Устройство автотрансформатора – устройство, принцип действия, схема, типы

В общем случае любые трансформаторы применяются в электрических сетях для изменения величины напряжения. Так при передаче электроэнергии на большие расстояния повышение напряжения снижает потери энергии на активном сопротивлении передачи пропорционально квадрату значения рабочего напряжения. Поэтому напряжение генератора электростанции повышают в 10 — 15 раз передают по ЛЭП, а потом на месте снижают последовательно по ступеням для питания местных распределительных сетей различных напряжений. Все подобные преобразования напряжения из одного значения в другое осуществляют при помощи трансформаторов и их разновидностью — автотрансформаторов.

Главное отличие автотрансформатора от обычного трансформатора состоит в том, что две его обмотки обязательно имеют между собой электрическую связь, они наматываются на одном стержне, мощность передается между обмотками комбинированным способом — путем электромагнитной индукции и электрического соединения. Это снижает габариты и стоимость машины (причины и расчет этого факта приведены ниже). Автотрансформатор может быть сделан двухобмоточным и многообмоточным, в каждой из этих модификаций автотрансформаторов обязательно присутствуют обмотки ВН (высшего напряжения — вход) и СН (среднего напряжения — выход), электрически соединенные между собой. В многообмоточных моделях имеется еще одна или несколько обмоток НН (низкого напряжения), которая имеет с первыми двумя только индуктивную электромагнитную связь. В трехфазном автотрансформаторе обмотки ВН и СН соединяются в звезду с глухозаземленной нейтралью U₀ (точка 0 на рис. 1), а обмотки НН обязательно соединены в треугольник Ñ. По рисунку 1 видно, что обмотка ВН включает в себя общую обмотку ОА_m,которая, собственно, и составляет обмотку СН, и последовательной обмотки А_mА.

Распределение токов, в работающем автотрансформаторе в режиме номинальной нагрузки, между обмотками неодинаково. В последовательной обмотке А_mАпроходит ток нагрузки ВН — I_А. По закону электромагнитной индукции в сердечнике автотрансформатора создается магнитный поток, который индуктирует в обмотке СН ток I_Am. Таким образом, ток общей обмотки СН образован суммой токов последовательной обмотки I_А с электрической связью (ВН и СН), и тока I_Am, по магнитной связи этих же обмоток — I_СН=I_А+I_Am.

Рис. 1. Обмотки автотрансформатора: 1— трехфазного; 2— однофазного

Значение мощности на выходе автотрансформатора равно мощности на его входе. При отсутствии обмотки НН, мощность ВН равна мощности СН, это и есть номинальная мощность S_ном автотрансформатора по электрической связи. Она равна произведению номинального напряжения обмотки ВН U_ВН, на номинальный ток I_ВН последовательной обмотки.

Рассчитывают еще и типовую мощность автотрансформатора называют, которая составляет часть номинальной мощности, передаваемой электромагнитным путем.

S_т=S_ном*а_в, где а_в=1-U_СН/U_ВН — коэффициент выгодности автотрансформатора. Он определяет долю типовой мощности в составе номинальной, чем она меньше, тем меньше габариты и сечения сердечника (магнитопровода) и обмоток автотрансформатора, которые рассчитываются исходя не из полной номинальной, а только из её части — типовой мощности. Поэтому изготовление автотрансформаторов значительно дешевле, чем обычных трансформаторов такой же мощности.

Мощность на общей обмотке является одним из главных параметров, которые нужно контролировать при работе автотрансформатора, превышение её в длительном режиме недопустимо. На рисунке 1 показаны варианты подключения амперметра для измерения нагрузки на общей обмотке при трехфазном и однофазном варианте автотрансформатора.

Чем меньше коэффициент трансформации (чем ближе значения U_СН и U_ВН), тем выгоднее использование автотрансформаторов и дешевле их изготовление.

