Способы регулирования напряжения. Одним из распространенных способов регулирования напряжения на шинах подстанции является переключение ответвлений на трансформаторах. С этой целью у обмоток (как правило, высшего напряжения, имеющих меньший рабочий ток) трансформаторов предусматриваются регулировочные ответвления и специальные переключатели ответвлений, при помощи которых изменяют число включенных в работу витков, увеличивая или уменьшая коэффициент трансформации
где wBH и whh - число включенных в работу витков обмоток ВН и НН соответственно.
Изменение коэффициента трансформации между обмотками высшего и низшего напряжений позволяет поддерживать на шинах НН напряжение, близкое к номинальному, когда первичное или вторичное напряжение отклоняется по тем или иным причинам от номинального.
Операции переключения секции витков производят на отключенном от сети трансформаторе устройством ПБВ (переключение без возбуждения) либо на работающем трансформаторе непосредственно под нагрузкой устройством РПН (регулирование под нагрузкой). Трансформаторы большой мощности с устройствами ПБВ имеют до пяти ответвлений для получения четырех ступеней напряжения относительно номинального (±2x2,5% )UHOM . В зависимости от класса напряжения трансформатора, его исполнения и числа ступеней регулирования применяют различные по конструкции переключатели ответвлений. Они могут быть трехфазными и однофазными. Однофазные переключатели барабанного типа (рис. 1.10) устанавливаются на каждой фазе обмотки ВН. Контактная система состоит из неподвижных контактов - полых токоведущих стержней 3 ( A 1 - A 6 на рис. 1.10, б), соединенных с ответвлениями 2 от обмоток, и подвижных контактных колец 5, замыкающих между собой различные пары неподвижных контактов. Контактные кольца перемещаются коленчатым валом 4, ось которого при помощи изолирующей штанги 6 соединяется с приводом на крышке трансформатора. Переключатель смонтирован на изолирующих основаниях 1.
Рис. 1.10. Переключатель ответвлений барабанного типа (а) и схема переключения ответвлений (б), показанная в положении, при котором стержни A 4 и As соединены контактными кольцами 5
Трансформаторы с РПН имеют большее число регулирующих ступеней и более широкий диапазон регулирования (± 10% Uном), чем трансформаторы с ПБВ. Применяемые схемы регулирования на трансформаторах представлены на рис. 1.11. Регулируемые витки размещены со стороны нейтрали, что позволяет применять устройства РПН с облегченной изоляцией. В схеме на рис. 1.11, б двухпозиционный переключатель - реверсор 5 позволяет присоединять регулировочную обмотку 3 к основной 1 согласно или встречно, благодаря чему диапазон регулирования удваивается по сравнению со схемой на рис. 1.11, а. На рис. 1.12 даны схемы регулирования на автотрансформаторах на стороне ВН и СН. Класс изоляции устройств РПН соответствует классу изоляции СН трансформатора.
Рис. 1.11. Схемы регулирования на трансформаторах без реверсирования (а) и с реверсированием (б) регулировочной обмотки: 1, 2 — первичная и вторичная обмотки соответственно; 3 - регулировочная обмотка с ответвлениями; 4 - переключающее устройство; 5 - реверсор
Рис. 1.12. Схема регулирования на автотрансформаторах:
а - на стороне ВН; б - на стороне СН; 1 -регулировочная обмотка с ответвлениями; 2 - переключающее устройство
Рис. 1.13. Схема регулирования напряжения при помощи последовательного регулировочного трансформатора (а) и схема регулировочного автотрансформатора (б): 1 - главный трансформатор без РПН; 2 -последовательный регулировочный трансформатор; 3 - линия, в которой регулируется напряжение; 4 - регулировочный автотрансформатор; 5 - реверсор
Помимо указанных способов для регулирования напряжения применяются специальные последовательные регулировочные трансформаторы. Они прибавляют к напряжению нерегулируемого трансформатора или автотрансформатора (или вычитают из него) некоторое добавочное напряжение. Схемы регулирования приведены на рис. 1.13 и 1.14.
Регулирование, при котором напряжение сети изменяется только по значению без изменения фазы, называют продольным. Возможно регулирование по фазе - поперечное регулирование. Для этого обмотку возбуждения регулировочного трансформатора 2 (рассматривается регулирование в фазе А) присоединяют к линейному напряжению двух других фаз (рис. 1.15, а). В результате к фазному напряжению сети прибавляется (или вычитается) регулируемое напряжение D U , сдвинутое на угол 90°, и таким образом линейное напряжение сети изменяет фазу, оставаясь неизменным по значению (рис. 1.15, б).
