Что такое двухобмоточный трансформатор

Двухобмоточный трансформатор

Лекция № 5

Параметры схемы замещения трансформаторов

2. Двухобмоточный трансформатор.

3. Трехобмоточный трансформатор.

4. Двухобмоточный трансформатор с расщепленной обмоткой низкого напряжения.

Общие сведения

На электростанциях и подстанциях устанавливаются трехфазные и однофаз-ные, двухобмоточные и трехобмоточные силовые трансформаторы и автотранс-форматоры, и силовые однофазные и трехфазные трансформаторы с расщеп-ленной обмоткой низшего напряжения.

В аббревиатуре трансформатора последовательно (слева направо) приво-дится следующая информация:

· вид устройства (А – автотрансформатор, без обозначения – трансфор-матор);

· количество фаз (О – однофазный, Т –трехфазный);

· наличие расщепленной обмотки низшего напряжения – Р;

· система охлаждения (М – естественная циркуляция масла и воздуха, Д – принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла, МЦ – естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла, ДЦ – принудительная циркуляция воздуха и масла и др);

· количество обмоток (без обозначения – двухобмоточный, Т – трехобмо-точный);

· наличие устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН);

· исполнение (З – защитное, Г – грозоупорное, У – усовершенствованное, Л – с литой изоляцией);

· специфическая область применения (С – для систем собственных нужд электростанций, Ж – для электрификации железных дорог);

· номинальная мощность в кВ∙А,

· класс напряжения обмоток (напряжения сети, к которой подключается трансформатор) в кВ.

Двухобмоточный трансформатор

На электрических схемах двухобмоточный трансформатор представляется следующим образом (рис. 5.1):

В обмотках указывается схемы соединения обмоток (звезда, звезда с нулем, треугольник) и режим работы нейтрали:

· звезда – с изолированной нейт- ралью;

· звезда с нулем – имеется соеди-нение нейтрали с землей.

В соответствии с принятой систе-мой обозначений аббревиатура транс-форматора ТДН-10000/110/10 расшиф-ровывается: трансформатор трехфазный, двухобмоточный с принудительной циркуляцией воздуха и естественной циркуляцией масла и системой регулирования напряжения под нагрузкой. Номинальная мощность – 10000 кВ∙А, класс напряжения обмотки высшего напряжения – 110 кВ, низшего напряжения – 10 кВ.

В практических расчетах двухобмоточный трансформатор чаще всего представляется Г-образной схемой замещения (рис. 5.2).

Активное и реактив-ное сопротивления трас-форматора (продольная ветвь) представляют собой сумму активных и реак-тивных сопротивлений об-мотки высшего напряже-ния и приведенной к ней обмотки низшего напря-жения:

Поперечная ветвь схемы замещения представлена активной G_т и реактивной В_т проводимостями. Проводимости обычно подключают со стороны первичной обмотки: для повышающих трансформаторов – со стороны обмотки низшего напряжения, для понижающих – со стороны обмотки высшего напряжения.

В такой схеме замещения отсутствует трансформация, то есть отсутствует идеальный трансформатор. Поэтому в расчетах вторичное напряжение оказывается приведенным к напряжению первичной обмотки.

Активная проводимость обусловлена потерями активной мощности в стали трансформатора на перемагничивание и вихревые токи, реактивная проводимость – намагничивающей мощностью. В расчетах режимов электрической сети проводимости заменяются нагрузкой, равной потерям холостого хода.

Параметры схемы замещения трансформатора определяются из двух опытов – холостого хода и короткого замыкания. В опытах определяют следующие величины, которые указывают в паспортных данных трансформатора:

· потери активной мощности в режиме холостого хода в кВт;

· потери активной мощности в режиме короткого замыкания в кВт;

· напряжение короткого замыкания U_к, в %;

Величины активного и реактивного сопротивлений находят из опыта короткого замыкания (рис. 5.3). Опыт выполняют следующим образом: обмотку низшего напряжения закорачивают, а на обмотку высшего напряжения подают такое напряжение (U_к), чтобы в обеих протекал номинальный ток.

Так как напряжение короткого замыкания намного меньше номинального напряжения трансформатора, то потери активной мощности в проводимости практически равны нулю. Таким образом, все потери активной мощности в режиме короткого замыкания идут на нагрев обмоток. Математически это можно записать:

(5.1)

Если в формуле (5.1) значение тока записать через мощность и номинальное напряжение обмотки высшего напряжения

,

то получим выражение для расчета активного сопротивления двухобмоточного трансформатора:

Напряжение короткого замыкания U_к складывается из падения напряжения на активном U_{к а} и реактивном U_{к р} сопротивлениях. Выразим их в процентах от номинального напряжения.

