Початок arrow Практика arrow Трансформаторы для преобразовательных установок

Трансформаторы для преобразовательных установок

Зміст статті
Трансформаторы для преобразовательных установок
Требования к сопротивлениям и напряжениям короткого замыкания
Схемы регулирования напряжения и стабилизации тока
Испытательные напряжения
Классификация преобразовательных трансформаторов
Конструктивные особенности
Основные серии преобразовательных трансформаторов

Преобразовательная техника используется для выпрямления токов переменного в постоянный, инвертирования постоянного в переменный, преобразования частоты, числа фаз, одной величины напряжения постоянного тока в другую.
Преобразовательные трансформаторы применяются во многих отраслях народного хозяйства, типовые мощности масляных трансформаторов достигли 160 тысяч кВ-А, сухих трансформаторов — 6300 кВ-А, выпрямленные токи — 100000 А в единице, сетевые напряжения — 110—220 кВ. Диапазон выпрямленных напряжений составляет 12—20000 В.

Режимы работы и особенности технических требований

Функции преобразовательных трансформаторов

Производство и распределение электрической энергии осуществляется на переменном трехфазном токе, но, вместе с тем, большому числу потребителей необходим постоянный ток. Для преобразования тока одного рода в другой в настоящее время почти исключительно применяются статические преобразователи электрической энергии.
Статический преобразователь состоит из специального силового трансформатора (ПТ), полупроводниковых вентилей, уравнительных и сглаживающих реакторов, нагрузки, устройства управления вентилями или трансформатором, вспомогательных устройств для включения, отключения, охлаждения и защиты. Специальный силовой трансформатор служит для изменения значения напряжения сети и его согласования с входным напряжением преобразователя. С помощью ПТ сеть постоянного тока изолируется от сети переменного тока, увеличивается число фаз вентильных обмоток для уменьшения величины пульсации выпрямленного напряжения и тока, улучшения формы сетевого тока.
Конструкция магнитопровода ПТ может иметь: магниторазделенную систему (совокупность магнитопроводов трех однофазных трансформаторов), магнитосвязанную (состоит из одного трехстержневого магнитопровода трехфазного трансформатора) и смешанную магнитную систему (образуется из двух и более трехфазных магнитопроводов). На магнитопроводе преобразовательного трансформатора размещаются электрически не связанные обмотки сетевые (СО) и вентильные (ВО). СО — обмотка, присоединяемая к сети переменного тока, ВО — обмотка, присоединяемая к вентильным преобразователям. В трёхфазных трансформаторах применяются две основные схемы соединения сетевых обмоток: звезда и треугольник. Схемы вентильных обмоток делятся на простые и сложные. Различают следующие простые схемы вентильных обмоток: разомкнутые или лучевые — простая звезда, двойная звезда, простой зигзаг, двойной зигзаг и дважды двойной зигзаг; замкнутые — треугольник, шестиугольник.
В преобразователях со сложными схемами выпрямления вентильные обмотки одного или нескольких трансформаторов расщепляются на отдельные части. Каждая часть вентильных обмоток с включенными вентилями образует простой преобразователь. Последние соединяются между собой последовательно или параллельно и составляют сложный преобразователь. Сложные схемы преобразования применяются в тех случаях, когда необходимо уменьшить пульсации выпрямленного напряжения и тока и улучшить использование полупроводниковых вентилей. Трансформатор оказывает существенное влияние на размеры и массу, стоимость, коэффициент мощности и коэффициент полезного действия преобразователя.
Уравнительные реакторы служат для равномерного деления тока между параллельно работающими простыми выпрямителями. Сглаживающие реакторы предназначаются для уменьшения пульсации выпрямленного тока в цепи нагрузки. Если преобразователь выполнен с регулированием напряжения под нагрузкой, в схему входит система автоматического управления трансформатором или преобразователем.
Физические свойства и технические характеристики преобразователей зависят от схемы соединения вентилей между собой и с трансформатором, типа вентилей, схемы соединения обмоток и конструкции магнитопровода трансформатора. Наиболее важным из указанных признаков является первый, по которому обычно проводится классификация преобразователей. В большинстве случаев преобразователи средней и большой мощности питаются от сети трехфазного тока промышленной частоты, что позволяет получить трех-, шести-, двенадцати-, и кратное двенадцати преобразование.