Еще одним большим достоинством автотрансформаторов можно назвать возможность регулирования напряжения под нагрузкой без прерывания питания потребителей. Для большинства автотрансформаторов используется способ переключения ответвлений регулировочной обмотки. Эти регулировочные ответвления берутся от менее нагруженной обмотки ВН, особые устройства — переключатели ответвлений изменяют число включенных в работу витков, тем самым увеличивая или уменьшая коэффициент трансформации и напряжение выхода. Такое регулирование возможно в ручном и автоматическом режимах (при помощи следящих систем с обратной связью, это делает автотрансформатор стабилизатором напряжения). Требования к качеству выходного напряжения для питания потребителей обуславливают применение и важность таких устройств.

Рис. 2

На рисунке 2 показаны схемы регулирования напряжения выхода А_mна автотрансформаторе на стороне ВН (1) и на стороне СН (2). Таковы устройство и принципы работы автотрансформаторов.

Разрядники, реакторы, изоляторы

Разрядники предназначены для защиты изоляции электроустановок от опасных повышений напряжения, которые подраделяются на атмосферные и коммутационные.

Атмосферные перенапряжения возникают при грозовых разрядах в электроустановку или вблизи нее. Защита от них является обязательной. Коммутационные перенапряжения появляются при различных нормальных или аварийных коммутациях и повреждениях. Ограничение перенапряжений позволяет значительно снизить размеры и стоимость оборудования. Разрядник подключается между фазным выводом и землей.

Защитное действие разрядника заключается в том, что проходящий в них разряд ограничивает амплитуду перенапряжений до пределов, не представляющих опасности для изоляции защищаемого объекта. Основным элементом любого разрядника является искровой промежуток, который должен пробиться раньше, чем изоляция защищаемого оборудования. Возникающая при этом в разряднике электрическая дуга гасится после исчезновения импульсов перенапряжения раньше, чем срабатывает защита от КЗ, и, таким образом, объект не отключается от сети. Для этого разрядник снабжают помимо искрового промежутка последовательно включенным с ним специальным элементом, обеспечивающим гашение сопровождающего тока.

Разрядники по исполнению делятся на трубчатые и вентильные, а по назначению – на подстанционные, станционные, для защиты вращающих машин и др.

Наиболее простым по конструкции является трубчатый разрядник, который состоит из наружного искрового промежутка и внутреннего, расположенного внутри трубки из газогенерирующего вещества (рис. 45). 10, 35 кВ.

При перенапряжении искровые промежутки пробиваются. Трубчатые разрядники применяются как основное средство защиты изоляции оборудования подстанций. Они выполняются с номинальными напряжениями 6,10, 35 кВ.

Дуга внутри трубки вызывает интенсивное газообразование. При переходе тока через нуль дуга гаснет. Предельный ток отключения определяется прочностью трубки. Работа трубчатого разрядника сопровождается большим шумом и выбросом газов.

Маркировка разрядника РТ 35/0,8-5 обозначает: разрядник трубчатый, на напряжение 35 кВ, пределы тока отключения 0,8…5 кА.

Основной частью разрядника является трубка из твердого газогенерирующего диэлектрика (фибра, фибробакелит у разрядников серий РТ, РТФ, винипласт – у разрядников серии РТВ).

Вентильные разрядники предназначены для защиты от перенапряжений оборудования электростанций и подстанций, главным образом, силовых трансформаторов.

Вентильные разрядники состоят из колонки искровых промежутков, шунтированных нелинейными резисторами, и нелинейных рабочих резисторов, помещенных в герметически закрытый фарфоровый изолятор (рис. 46).

Рабочие резисторы представляют собой диски, выполненные из вилита или тервита — материалов, имеющих нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ). Отсюда и название разрядников — вентильные. После пробоя напряжение на разряднике тем меньше, чем больший ток по нему проходит:

,

где А — постоянная, характеризующая значение напряжения на сопротивлении при токе I = 1 A; α – показатель нелинейности; для вилитовых дисков α = 0,13…0,2 в области больших токов.

