1

1
Лекция 12. Регулирование напряжения и параллельная
работа трансформаторов
12.1. Регулирование вторичного напряжения
в трансформаторах
Одним из наиболее важных показателей качества электроэнергии, поставляемой потребителям, являются отклонения напряжения.
Согласно ГОСТ 13109 – 97 нормально допустимые отклонения
напряжения от номинального значения составляют ±5%, а предельно
допустимые – ±10%. В действительности эти нормы не всегда соблюдаются. Одной из наиболее сложных задач, возникающих в процессе
эксплуатации трансформаторов, является обеспечение достаточной
стабильности вторичного напряжения. Различают два основных способа регулирования напряжения трансформаторов: переключение без
возбуждения (ПБВ) и регулирование под нагрузкой (РПН). Оба способа связаны с изменением коэффициента трансформации путем переключения выводов обмоток.
Силовые трансформаторы с ПБВ обычно имеют по пять ответвлений в первичных обмотках, одно из которых соответствует номинальному напряжению, а другие – напряжениям, отличающимся от
номинального значения на ±2,5% и ±5%. Ответвления размещают с
таким расчетом, чтобы действие электродинамических сил на отключаемые витки было минимальным. Наиболее широкое применение
находит «оборотная схема» (рис. 1).
A
B
Х1
C
Х1
Y1
Z1
Х2
Х3
Y2
Y3
Z2
Z3
Х2
Х3
Z3
Y1
Z2
Y2
Z1
Y3
Рис. 1. Первичные обмотки с ответвлениями переключатель ПБВ
2
При изменениях первичного напряжения количество витков изU
меняется таким образом, чтобы отношение 1
оставалось неизW1
менным, при этом условии ток намагничивания также не будет изменяться. При возрастании U1 коэффициент трансформации увеличивается, при уменьшении – возрастает. Вторичное напряжение при этом
изменяется только за счет изменений нагрузки, и эти изменения относительно невелики. Переключатель ПБВ имеет систему неподвижных
контактов, соединенных с ответвлениями обмотки, и систему подвижных контактов определенной формы, которые замыкают между собой
требуемые выводы ответвлений (рис. 1 – б). Привод переключателя
осуществляется вручную при помощи установленной на крышке или
стенке бака трансформатора рукоятки. Переключение осуществляется
только после полного отключения трансформатора от первичной и
вторичной сетей. Трансформаторы с ПБВ используются преимущественно для сезонного регулирования.
Трансформаторы с РПН гораздо более сложны по конструкции, но позволяют осуществлять регулирование без отключения
нагрузки. Переключатель РПН состоит из специального коммутационного устройства, схема и диаграмма переключений которого показаны на рис. 2 – а, и токоограничивающего реактора (УР).
1 2 3 4 5
А
Б
Х2
УР
Х3
Iр
1
Х
Х
-
А – Х2
В – Х2
А – Х3
В – Х3
Iр
2
Х
-
3
Х
Х
4
Х
5
Х
Х
Iр
Iр
Iр
Iк.з.
1
2
3
4
5
Рис. 2. Схема и диаграмма коммутационного устройства (а) и
последовательность переключений (б) трансформатора с РПН
3
В любом из рабочих положений (позиции 1 и 5) ток подтекает к
соответствующему ответвлению по параллельным ветвям через обмотки уравнительного реактора, имеющие противоположную полярность. В результате ток намагничивания и индуктивное сопротивление реактора близки нулю. Переход от одного ответвления (Х2) к другому (Х3) осуществляется в указанной на рис. 2 – б последовательности. В промежуточном положении 3 в замкнутом контуре под действием э.д.с. между ответвлениями возникает ток Iк.з., который в отличие от рабочих токов в параллельных ветвях, обтекает обе обмотки
реактора в одном направлении. Это приводит к резкому возрастанию
индуктивного сопротивления реактора, и соответствующему ограничению коммутационного тока. Процесс переключения в трансформаторах с РПН автоматизирован.
12.2. Параллельная работа трансформаторов
Включение трансформаторов на параллельную работу обеспечивает возможность перспективного наращивания мощности электрических сетей, повышает надежность электроснабжения потребителей
за счет резервирования, упрощает организацию технического обслуживания и ремонта, позволяет уменьшить потери электроэнергии за