На крупных подстанциях системного значения при распределении потоков активной и реактивной мощности возникает необходимость в регулировании напряжения по значению и фазе. Регулирование осуществляется специальными агрегатами продольно-поперечного регулирования, при этом в схему вводятся два напряжения, одно из которых совпадает с напряжением сети, а другое сдвинуто на 90°.
Во всех перечисленных случаях регулирования применяются устройства РПН, состоящие из следующих основных частей: переключателя или избирателя, контактора, токоограничивающего элемента (реактора или резистора) и приводного механизма. Процесс переключения регулировочных ответвлений проходит без разрыва цепи рабочего тока трансформатора. Последовательность работы переключающих устройств РПН с реактором (серий РНО, РНТ) и с резистором (серий РНОА и РНТА) показана на рис. 1.16 .
Из рассмотрения работы РПН с реактором видно, что контактор замыкает и размыкает некоторый ток, следовательно, процесс сопровождается горением дуги; контакты избирателя переключаются без разрыва тока, т. е. лишь после того, как соответствующая цепь окажется разомкнутой; необходимая последовательность размыкания и замыкания тех и других контактов обеспечивается согласованной работой приводного механизма, приводимого в действие двигателем с реверсивным пускателем; реактор ограничивает циркулирующий ток в процессе коммутации и рассчитан на длительное прохождение номинального тока. Последнее обстоятельство говорит о том, что застревание привода в промежуточном положении, когда ток нагрузки проходит по одной части реактора или когда переключатель находится в положении "мост" (рис. 1.16, г), для устройств с токоограничивающим реактором не является опасным и повреждений обычно не вызывает. Однако во избежание перегрева контактов в случае неполного их касания РПН необходимо возвращать в основное рабочее положение при первой же возможности.
Реактор и избиратель, на контактах которого дуги не возникает, обычно размещают в баке трансформатора, а контактор помещают в отдельном масляном баке, чтобы не допускать разложения масла электрической дугой в трансформаторе.
Рис. 1.14. Схема регулирования напряжения на автотрансформаторе при помощи последовательного регулировочного трансформатора в нейтрали: 1 - главный автотрансформатор; 2 - регулировочный трансформатор; 3 - реверсор
Рис. 1.15. Последовательный регулировочный трансформатор для поперечного регулирования напряжения: a - схема включения в фазу А (для фаз В и С схемы включения аналогичны);
б - векторная диаграмма; 1 - последовательный регулировочный трансформатор; 2 - регулировочный трансформатор
Действие устройств РПН с резисторами во многом сходно с работой переключающих устройств с реактором.
Отличие состоит в том, что в нормальном режиме работы резисторы зашунтированы или отключены и ток по ним не проходит, а в процессе коммутации ток проходит в течение сотых долей секунды. Резисторы не рассчитаны на длительную работу под током, поэтому переключение контактов в них происходит быстро под действием мощных сжатых пружин. Вероятность непереключения контактов даже в случае исчезновения питания привода ничтожно мала. Резисторы имеют небольшие размеры и являются, как правило, конструктивной частью контактора.
Имеются устройства РПН, у которых контактор расположен в отдельном баке на изоляторе, а также устройства так называемой погружной конструкции. Их устанавливают как внутри бака трансформатора, так и в отдельном баке, примыкающем к баку трансформатора. Бак контактора соединяется трубкой с отсеком расширителя (рис. 1.17).
Нормальная работа устройств типа РПН гарантируется при температуре верхних слоев масла в контакторах не ниже -20°С. В выносных баках контакторов применяется система автоматического подогрева масла, которая обеспечивает нормальную работу устройств при температуре наружного воздуха до -45°С. Уровень масла в баках контакторов контролируется по маслоуказателям.
Устройства РПН приводятся в действие дистанционно со щита управления ключом или кнопкой и автоматически от устройства автоматического регулирования напряжения. Предусмотрено также переключение приводного механизма РПН специальной рукояткой или с помощью кнопки, располагаемой в шкафу (местное управление). Способ местного управления является вспомогательным, и к нему прибегают только при ремонте. Переключение РПН трансформатора, находящегося в обычном рабочем „режиме, с помощью рукоятки или кнопки местного управления оперативному персоналу, как правило, не рекомендуется. Только в случае застревания переключателя РПН в промежуточном положении команда на завершение переключения может быть подана рукояткой местного управления, если отсутствует сигнал перегрузки, нет признаков повреждения устройства или неисправности схемы дистанционного управления.
Один цикл переключения РПН разных типов выполняется за 3-10 с.