Падение напряжения в активном сопротивлении трансформатора:

Подставим в выражение значение R_т. Получим:

Таким образом, величина падения напряжения в активном сопротивлении, выраженная в процентах, пропорциональна потерям активной мощности в режиме короткого замыкания.

Выражение для падения напряжения в реактивном сопротивлении в процентах выглядит следующим образом

(5.2)

Из него можем найти величину реактивного сопротивления трансформатора:

Умножим и разделим полученное выражение на U_{в ном}:

В современных трансформаторах активное сопротивление гораздо больше реактивного. Поэтому в практических расчетах можно принять, что U_{к р} ≈ U_к. Тогда, формула для расчета индуктивного сопротивления трансформатора имеет вид:

Трансформаторы имеют устройства регулирования напряжения (РПН или ПБВ), которые позволяют менять коэффициенты трансформации. Поэтому величина U_к (следовательно, и величина индуктивного сопротивления) зависит от ответвления устройств РПН или ПБВ. В расчетах установившихся режимов этой зависимостью пренебрегают. Ее учитывают при расчете токов короткого замыкания при выборе устройств автоматики и релейной защиты.

Проводимости ветви намагничивания определяются из опыта холостого хода (рис. 5.4), который выполняется при номинальном напряжении. В этом режиме трансформатор потребляет мощность, равную потерям холостого хода:

.

Потери активной мощности пропорциональны активной проводимости трансфор

Отсюда может быть определена величина активной проводимости:

Потери реактивной мощности пропорциональны реактивной проводимости трансформатора:

Следовательно, величина реактивной проводимости трансформатора равна:

Величина потерь реактивной мощности пропорциональна току намагничивания

(5.3)

где U_{ном ф} – фазное номинальное напряжение трансформатора.

Величина тока холостого хода складывается из тока намагничивания I_μ и тока в стали I_стали:

Так как величина тока в стали составляет около 10 % от тока намагничивания, то выражение (5.3) можно записать:

В паспортных данных величина тока холостого хода приводится в процентах от номинального тока. Поэтому мы можем записать:

С учетом полученного выражения, формула для расчета реактивной проводимости имеет вид:

Источник

Двухобмоточный трансформатор с расщепленной обмоткой

Низкого напряжения

Двухобмоточные трансформаторы мощностью 25 и более МВ∙А выполняются с расщепленной обмоткой низшего напряжения. Условное обозначение на схемах показано на рис. 5.7.

В соответствии с принятой системой обозначений аббре-виатура трансформатора ТДРН-25000/110/10 расшифровывается: трансформатор трехфазный, двухобмоточный с расщепленной обмоткой низшего напряжения с принудительной цирку-ляцией воздуха и естественной циркуляцией масла и системой регулирования напряжения под нагрузкой. Номинальная мощность – 25000 кВ∙А, класс напряжения обмотки высшего напряжения – 110 кВ, низшего напряжения – 10 кВ.

Трансформаторы имеют трехлучевую схему замещения (рис. 5.8).

С достаточной для практики точностью такой трансформатор может рассматриваться как два независимых двухобмоточных трансформатора, которые питаются от общей сети.

Трансформаторы с расщепленной обмоткой выполняются с соотношением мощностей обмоток 100 % / 50 % / 50 %. Откуда следует, что

Опыт короткого замыкания выполняется при параллельном соединении обмоток низшего напряжения. По полученным данным определяются общие активное и индуктивное сопротивления трансформатора:

и

В соответствии с условиями выполнения опыта короткого замыкания

; (5.5)

(5.6)

Подставив выражение (5.3) в (5.5), получим:

Для определения индуктивных сопротивлений обмоток, нужно учитывать расположение обмоток на магнитопроводе, то есть влияние магнитных полей.

Так, для группы однофазных трансформаторов:

Для трехфазных трансформаторов при расположении обмоток одна над другой:

Проводимости трансформатора с расщепленной обмоткой определяются так же, как и для двухобмоточного трансформатора.

Применение трансформаторов с расщепленными обмотками для раздельного питания секций низшего напряжения позволяет снизить ток короткого замыкания практически в два раза и обойтись во многих случаях без токоограничивающих реакторов.

Автотрансформатор

На электрических схемах автотрансформатор изображается следующим образом (рис. 5.9).

