхідно:

– забезпечити перехід з одного відгалуження на інше без розривання струму, для чого на деякий час мають бути ввімкнені два сусідні відгалуження;

– обмежити струм КЗ в тій частині обмотки трансформатора, що розташована між відгалуженнями, які ввімкнені одночасно;

– узгодженість роботи всіх елементів перемикальних пристроїв.

Здійснюється регулювання напруги трансформатора під навантаженням пристроями РПН з дистанційним керуванням та струмообмежувальними резисторами або реакторами. Схема роботи останнього зображена на (рис. 2.44). Пристрій складається з реактора Р, двох контакторів К₁ та К₂, призначених для розмикання струму, що протікає по двох паралельних вітках струмообмежувального реактора та двох перемикачів П₁ та П₂, які виконують перемикання під час безструмової паузи. Перемикання з відгалуження Х₁ (рис. 2.44, а) на відгалуження Х₂ (рис. 2.44, ж) відбувається у послідовності, показаній на (рис. 2.44, б – є).

Реактор і перемикачі розміщуються всередині масляного бака, а контактори – в спеціальному бачку, що встановлюється зовні на стінці бака. Масло, що заповнює цей бачок, забруднюється при розмиканні контактів і тому не сполучується з маслом основного бака.

Робота РПН, що має струмообмежувальний резистор, відрізняється конструктивно від РПН з реактором, але принцип роботи у них аналогічний.

Розглянуті принципи перемикання дозволяють здійснювати ступінчасте регулювання вторинної напруги. Плавне регулювання напруги здійснюється у трансформаторах порівняно незначної потужності. Для цього використовуються трансформатори з ковзним контактом (контактна щітка рухається оголеною частиною обмотки), з рухомою вторинною обмоткою (рухомий стрижень із вторинною обмоткою дозволяє плавно змінювати взаємоіндуктивність між обмотками, а отже і ЕРС Е₂) та трансформатори, що регулюють напругу підмагнічуванням шунтів (плавна зміна вторинної напруги здійснюється шляхом підмагнічування магнітопроводу постійним струмом).

2.5.2 ПЕРЕХІДНІ ПРОЦЕСИ ПРИ ВМИКАННІ ТА ПРИ РАПТОВОМУ КЗ ТРАНСФОРМАТОРА

Перехідні процеси в електричних колах взагалі, і в трансформаторах зокрема, виникають при переході від одного усталеного режиму роботи до іншого. Будь-який усталений режим характеризується визначеною енергією електромагнітних полів, тому на протязі перехідного процесу відбувається зміна енергії цих полів.

Звичайно перехідний процес протікає дуже короткий час, але він може супроводжуватись досить небезпечними для трансформатора ефектами, наприклад, виникненням значних механічних зусиль між обмотками або їх частинами, нерівномірним розподілом напруги між окремими частинами обмоток або навіть між окремими витками тощо. Найбільший практичний інтерес мають перехідні процеси, що виникають при ввімкнені трансформатора та аварійному КЗ на затискачах його вторинної обмотки.

Ввімкнення трансформатора до мережі. Найчастіше до мережі вмикається не навантажений трансформатор. При такому ввімкнені відбувається намагнічування магнітопроводу і результатний магнітний потік необхідно розглядати як суму кількох складових (рис. 2.45, а) Ф, Вб:

Ф = Ф_уст + Ф_пер ± Ф_зал, (2.106)

де Ф_уст – усталений магнітний потік; Ф_пер – потік перехідного процесу; Ф_зал – магнітний потік залишкового магнетизму, що може або співпадати з усталеним потоком (знак “+” в рівнянні), або направлений йому назустріч (знак “–”).

Магнітний потік перехідного процесу Ф_пер затухаючий і незмінний за напрямом.

Найбільш сприятливою умовою ввімкнення буде мить, коли напруга мережі має максимальне значення і залишковий магнітний потік відсутній, в цьому випадку з першої миті установлюється номінальний магнітний потік, тому що він відстає по фазі від напруги на 90 ⁰, що виражається співвідношенням (2.7). В той же час найбільш несприятливою умовою ввімкнення є мить ввімкнення трансформатора, коли напруга мережі рівна нулю, а залишковий магнітний потік направлений назустріч усталеному магнітному потоку. При цьому магнітний потік Ф_уст буде максимальним. Приблизно через половину періоду результатний магнітний потік стає найбільшим. Якщо магнітна система ненасичена (що найчастіше і має місце при ввімкненні), то в мить ввімкнення у первинній обмотці виникає струм пропорційний магнітному потоку. Якщо ж магнітопровід трансформатора насичений, то при ввімкнені намагнічувальний струм І_1вмик досягає високого значення (він називається надструмом НХ). Із побудови, виконаній на кривій намагнічування (рис. 2.45, б), видно, що при потоці, який перевищує усталене значення у два рази, надструм НХ може перевищувати при несприятливих умовах у (6 – 8) разів номінальне значення первинного струму.