Процесс переключения сигнализируется красной лампой, которая загорается в момент подачи импульса и продолжает гореть все время, пока механизм не закончит цикл переключений с одной ступени на другую. Независимо от длительности одного импульса на пуск РПН имеют блокировку, разрешающую переход избирателя только на одну ступень. По окончании движения переключающего механизма заканчивают перемещение и дистанционные указатели положения, показывая номер ступени, на которой остановился переключатель.
Для автоматического управления РПН снабжаются блоками автоматического регулирования коэффициента трансформации (АРКТ) . Структурная схема автоматического регулятора показана на рис. 1.18.
Регулируемое напряжение подается на зажимы блока АРКТ от трансформатора напряжения. Кроме того, устройством токовой компенсации (ТК) учитывается еще падение напряжения от тока нагрузки. На выходе блока АРКТ исполнительный орган И управляет работой приводного механизма. Схемы автоматического регулятора напряжения весьма разнообразны, но все они, как правило, содержат элементы, указанные на рис. 1.18.
Рис. 1.16. Последовательность работы переключающих устройств РПН с реактором (а-ж) и резистором (з-н): Р - реактор;
RI и R 2 - резисторы; П - переключатели (избиратели); К1-К4 - контакторы; РО - регулировочная обмотка
Обслуживание устройств регулирования напряжения. Практика показала, что перестановка переключателей ПБВ с одной ступени на другую производится крайне редко (1-2 раза в год) - сезонное регулирование. При длительной работе без переключения контактные стержни и кольца покрываются оксидной пленкой. Чтобы разрушить эту пленку и создать хороший контакт, рекомендуется при каждом переводе переключателя предварительно прокручивать его (не менее 5-10 раз) из одного крайнего положения в другое, что выполняют при отключенном трансформаторе. При пофазном переводе переключателей проверяют их одинаковое положение. Установка привода на каждой ступени должна фиксироваться стопорным болтом. Если возникает сомнение в работе переключателя, целость электрической цепи проверяют омметром. О переключении ответвлений должна быть сделана запись в оперативном журнале.
Для очистки от шлама и оксидов контактных систем переключающих устройств типа РПН их также следует регулярно (через каждые 6 мес.) "прогонять" по всему диапазону регулирования (с 1-го по n-е положение) по 5-10 раз в каждую сторону.
Рис. 1.17. Подключение расширителя для компенсации температурных изменений объема масла в трансформаторе и баке контактора РПН: 1 - малый отсек расширителя; 2 - большой отсек расширителя; 3 - кран для доливки масла в расширитель;
4 - кран маслопровода к баку трансформатора; 5 - кран подпитки маслом масляного отсека (кран нормально закрыт, на рисунке изображение крана зачернено); 6 - кран маслопровода к баку контактора; 7 - газовое реле РПН; 8 - то же трансформатора;
9 - маслопровод к баку трансформатора; 10 - то же к баку РПН; 11 - отверстие
Рис. 1.18. Структурная схема автоматического регулирования напряжения: 1 - регулируемый трансформатор; 2 – трансформатор тока; 3 - трансформатор напряжения; ТК - устройство токовой компенсации; ИО - измерительный орган; У - орган управления; В - орган выдержки времени; И — исполнительный орган; ИП - источник питания; ПМ - приводной механизм
Устройства РПН должны постоянно находиться в работе с включенным блоком АРКТ. На дистанционное управление их переводят только при неисправности автоматических регуляторов, невыполнении команды на переключение (застревание контактов избирателя в промежуточном положении, отказ в работе приводного механизма). При повреждении блока АРКТ оно должно быть отключено и устройство РПН переведено на дистанционное управление. При отказе в действии схемы дистанционного управления РПН следует перевести на местное управление и принять меры по устранению неисправности. В случае обнаружения неисправности избирателя или контактора трансформатор отключают.
Ни нормальные эксплуатационные, ни аварийные перегрузки трансформатора (если ток не превышает 200%-ного номинального тока) не могут ограничивать работу РПН. При нагрузке выше максимально допустимой специальная блокировка запрещает срабатывание переключающего устройства.
Положение РПН должно контролироваться при осмотрах оборудования. Необходимо сверять показания указателя положения переключателя на щите управления и на приводе РПН, так как по ряду причин возможно рассогласование сельсина-датчика и сельсина-приемника. Проверяется также одинаковое положение переключателей РПН всех параллельно работающих трансформаторов или отдельных фаз при пофазном управлении, записываются показания счетчика числа переключений РПН.
