Работа трансформатора под нагрузкой

Ранее нами рассматривались предельные режимы работы трансформатора: х.х.- когда Z_нг= и к.з.- Z_нг=0. В реальном трансформаторе нагрузка (Z_мг) имеет, как правило, конечное значение и смешанный характер.

Для анализа нагрузочного режима запишем уравнения намагничивающих сил и напряжений трансформатора:

.

(2.4.1)

Величина и характер векторов и определяются внешней нагрузкой. Пусть нагрузка активно-индуктивная, построим для этого случая векторную диаграмму.

Рисунок 2.4.1 – Векторная диаграмма трансформатора в режиме активно-индуктивной нагрузки

Построение начинают с вектора основного потока . Далее строятся наводимые им и , отстающие от на π/2. отстаёт от на угол Ψ₂ , определяемый характером нагрузки. строится по и , опережающему на угол α. Вектора напряжений

и находятся построением в соответствии с системой уравнений.

Аналогично можно построить векторную диаграмму для смешанной активно-емкостной нагрузки. Если положить, что =0 (в реальных векторных диаграммах эта величина показана непропорционально большой), то получим упрощенную векторную диаграмму, которая соответствует упрощенной схеме замещения. В этом случае уравнения трансформатора приобретают вид:

(2.4.2)

.

Рисунок 2.4.2 – Векторная диаграмма трансформатора в режиме активно-емкостной нагрузки

I1zк

Рисунок 2.4.3 – Упрощенная векторная диаграмма трансформатора

Рисунок 2.4.4 – Упрощенная схема замещения трансформатора

По упрощённой векторной диаграмме можно судить о влиянии характера нагрузки (φ₂) при постоянстве её величины ( ) и питающего напряжения на .

С помощью упрощённой векторной диаграммы можно определить такой важный эксплуатационный показатель как изменение напряжения трансформатора. Изменением напряжения называется арифметическая разность между вторичным напряжением при холостом ходе и при номинальном токе нагрузки, когда = , f=f _ном.

Для определения этой величины используем упрощённую в.д., построенную в о.е.

Рисунок 2.4.5 – К выводу формулы изменения напряжения трансформатора

Здесь: AC = Z_к* = I_1*Z_к* = U_к*; AB = U_кr*; BC = U_ка*. Согласно определению в о.е.

;	(2.4.3)
; (с точностью до десятых долей процента)	(2.4.4)
.	(2.4.5)
Продлим ОС и опустим перпендикуляр на ОС из тоски А, получим точку Е. ΔСАВ – треугольник короткого замыкания. Из В опускает перпендикуляр на ОЕ, получаем точку Д. Из В опускаем перпендикуляр на АЕ. , получаем точку К.

Из рисунка (2.4.5) следует, что:

.

(2.4.6)

По формуле бинома Ньютона и ;

;	(2.4.7)
;	(2.4.8)
.	(2.4.9)

Обычно выражают в процентах, тогда:

(2.4.10)

.

Вторым членом суммы из-за его малости можно пренебречь, поэтому используют упрощённую формулу:

.

(2.4.11)

Используя полученное выражение можно анализировать влияние величины и характера нагрузки на .

Рисунок 2.4.6 – Зависимость изменения напряжения от характера нагрузки

Из рисунка видно, что при активно-индуктивной нагрузке вторичное напряжение понижается, а при активно-емкосной – повышается ( <0).

Если I_2н, то вводят понятие коэффициента загрузки , и вся правая часть выражения (2.4.11) умножается на .

Зависимость при cos =const называется внешней характеристикой трансформатора. Обычно при ; ; .

Рисунок 2.4.7 –Внешняя характеристика трансформатора

Способы регулирования напряжения трансформатора.

Поскольку в процессе работы величина и характер нагрузки трансформатора колеблются, может колебаться также и вторичное напряжение. Поэтому возникает необходимость регулирования U₂. Это можно сделать, изменяя k_тр или w_1, или w₂, т.к. k_тр=w₁ /w₂.

Переключение без возбуждения позволяет изменить коэффициент трансформации в пределах от −5 % до +5 %. На маломощных трансформаторах выполняется с помощью двух ответвлений, на трансформаторах средней и большой мощности с помощью четырёх ответвлений по 2,5 % на каждое.

Ответвления чаще всего выполняются на той стороне, напряжение на которой в процессе эксплуатации подвергается изменениям. Обычно это сторона высшего напряжения. Выполнение ответвлений на стороне высшего напряжения имеет также то преимущество, что при этом, ввиду большего количества витков, отбор ±2,5 % и ±5 % количества витков может быть произведён с большей точностью. Кроме того, на стороне высшего напряжения величина силы тока меньше, и переключатель получается более компактным. При этомнадо заметить, что у понижающих трансформаторов (питание подводится со стороны обмотки высшего напряжения) регулирование напряжения будет сопровождаться изменением магнитного потока в магнитопроводе. В нормальном режиме это изменение незначительно.