Схемы и фазность преобразования

В преобразовательных установках выпрямленное напряжения имеет пульсирующий характер и содержит составляющую Ud и переменную ud. Соотношение между постоянной и переменной составляющими в различных установках различно зависит от фазности выпрямления. Фазностью, или пульсностью, преобразования называют число пульсаций (т) выпрямленного напряжения за период переменного напряжения сети. Понятие фазности дает представление о качестве преобразования. Чем выше фазность, тем выше качество преобразования, оценить которое можно с помощью коэффициента преобразования (с) или коэффициент пульсации (q). Коэффициентом преобразования называется отношение постоянной составляющей выпрямленного напряжения холостого хода Udo к его амплитуде Um\ с ростом фазности коэффициент преобразования приближается к единице. Коэффициент пульсации равен отношению амплитуды v-ой гармоники переменной составляющей к среднему значению выпрямленного напряжения холостого хода преобразователя; с ростом фазности коэффициент пульсации стремится к нулю.
Коэффициенты преобразования (с) и пульсации по первой, основной гармонической составляющей в зависимости от фазности, приведены в табл. 2.
Таблица 2

Коэффициент

Фазность

2

3

6

12

24

36

48

Преобразования (с) Пульсации (q)

0,637 0,483

0,825 0,183

0,955 0,042

0,989 0,014

0,995 0,0035

0,998 0,0015

0,999 0,00 087

Фазность преобразования зависит от числа фаз питающей преобразователь сети и схемы преобразования. Наиболее распространёнными схемами используемыми в преобразователях средней и большой мощности, являются нулевые и мостовые. Фазность преобразования простого двухполупериодного преобразователя, питающегося от сети переменного тока, равна двум. Шестифазная пульсация достигается, например, включением простого трёхфазного мостового выпрямителя в трёхфазную сеть. Для увеличения фазности выпрямленного напряжения свыше шести используются сложные схемы выпрямления с несколькими или одним трансформатором, вентильные обмотки которого расщепляются на отдельные части. Каждая часть вентильной обмотки такого трансформатора питает простой преобразователь. Соединяя последовательно или параллельно простые преобразователи, получают сложные многофазные схемы выпрямления.

Схемы и группы соединения обмоток

Силовые преобразовательные трансформаторы выполняются с самыми различными схемами соединения обмоток, количество которых значительно больше, чем в силовых трансформаторах общего назначения. Применение той или иной схемы соединения преобразовательного трансформатора обусловливается схемой и фазностью выпрямления, мощностью и классом напряжения, а также специфическими требованиями к ограничению аварийных токов, регулированию напряжения и коэффициенту мощности преобразователя.
Самые простые по исполнению схемы соединения обмоток трансформатора получаются тогда, когда его вентильная обмотка состоит из одной части.
Схемы 1 и 2 предназначены для преобразователей по однофазной полупроводниковой схеме со средней точкой и однофазной мостовой схеме соответственно. Для трёхфазной нулевой схемы, применяемой в преобразователях мощностью до 250 кВт, используются трансформаторы со схемами соединения 2, 4 и 5; для трёхфазной мостовой — трансформаторы со схемами соединения обмоток 6—9. Соединение ВО в звезду или треугольник зависит от её мощности и класса напряжения. Для преобразователей с относительно большим выпрямленным током и малым выпрямленным напряжением вентильная обмотка чаще соединяется в треугольник, обеспечивающий лучшую технологичность обмотки. Сетевую обмотку трёхфазных трансформаторов соединяют, как правило, в звезду. Допускается выполнение СО с соединением в треугольник для трансформаторов с междуфазным напряжением 0,38 кВ, а также 6 и 10 кВ при мощности сетевой обмотки 800 кВ • А и выше, 35 кВ — при 4000 кВ • А и выше, 110 кВ - при 6300 кВ • А и выше, 220 кВ — при 16000 кВ • А и выше. Иногда преобразовательные трансформаторы изготавливаются с переключением обмоток с одной схемы на другую. Так, например, в трансформаторах для электролизных производств изменения напряжения в больших пределах обеспечивается переключением сетевой обмотки с треугольника на звезду. При выпрямленных напряжениях 450 В и менее и шестифазном режиме преобразования часто используют нулевую схему «две обратные звезды с уравнительным реактором» и кольцевую схему. Схемы и группы соединения трансформаторов для этих преобразователей представлены в табл. 4. В табл. 3 и 4 индекс «н» обозначает выведенную нулевую точку, а индекс «нр» выведенную нулевую точку трансформатора со встроенным уравнительным реактором. Для схем 10—13 табл. 4 и схем 5 и 6   группы соединения обмоток трансформатора определяются при соединении обмотки с разобщенным нулем в «звезду». Эти схемы используются в преобразовательных установках со специфическими требованиями.
Для преобразователей мощностью свыше 4000 кВ-А часто применяют сложные схемы преобразования, обеспечивающие двенадцати- и двадцатичетырёхфазный режим выпрямления. Эти схемы осуществляются с помощью нескольких трансформаторов с разными простыми схемами соединения обмоток, либо с помощью одного трансформатора с ВО, расщеплённой на несколько частей, каждая из которых питает одну преобразовательную секцию.  Схемы соединения обмоток трансформаторов, с расщеплённой ВО для двенадцати- и двадцатичетырёхфазных преобразователей, в которых каждая преобразовательная секция, питаемая от одной части ВО, соединена по трёхфазной мостовой схеме. Для этого используются сочетания следующих схем соединения обмоток: звезда, треугольник и треугольники с продолженными сторонами. Схемы 1 и 2 обеспечивают двенадцатифазный режим, а схемы 3—6 — двадцатичетырёхфазный режим преобразования.