Так как ВАХ вилита при нагревании изменяется, сопровождающий ток не должен быть большим или протекать длительное время. Предельный ток диска диаметром 100 мм равен 10 кА при длительности 40 мкс. Разрядники имеют счетное устройство, регистрирующее число срабатываний.

Выпускаются вентильные разрядники серий РВП (разрядник вентильный подстанционный), РВС (станционный), РВМ (с магнитным гашением), РВТ (токоограничивающий), РВН (разрядник вентильный низковольтный) и т. д. В вентильных токоограничивающих разрядниках магнитное поле в искровых промежутках создается катушками магнитного дутья, соединенными последовательно с искровыми промежутками.

Реактор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования его индуктивности в элекрической цепи. Реакторы делятся на реакторы с линейной, ограниченно-линейной, нелинейной характеристиками и др.

В цепь переменного тока включаются следующие реакторы:

· токоограничивающие, предназначенные для ограничения амплитуды тока и (или) скорости его нарастания;

· реакторы помехоподавления, входящие в состав высокочастотных фильтров;

· фильтровые реакторы, входящие в состав резонансных фильтров или фильтров низких частот.

Реакторы с линейной вебер-амперной характеристикой обычно выполняются без магнитопровода с цилиндрической обмоткой. Индуктивность их неизменна. Это бетонные реакторы РБА, применяемые для ограничения тока КЗ и поддержания напряжения на шинах в аварийных режимах в установках 6 и 10 кВ.

Они выполняются на Iном= 150…4000 А; Uном- 35 кВ. Благодаря высокому качеству изоляции такие реакторы используют- ся не только в закрытых помещениях, но и в открытых РУ.

Бетонные реакторы (рис. 47) устанавливаются на изоляторах 1 и 4 и выполняются в виде концентрически расположенных витков 3 из специального круглого многожильного про- вода, залитого в радиально расположенные бетонные колонны 2. Обмотки реакторов на большие токи выполняются из нескольких параллельных проводников с транспозицией, обеспечивающей равномерное распределение токов по параллельным проводникам. Все металлические детали выполняются из немагнитных материалов.

Сдвоенные реакторы представляют собой единую обмотку со средним выводом, рассчитанным на суммарный ток ветвей. Этот вывод присоединяется к сборным шинам, а концы обмоток — к нагрузке ветвей. В настоящее время в основном выпускаются бетонные реакторы серии РБАС индуктивностью порядка 1,3…5,6 мГн.

Реакторы, включаемые в цепь постоянного тока, служат для сглаживания тока, т.е. для уменьшения содержания в нем высших гармоник, ограничения значения или скорости нарастания тока КЗ, параллельного включения двух или большего числа вентильных групп в преобразователях.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока применяются реакторы типа ФРОС — фильтровые реакторы, однофазные, сухие, с естественным воздушным охлаждением. Выпускаются на токи от 1600 до 10000 А с индуктивностью от 0,08 до 0,5 мГн. Реакторы имеют магнитопровод.

В цепях заряда емкости применяются реакторы EPOC и ЕРОМ.

Изоляторы служат для крепления токоведущих частей и их изолирования от заземленных частей установки, а также от других частей установки, находящихся под другим потенциалом.

Основное требование к изоляторам — достаточная механическая и электрическая прочность. Они изготовляются из закаленного стекла и фарфора. Электрическая прочность зависит от состояния поверхности изолятора и характеризуется сухим, мокрым, пробивным разрядными напряжениями и импульсной прочностью.

Напряжение, при котором происходит разряд по поверхности, если последняя чистая и сухая, называется сухим разрядным напряжением. Его значение определяется размерами и формой изолятора. Если поверхность изолятора смочена дождем, разрядное напряжение будет называться мокрым. Значение его, как правило, на 25…30% меньше сухого. Возникающие при разрядах поверхностные дуги практически не разрушают изолятор, и он продолжает работать. Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным. Оно должно быть больше на 30…50% сухого разрядного напряжения, чтобы разряд по поверхности происходил раньше пробоя и тем самым защищал изолятор от разрушения.