Электрическая износостойкость РПН (без смены контактов) зависит от значения переключаемого тока. При токе до 1000 А допускается выполнение не менее 60 000 переключений, при разрыве тока более 1000 А - 25 000 переключений. Однако в эксплуатации инструкциями предписывается выполнение с помощью РПН ориентировочно 10 000-20 000 переключений под нагрузкой, после чего контактор РПН обычно выводят в ревизию, при этом заменяют обгоревшие контакты контакторных устройств.
Нельзя оставлять в эксплуатации контакты с повышенным переходным сопротивлением, так как нагрев их усиливает процесс разложения масла, характеристики которого и без того ухудшаются под действием дуги.
Критерием качества масла в баке контактора РПН является отсутствие влаги (допускается не более 0,003%) и минимальное пробивное напряжение, которое для РПН класса напряжения 35 кВ принято равным 30 кВ, для контакторных устройств РПН классов напряжения 110 и 220 кВ - соответственно 35 и 40 кВ. Цвет, содержание углерода, кислотность и прочие показатели качества масла не играют существенной роли и не могут препятствовать его дальнейшему использованию в баке контактора. Для анализа пробы масла должны отбираться через каждые 5000 переключений независимо от срока работы РПН, но не реже 1 раза в год.
Наличие масла в отсеке расширителя или в баках контакторов проверяют по маслоуказателям. Уровень масла следует поддерживать в допустимых пределах. При пониженном уровне увеличивается время горения дуги на контактах. Превышение нормальной отметки уровня масла нередко наблюдается при нарушении уплотнений отдельных узлов масляной системы.
Как было указано выше, нормальная работа контакторов гарантируется при температуре масла не ниже -20°С, если в технических условиях на РПН не предусмотрена другая температура. При низкой температуре окружающего воздуха необходимо следить за работой нагревательных элементов в баках контакторов. Если температура масла в баке контактора или в баке трансформатора (для РПН, встроенных в бак) понизится до -21°С, РПН следует вывести из работы. В вязком масле контактор во время срабатывания испытывает значительные механические нагрузки, которые могут привести к его поломке. Кроме того, возможно повреждение и резисторов из-за увеличения времени переключения и более длительного пребывания их под током.
Если в РПН предусмотрен обогрев контакторов, то в зимний период при температуре окружающего воздуха -15°С включается система автоматического обогрева контакторов. Включение системы обогрева вручную (помимо действия автоматики) не допускается.
При включении из резерва трансформатора с устройством РПН, оборудованным электроподогревом, при температуре окружающего воздуха ниже -20°С должна предварительно включаться система автоматического обогрева контакторов на 13-15 ч. Пользование РПН в этом случае разрешается только при истечении указанного времени.
Приводные механизмы РПН являются наиболее ответственными и в то же время наименее надежными узлами этих устройств. Их необходимо предохранять от попадания пыли, влаги, трансформаторного масла. Трущиеся детали и шарнирные соединения передач следует смазывать незамерзающей тугоплавкой смазкой через каждые 6 мес.
В процессе регулирования напряжения переключением ответвлений с помощью устройств ПБВ или РПН персонал не должен допускать длительного повышения напряжения на трансформаторе сверх номинального для данного ответвления более чем на 5% при нагрузке не выше номинальной и на 10% при нагрузке не выше 25% номинальной. Для автотрансформаторов без ответвлений в нейтрали и регулировочных трансформаторов допускается длительное повышение напряжения до 10% сверх номинального. Превышение указанных значений приводит к перенасыщению магнитопровода, резкому увеличению тока и потерь холостого хода. При этом потери в стали возрастают пропорционально квадрату напряжения, а ток увеличивается в еще большей степени. Увеличение потерь в стали ведет к преждевременному износу изоляции и является причиной местных нагревов стальных конструкций.
При параллельной работе двух регулируемых трансформаторов изменение их коэффициентов трансформации следует производить по возможности одновременно, чтобы избежать перегрузки уравнительным током. При автоматическом управлении РПН эта роль выполняется специальной блокировкой. Если же автоматическое управление отсутствует, переключение ответвлений следует выполнять постепенно, не допуская рассогласования по ступеням ответвлений более чем на одну ступень.
Обращается внимание читателей на то, что в книге приведены оперативные схемы, особенностью которых является изображение коммутационных аппаратов (масляных и воздушных выключателей, разъединителей, рубильников и т. п.) в положении (включено или отключено), соответствующем рассматриваемому режиму работы. Иными словами, если аппарат в данном режиме включен, то его контакты изображены замкнутыми, если отключен - разомкнутыми.
В ряде энергосистем вместо АРКТ пользуются аббревиатурой АРНТ
Недостаточное использование РПН не позволило пока установить их фактическую износостойкость в эксплуатации