В соответствии с принятой систе-мой обозначений аббревиатура авто-трансформатора АТДЦТН-125000/ 220/110/10 расшифровывается: автотрансформатор трехфазный, трехобмоточный с принудительной циркуля-цией воздуха и масла и системой регу-лирования напряжения под нагруз-кой. Номинальная мощность – 25000 кВ∙А, класс напряжения обмотки выс-шего напряжения – 220 кВ, среднего напряжения – 110 кВ, низшего напряжения – 10 кВ.

Автотрансформатор отличается от трехобмоточного трансформатора тем, что его обмотки высшего и среднего напряжений, кроме магнитной связи имеют еще электрическую связь (рис. 5.10). Обмотка среднего напряжения является частью обмотки высшего напряжения.

Обмотка высшего напря-жения состоит из двух частей – последовательной обмотки и общей обмотки.

При работе автотрансфор-матора в режиме понижения напряжения в последовательной обмотке протекает ток I_в. Он создает магнитный поток и наводит в общей обмотке ток I_общ. Ток нагрузки в обмотке среднего напряжения равен сумме этих токов:

Ток I_в определяется электрической связью обмоток, а ток I_общ – магнитной связью.

Полная мощность, которая передается из обмотки высшего напряжения в обмотку среднего напряжения, называется номинальной мощность автотрансформатора. Она рассчитывается как

Это выражение можно записать следующим образом:

Типовая мощность меньше номинальной мощности. Выясним во сколько раз. Для этого возьмем отношение типовой мощности к номинальной:

.

Коэффициент α называется коэффициентом выгодности. Выгодность автотрансформатора определяется по отношению к трехобмоточному трансформатору той же мощности.

Обмотка низшего напряжения имеет с обмотками высшего и среднего напряжений только магнитную связь. Мощность этой обмотки не может быть больше типовой мощности автотрансформатора. Иначе размеры магнитопровода автотрансформатора будут определяться мощностью обмотки низшего напряжения.

Учитывая изложенное, можно записать соотношение номинальных мощностей обмоток автотрансформатора:

Преимущества автотрансформатора по сравнению с трехобмоточным трансформатором:

· меньший расход материалов (меди, стали, изоляции);

· меньшие потери активной мощности в режимах холостого хода и короткого замыкания;

· больший коэффициент полезного действия;

· более легкие условия охлаждения.

· сложность выполнения независимого регулирования напряжения;

· опасность перехода атмосферных перенапряжений из обмотки высшего напряжения в обмотку среднего напряжения и обратно из-за электрической связи обмоток;

· необходимость обязательного глухого заземления нейтрали. Это приводит к тому, что ток однофазного короткого замыкания может быть больше тока трехфазного короткого замыкания. Если же разземлить нейтраль, то изоляцию обмоток нужно рассчитывать на линейное напряжение.

Автотрансформатор имеет такую же схему замещения, что и трехобмоточный трансформатор. Параметры схемы замещения рассчитываются аналогично. При этом следует учитывать, что часть паспортных данных может быть приведена не к номинальной мощности, а к типовой. Обмотка низшего напряжения рассчитывается на типовую мощность. Поэтому при коротком замыкании обмотки низшего напряжения напряжение поднимается до значения, определяющего ток в этой обмотке. В этом случае параметры ∆Р_{к вн}, ∆Р_{к сн}, U_{к вн} и U_{к сн} оказываются приведенными к типовой мощности автотрансформатора.

Если в паспортных данных отмечается эта особенность, то указанные параметры следует привести к номинальной мощности по формулам:

и .

Знак “*” указывает, что параметры были приведены к типовой мощности автотрансформатора.

Источник

Двухобмоточный трансформатор

На электрических схемах двухобмоточный трансформатор представляется следующим образом (рис. 5.1):

В обмотках указывается схемы соединения обмоток (звезда, звезда с нулем, треугольник) и режим работы нейтрали:

· звезда – с изолированной нейт- ралью;

· звезда с нулем – имеется соеди-нение нейтрали с землей.

В соответствии с принятой систе-мой обозначений аббревиатура транс-форматора ТДН-10000/110/10 расшиф-ровывается: трансформатор трехфазный, двухобмоточный с принудительной циркуляцией воздуха и естественной циркуляцией масла и системой регулирования напряжения под нагрузкой. Номинальная мощность – 10000 кВ∙А, класс напряжения обмотки высшего напряжения – 110 кВ, низшего напряжения – 10 кВ.