Механическую прочность изолятора характеризует значение разрушающей механической нагрузки, приложенной к головке изолятора, перпендикулярно его оси.

По условиям эксплуатации изоляторы подразделяются на конструкции для работы в помещениях (для внутренней установки) и для работы на открытом воздухе (для наружной установки).

Они могут быть опорными, проходными и линейными. Каждый тип имеет разновидности, отличающиеся по конструктивному исполнению, техническим характеристикам и условиям эксплуатации.

Рис. 48. Изоляторы:

а – опорный, б – проходной,

1 – чугунное основание, 2 — корпус, 3 – чугунный колпачок,

4 – фланец, 5 – шайба, 6 – токоведущий стержень

Опорные изоляторы для внутренней установки изготовляют на номинальные напряжения 6, 10, 20 и 35 кВ. Изоляторы могут быть с наружной, внутренней и комбинированной заделкой арматуры (рис.48, а). Предназначены для крепления токоведущих частей и изоляции их друг от друга и от заземленных частей. Опорные изоляторы имеют следующее буквенное и цифровое обозначение: И – изолятор, О – опорный, Р – ребристый, Н – наружной установки, 6 или 10 – номинальное напряжение в киловольтах, последующая группа цифр – разрушающее усилие в кГ. Группа букв после цифр обозначает форму фланца (ов – овальный, кр – круглый, кВ — квадратный). Например, опорный изолятор ИОР-10-3,75 УЗ. Символ У – климатическое исполнение (умеренный климат), З – категория размещения (для) работы в закрытых помещениях с естественной вентиляцией).

Проходные изоляторы (рис.48, б) представляют собой полое цилиндрическое тело из электротехнического фарфора с ребристой наружной поверхностью, армированное металлическим фланцем. Внутри полости располагаются одна или две токоведущие шины. Промышленность выпускает проходные изоляторы на номинальное напряжение 6, 10, 20, 35 кВ, на номинальные токи от 250 до 25 000 А. Изоляторы на номинальные токи 2000 А и выше изготовляются без токоведущих частей.

Проходные изоляторы, предназначены для прохождения токоведущих частей через стены, перекрытия, перегородки и др. В обозначении этих изоляторов указывают: И – изолятор, тип изолятора (П — проходной), дробью – номинальное напряжение (в кВ) и номинальный ток (кА). Последняя группа цифр обозначает разрушающую нагрузку (в кг).

Линейные изоляторы предназначены для изоляции и крепления проводов на воздушных линиях электропередачи и распределительных устройств электрических станций и подстанций.

Существуют штыревые изоляторы, тарельчатого типа, стержневые. Штыревые изоляторы применяются на линиях напряжением до 1 кВ, 6-10 кВ и 35 кВ (рис. 49, а, б). Они крепятся к опорам при помощи крюков или штырей.

Подвесные изоляторы (рис. 49, в) используются на воздушных линиях (ВЛ) напряжением 35 кВ и выше. Они состоят из фарфоровой или стеклянной изолирующей части 1, шапки ковко- го чугуна 2, металлического стержня 3 и цементной связки 4. Подвесные изоляторы собирают в гирлянды, которые бывают поддерживающими (на промежуточных опорах) и натяжными (на анкерных опорах). Число изоляторов в гирлянде определяется напряжением линии: 35 кВ – 3…4 изолятора, 110 кВ – 6…8.

Применяются также полимерные изоляторы (рис. 49, г). Они представляют собой стержневой элемент из стеклопластика, на котором размещено защитное покрытие с ребрами из фторопласта или кремнийорганической резины.

Рис. 49. Изоляторы воздушных линий:

а – штыревой 6-10 кВ, б – штыревой 35 кВ, в – подвесной,

г, д – стержневые полимерные.