Враховуючи нетривалість перехідного процесу (не перевищує кілька періодів змінного струму), струм вмикання ніякої шкоди трансформатору не завдає, але апаратура захисту повинна бути налаштована таким чином, щоб не відбувалось невірних відмикань. Кидок струму слід також враховувати при наявності чутливих вимірювальних приладів в колі первинної обмотки.

Аварійне КЗ на затискачах вторинної обмотки трансформатора. КЗ на затискачах вторинної обмотки трансформатора може виникнути при механічному пошкодженні ізоляції або її електричного пробою при перенапругах, при помилкових діях персоналу тощо.

При раптовому КЗ в обох обмотках трансформатора виникає досить значний миттєвий струм КЗ і_к. Цей струм можна розглядати як результатний двох струмів (рис. 2.46): усталеного струму і_{к уст} і струму перехідного процесу і_{к пер} постійного за напрямом, але спадаючого за експоненціальним законом:

і_к = і_{к уст} + і_{к пер}. (2.107)

Як і при ввімкненні трансформатора до мережі, найбільш несприятливі умови КЗ будуть у мить коли миттєве значення первинної напруги рівне нулю. При цьому ударний струм КЗ може досягати подвійного значення усталеного струму КЗ і в (20 – 40) разів перевищувати номінальний струм.

Перехідний процес при раптовому КЗ у трансформаторів малої потужності триває не більше одного періоду, а у трансформаторів великої потужності – (6 – 7) періодів. Потім трансформатор переходить в режим усталеного КЗ, струми якого і_{к уст} хоча і менші від струму і_к при перехідному процесі, та все ж у багато разів перевищують номінальні значення, тому обов’язково застосування захисних пристроїв, що за кілька секунд повинні відімкнути трансформатор. Не дивлячись на короткочасність процесу КЗ, він уявляє значну небезпеку для обмоток трансформатора: по-перше, великий струм різко підвищує їх температуру, що не тільки викликає “старіння” ізоляції, а може і пошкодити її, викликавши замикання витків; по-друге, різко зростають електромагнітні сили, що діють на обмотки.

Питома (на 1 м) електромагнітна сила F_пит, що діє на витки обмотки згідно (В.2) пропорційна індукції поля розсіювання В_σ та струму витка обмотки і:

F_пит = В_{σ *} і (2.108)

Із зростанням струму пропорційно зростає також індукція поля розсіювання, отже питома електромагнітна сила зростає пропорційно квадрату струму (F_пит ≡ і ²). Так, якщо номінальний струм у витку складає, наприклад, і =100 А, а індукція поля розсіювання В_σ = 0,1 Тл, то питома електромагнітна сила F_пит = 100 _* 0,1 = 10 Н/м, що ніякої шкоди обмотці не завдає. Але якщо при раптовому КЗ кидок струму в 40 разів перевищує номінальне значення, то відповідно F_пит зросте у 1600 разів і становитиме 16 кН/м. Така сила може викликати значні механічні пошкодження в трансформаторі (рис. 2. 47). Все це слід враховувати не лише при проектуванні трансформаторів (створювати міцні конструкції обмоток та надійне їх кріплення на осерді, згідно стандартів силовий трансформатор повинен витримувати без пошкодження діюче значення усталеного струму КЗ І_{к уст} = 25 І_ном), але і при його експлуатації (створюючи надійні швидкодіючі пристрої захисту – згідно стандартів для масляних трансформаторів протяжність аварійного КЗ не повинна перевищувати 5 с).

ЦЕ НЕОБХІДНО ЗАПАМ’ЯТАТИ:

– при експлуатації трансформатора виникає потреба в регулюванні вторинної напруги, викликана необхідністю стабілізації напруги або особливостями технологічного процесу;

– регулювання числа витків можна здійснювати як у первинній, так і у вторинній обмотці, як при відімкненому від мережі трансформаторі (ПБЗ), так і без такого відмикання (РПН);

– регулювальні відгалуження необхідно виконувати таким чином, щоб забезпечити симетрію МРС по висоті обмотки;

– найчастіше регулювальні відгалуження виконуються в обмотці ВН;

– регулювання напруги трансформатора пристроями РПН дозволяє підвищити зручність і гнучкість керування електричними мережами і системами;

– перехідний процес трансформатора – це його перехід від одного усталеного режиму до іншого;

– найнесприятливішим ввімкненням трансформатора до мережі є мить ввімкнення трансформатора, коли напруга мережі рівна нулю, а залишковий магнітний потік направлений назустріч усталеному магнітному потоку;

– найбільші струми аварійного КЗ (як і надструми НХ) виникають, якщо КЗ відбулось в момент переходу напруги первинної обмотки через нуль;

Дата добавления: 2015-07-14