В практических расчетах двухобмоточный трансформатор чаще всего представляется Г-образной схемой замещения (рис. 5.2).

Активное и реактив-ное сопротивления трас-форматора (продольная ветвь) представляют собой сумму активных и реак-тивных сопротивлений об-мотки высшего напряже-ния и приведенной к ней обмотки низшего напря-жения:

Поперечная ветвь схемы замещения представлена активной G_т и реактивной В_т проводимостями. Проводимости обычно подключают со стороны первичной обмотки: для повышающих трансформаторов – со стороны обмотки низшего напряжения, для понижающих – со стороны обмотки высшего напряжения.

В такой схеме замещения отсутствует трансформация, то есть отсутствует идеальный трансформатор. Поэтому в расчетах вторичное напряжение оказывается приведенным к напряжению первичной обмотки.

Активная проводимость обусловлена потерями активной мощности в стали трансформатора на перемагничивание и вихревые токи, реактивная проводимость – намагничивающей мощностью. В расчетах режимов электрической сети проводимости заменяются нагрузкой, равной потерям холостого хода.

Параметры схемы замещения трансформатора определяются из двух опытов – холостого хода и короткого замыкания. В опытах определяют следующие величины, которые указывают в паспортных данных трансформатора:

· потери активной мощности в режиме холостого хода в кВт;

· потери активной мощности в режиме короткого замыкания в кВт;

· напряжение короткого замыкания U_к, в %;

Величины активного и реактивного сопротивлений находят из опыта короткого замыкания (рис. 5.3). Опыт выполняют следующим образом: обмотку низшего напряжения закорачивают, а на обмотку высшего напряжения подают такое напряжение (U_к), чтобы в обеих протекал номинальный ток.

Так как напряжение короткого замыкания намного меньше номинального напряжения трансформатора, то потери активной мощности в проводимости практически равны нулю. Таким образом, все потери активной мощности в режиме короткого замыкания идут на нагрев обмоток. Математически это можно записать:

(5.1)

Если в формуле (5.1) значение тока записать через мощность и номинальное напряжение обмотки высшего напряжения

,

то получим выражение для расчета активного сопротивления двухобмоточного трансформатора:

Напряжение короткого замыкания U_к складывается из падения напряжения на активном U_{к а} и реактивном U_{к р} сопротивлениях. Выразим их в процентах от номинального напряжения.

Падение напряжения в активном сопротивлении трансформатора:

Подставим в выражение значение R_т. Получим:

Таким образом, величина падения напряжения в активном сопротивлении, выраженная в процентах, пропорциональна потерям активной мощности в режиме короткого замыкания.

Выражение для падения напряжения в реактивном сопротивлении в процентах выглядит следующим образом

(5.2)

Из него можем найти величину реактивного сопротивления трансформатора:

Умножим и разделим полученное выражение на U_{в ном}:

В современных трансформаторах активное сопротивление гораздо больше реактивного. Поэтому в практических расчетах можно принять, что U_{к р} ≈ U_к. Тогда, формула для расчета индуктивного сопротивления трансформатора имеет вид:

Трансформаторы имеют устройства регулирования напряжения (РПН или ПБВ), которые позволяют менять коэффициенты трансформации. Поэтому величина U_к (следовательно, и величина индуктивного сопротивления) зависит от ответвления устройств РПН или ПБВ. В расчетах установившихся режимов этой зависимостью пренебрегают. Ее учитывают при расчете токов короткого замыкания при выборе устройств автоматики и релейной защиты.

Проводимости ветви намагничивания определяются из опыта холостого хода (рис. 5.4), который выполняется при номинальном напряжении. В этом режиме трансформатор потребляет мощность, равную потерям холостого хода:

.

Потери активной мощности пропорциональны активной проводимости трансфор

Отсюда может быть определена величина активной проводимости:

Потери реактивной мощности пропорциональны реактивной проводимости трансформатора:

Следовательно, величина реактивной проводимости трансформатора равна:

Величина потерь реактивной мощности пропорциональна току намагничивания

(5.3)

где U_{ном ф} – фазное номинальное напряжение трансформатора.

Величина тока холостого хода складывается из тока намагничивания I_μ и тока в стали I_стали:

Так как величина тока в стали составляет около 10 % от тока намагничивания, то выражение (5.3) можно записать:

В паспортных данных величина тока холостого хода приводится в процентах от номинального тока. Поэтому мы можем записать:

С учетом полученного выражения, формула для расчета реактивной проводимости имеет вид:

Источник