счет отключения части трансформаторов при снижении нагрузки. В
некоторых специальных трансформаторах, например, сварочных применяется также параллельное включение обмоток при общей магнитной системе. Обмотки трансформаторов, включаемых на параллельную работу, соединяются между собой одноименными выводами.
Общая схема параллельного включения трансформаторов приведена
на рис. 3.
U1
Т1
Т2
Т3
U2
Рис. 3. Схема включения трансформаторов на параллельную работу
4
Нормальная работа трансформаторов при параллельном включении обеспечивается только при выполнении следующих условий:
1. Вторичные э.д.с. при холостом ходе должны быть равны между
собой, что эквивалентно равенству коэффициентов трансформации
2. Трансформаторы должны иметь одинаковые группы соединений
обмоток
3. Трансформаторы должны иметь одинаковые напряжения короткого замыкания
Невыполнение первого из этих условий приводит к появлению
разносности э.д.с. ΔЕ2, под действием которой в замкнутом контуре,
образованном обмотками, возникает уравнительный ток, ограниченный лишь малыми сопротивлениями короткого замыкания (рис. 4).
Е21
Zк1
I21
I2
I2
Iур
ΔЕ2
Iур
I22
а)
Zк2
б)
Е22
Е21
ΔЕ2
φк Iур
I2
U2
- Iур
Iур
- Iур
I22
г)
в)
I21
Iнг
Е22
Рис. 4. Параллельная работа трансформаторов при неравенстве коэффициентов трансформации: а – исходная схема; б – схема замещения: в – векторная диаграмма токов и э.д.с. в режиме холостого хода:
г – векторная диаграмма токов нагруженных трансформаторов
5
Уравнительный ток имеет индуктивный характер по отношению
к трансформатору с большей вторичной э.д.с. (меньшим коэффициентом трансформации) и емкостный – по отношению к трансформатору
с меньшей э.д.с. (рис. 4 – в). Численно он равен:
I ур 
Е 21  Е 22
.
Z к1  Z к 2
(1)
Из этого уравнения следует, что даже небольшое различие коэффициентов трансформации приводит к появлению значительного
уравнительного тока уже в режиме холостого хода. При подключении
нагрузки в каждом из трансформаторов появляется нагрузочный ток
Iнг. Поскольку на общих шинах устанавливается одинаковое для обоих
трансформаторов напряжение U2, нагрузочные токи в них при прочих
равных условиях будут также одинаковы, однако, полные токи при
этом различаются (рис. 4 – г):
I 21  I нг  I ур ; I 21  I нг  I ур .
(2)
В результате нагрузка распределяется неодинаково, и трансформатор с меньшим коэффициентом трансформации оказывается
перегруженным, что приводит к недоиспользованию его установленной мощности. По этим причинам различие коэффициентов трансформации при включении трансформаторов на параллельную работу
не должно превышать 1%.
Любое различие групп соединения обмоток приводит к появлению разностной э.д.с. ΔЕ2, величина которой соизмерима с фазным
напряжением (рис. 5). Численно она равна:
Е 2  U a 21  U a 2 2  U b 21  U b2 2  U c 21  U c 2 2 ,
(3)
и принимает значения в пределах: 0 ,52U 2  Е 2  2U 2 . Возникающий
Е 2
при этом уравнительный ток: I ур 
многократно превышаZ к1  Z к 2
ет номинальный ток трансформаторов, поэтому выполнение второго
условия является строго обязательным.
6
Ua2-1
ΔЕа2
Uc2-2
Iур
Ua2-2
ΔЕc2
Uc2-1
ΔЕ2
Ub2-1
φк
ΔЕb2
Ub2-2
Рис. 5. Векторная диаграмма напряжений (а) и уравнительный
ток (б) при неодинаковых группах соединения обмоток
трансформаторов, включаемых на параллельную работу
Третье условие включения трансформаторов на параллельную
работу можно проанализировать с помощью схемы замещения, показанной на рис. 6 – а.
Z’к1
I’21
U2
I’2
I’2
Z’к2
U1
I’22
ΔU’
’
а)
U’2
U2уст
U2
U21
Z’нг
U22
I’2
б)
I21 I22
I2
I2
Рис. 6. Схема замещения (а) и внешние характеристики (б) при включении на параллельную работу трансформаторов с различными напряжениями короткого замыкания
Падение напряжения ΔU’ на общих зажимах параллельных ветвей определяется произведением соответствующих значений вторичных токов на сопротивления короткого замыкания:
U'  I' 21 Z' к1  I' 22 Z' к 2   1 I' 21ном Z' к1    2 I' 22ном Z' к 2 
и, учитывая, что: I' 21ном Z' к1  U к1 ; I' 22ном Z' к 2  U к 2 получаем:
(4)
7
 1U к 1   2 U к 2 ;
 1 U к2