Классификация напряжений и сопротивлений короткого замыкания

Силовые ПТ отличаются от силовых трансформаторов общепромышленного назначения в первую очередь более сложными схемами соединения обмоток. Вентильные обмотки часто выполняются расщеплёнными, и ПТ осуществляют функции делителя мощности между преобразовательными блоками (секциями). Величина аварийных токов в преобразователях ограничивается в определенных пределах за счет выбора схем расщепления ВО и секционирования СО, а также регулировочной обмотки (РО). Схема и группа соединения обмоток, схема их расщепления и секционирования существенно влияют также на коэффициент мощности преобразователя, на его внешнюю характеристику, определяют уровень взаимного влияния режимов в преобразовательных блоках, соединениях с разными частями ВО.
В рабочих и аварийных режимах преобразователя мгновенные значения токов в частях обмоток существенно различны. Соответственно, различны магнитные поля рассеяния и связанные с ними индуктивные сопротивления рассеяния трансформаторов. Это оказывает большое влияние на токораспределение между параллельными ветвями и проводниками обмоток, величину добавочных потерь, в том числе от высших гармонических составляющих. Характеристики преобразователей в каждом из рабочих и аварийных режимов зависят от определённых индуктивных и активных сопротивлений обмоток трансформатора. Для анализа этих характеристик и режимов уже недостаточно понятия напряжения короткого замыкания и, соответственно, сопротивления короткого замыкания трансформатора, по ГОСТ 16110—82. В связи с этим, для напряжений короткого замыкания преобразовательных трансформаторов ГОСТ 16772—77 введены дополнительно понятия и термины:
а)   сквозное напряжение короткого замыкания (ик) — напряжение КЗ пары обмоток (сетевой и вентильной) при замкнутых накоротко всех частях вентильной обмотки,
б) напряжение частичного короткого замыкания (икг) — которое должно быть приложено к выводам СО трансформатора, чтобы в ней установился номинальный ток при замкнутой накоротко одной из гальванически не связанных частей ВО и разомкнутых остальных частях,
в) напряжение короткого замыкания коммутации (и^к) — междуфазное напряжение, которое должно быть приложено к выводам СО трансформатора, чтобы в ней установился номинальный ток при замкнутых накоротко частях ВО с одинаковой схемой и группой соединения, одновременно участвующих в коммутации в номинальном режиме и разомкнутых остальных частях,
г)   напряжение короткого замыкания расщепления (икр) — напряжение, которое нужно подвести к одной из гальванически не связанных частей ВО, чтобы в ней установился ток, соответствующий  номинальной  мощности СО, при замкнутой накоротко другой части той же обмотки и разомкнутых СО и остальных частей ВО. Напряжения короткого замыкания позволяют определить соответствующие полные, индуктивные и активные сопротивления трансформаторов.
Классификация и обозначение индуктивных сопротивлений рассеяния ПТ приведены в табл. 6, которые аналогичны и для активных составляющих сопротивлений короткого замыкания трансформаторов. В таблице даны ссылки на схемы опытов короткого замыкания, в которых может быть определен данный вид сопротивления и характерные области их использования. В любом из опытов короткого замыкания питаемая и замкнутая накоротко обмотки (части обмотки) могут меняться местами.

Таблица 6.

Сопротивление
КЗ

Обозначение
сопротивления

Опыт КЗ

Запитано

Закорочено

Сквозное

 

Сетевая обмотка

Все части ВО

Парное Частичное

 

Одна часть СО

Любая другая часть Одна часть (несколько частей) ВО

Частичное приведенное

 

СО

Несколько частей ВО

Коммутация

 

СО

Части ВО с одноименной схемой соединения

Коммутация части

 

СО

Части ВО с одноименной схемой соединения

Расщеплённая

 

Одна часть (несколько частей) обмотки

Другая часть (части той же обмотки)

Расчет реактансов, представляющий собой сложную задачу, выполняется обычно по методике, которая учитывает неравномерность распределения магнитодвижущих сил, отключение регулировочных витков в трансформаторах с ПБВ и регулировочных ветвей в трансформаторах с РПН, наличие циркулирующих токов.



 
< Транспортировка трансформаторов по железной дороге   Трансформаторы с использованием высокотемпературной сверхпроводимости >