Регулирование напряжения переключением числа витков обмотки со стороны питания и со стороны нагрузки имеет разнохарактерный вид: при регулировании напряжения изменением числа витков на стороне нагрузки для повышения напряжения необходимо увеличить число витков (поскольку напряжение пропорционально числу витков), но при регулировании со стороны питания для повышения напряжения на нагрузке необходимо уменьшить число витков (это связано с тем, что напряжение сети уравновешивается ЭДС первичной обмотки, и для уменьшения последней необходимо уменьшить число витков).

Для регулирования напряжения обмотки можно выполнить с ответвлениями на обеих сторонах и переключать эти ответвления с помощью специальных переключающих устройств.

Переключение ответвлений можно производить двумя способами:

1) с отключением трансформатора от сети;(ПБВ)

2) без отключения трансформатора от сети (с РПН).

Первый способ проще, безопаснее и не требует дорогостоящего оборудования, хотя и приводит к перерыву в электроснабжении. И в основном используется при сезонных переключениях напряжения в связи с сезонными изменениями нагрузки.

Второй способ регулирования напряжения более дорогой, но более надёжный, поэтому РПН применяется всё шире.

Схемыпереключениявотключённомсостоянии.

В трансформаторах слабой и средней мощности используют три ступени 5%, а в трансформаторах большой мощности – пять ступеней: +2,5% и +5%.

Ответвления выполняют обычно на высокой стороне. Во первых, это позволяет упростить конструкцию переключателя ответвлений, так как токи в обмотке ВН меньше, чем в обмотке НН.. Во вторых, число витков обмотки ВН больше, чем обмотки НН, вследствие чего изменение числа витков на 1,25 — 2,5 % можно осуществлять с большей точностью.

Переключаемые участки располагают в окне трансформатора по высоте обмотки в средней её части, чтобы распределение частей обмотки, нагруженных током, было симметричным по отношению к ярму при работе на разных ответвлениях.

Переключатели располагают внутри бака трансформатора, а концы осей переключателей выводятся на крышку.

Регулирование напряжения под нагрузкой.

Для повышения гибкости и удобства управления крупными электрическими сетями и системами большое значение имеет возможность регулирования напряжения трансформаторов без перерыва нагрузки. Потребность в таких трансформаторах быстро возрастает. В соответствии с этим промышленность выпускает трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой для всех мощностей от 63 до 200000 кВ • А с пределами регулирования 6 10 % (10 ÷ 16)%. со ступенями 1,25 1,78 %

В устройствах с РПН токовая цепь разрывается, поэтому в промежуточном положении часть обмотки замыкается накоротко.

При использовании этого способа регулирования необходимо:

1) обеспечить переход с одного ответвления на другое без разрыва тока, для чего в некоторый момент времени должны быть включены два соседних ответвления;

2) ограничить ток короткого замыкания (ток к. з.) в части обмотки трансформатора, расположенной между этими ответвлениями при одновременном их включении.

Для этого применяют переключающие устройства с дистанционным управлением и с токоограничивающими реакторами и

Рассмотрим схемы переключающего устройства с токоограничивающим реактором в трех положениях его переключающих элементов. Устройство состоит из реактора Р, двух контакторов К1 и К2, предназначенных для разрыва тока, проходящего по двум параллельным ветвям реактора ( т.е. для выключения тока из данной ветви перед её переключением), и подвижных контактов переключателя П₁,П₂, рассчитанных на переключение ветвей без тока.

I II III IV

Рисунок 2.4.8 – Переключение ответвлений обмотки для регулирования напряжения под нагрузкой с использованием токоограничивающего реактора

Переключающее устройство действует следующим образом. В первом рабочем положении I, когда переключающее устройство подключено к ответвлению Х1, контакторы К1 и К2 замкнуты и ток проходит по параллельным ветвям реактора в разных направлениях, не намагничивая его. Поэтому индуктивное сопротивление реактора весьма мало. При переходе с ответвления X1 на ответвление Х2 сначала отключается контактор К2, но цепь тока не прерывается, так как он продолжает проходить через контактор К1 (промежуточное положение II). Затем переключатель П1 без тока переводится на ответвление Х2, после чего вновь включается контактор К2 {промежуточное положение III). В этом положении через обе половины реактора проходит ток одного направления, его индуктивное сопротивление резко возрастает и он эффективно ограничивает ток Iк (или его называют уравнительным током), в замкнутом контуре, образованном частью обмотки трансформатора, которая расположена между ответвлениями Х1и Х2. После этого размыкается контактор К1, переключатель П1 переводится без тока на ответвление Х2 и снова замыкается контактор К1, т. е. на этом заканчивается переход во второе рабочее положение IV, при котором переключающее устройство подключено к ответвлению Х2.

Реактор Р и переключатели П помещаются внутри масляного бака трансформатора, а контакторы К – в дополнительном баке, который монтируется на боковой стенке бака трансформатора. Находящееся в нем масло, которое загрязняется при разрыве контакторами тока, не соединяется с маслом основного бака.