 2 U к1
(5)
При параллельном включении на общих выводах вторичных
обмоток устанавливается одно напряжение, из чего следует, что мощности нагрузки первого и второго трансформатора составляют:
S 1   1 I 21ном U 2   1 S 1ном ; S 2   2 I 22ном U 2   2 S 2 ном ,
а их отношение равно:
S 1  1 S 1ном U к 2 S 1ном




S 2  2 S 2 ном U к1 S 2 ном
(6)
Из этого выражения следует, что мощность нагрузки распределяется
пропорционально номинальным мощностям трансформаторов только
при равных напряжениях короткого замыкания. Часто отношение
нагрузок трансформаторов записывается следующим образом:
 1 :  2 :  3 ... 
1
1
1
:
:
...
uк1 uк 2 uк 2
(7)
Если Uк1 ≠ Uк2, трансформатор с меньшим Uк перегружается, а
трансформатор с большим Uк – разгружается. При номинальной мощности нагрузки, одинаковой мощности и равных номинальных токах
трансформаторов, но при Uк1 ≠ Uк2, трансформаторы имеют различные
внешние характеристики (рис. 6 – б). При Uк1 > Uк2 токи находятся в
отношении: I 21  I 21ном  I 22ном  I 22 , то есть первый трансформатор
оказывается недогруженным, а второй – перегруженным.
Допустимое различие напряжений короткого замыкания при параллельном включении трансформаторов составляет ± 10%.
12.3. Потери и к.п.д. при параллельной работе трансформаторов
Как было показано ранее, коэффициент полезного действия
трансформаторов зависит от степени их загрузки, а его максимуму
соответствует определенное отношение постоянных и переменных
8
потерь. При параллельной работе можно найти вполне определенные
пределы нагрузки, в которых для повышения к.п.д. целесообразно
подключать определенное число трансформаторов.
При подключении одного трансформатора и коэффициенте загрузки β1 потери в нем равны:
Р 1  Р 0   1 Р к .ном ,
(8)
а при подключении той же нагрузки к двум трансформаторам:
 1 
 Р к .ном
 2 
2
Р 2  2Р 0  2
(9)
Приравнивая потери: Р 1  Р 2 находим коэффициент загрузки β2, начиная с которого потери при включении двух трансформаторов будут меньше, чем для одного трансформатора:
2 
2 Р 0
Р к .ном
(10)
Аналогично, исходя из равенства потерь:
 
 
2Р 0  2 1  Р к .ном  3Р 0  3 1  Р к .ном
 2 
 3 
2
2
при подключении трех трансформаторов:  3 
При изменение нагрузки в пределах: 0   
включать один трансформатор, при:
трансформатора, при  
6 Р 0
.
Р к .ном
2 Р 0
целесообразно
Р к .ном
2 Р 0
 
Р к .ном
6 Р 0
– три (рис. 7).
Р к .ном
6 Р 0
– два
Р к .ном
9
η
η1
 1опт
η2
2  1опт
η3
6  1опт

Рис. 7. Зависимость к.п.д. от нагрузки при включении одного (η1),
двух (η2) и трех (η3) трансформаторов на параллельную работу