Распределительные трансформаторы представляют собой наиболее многочисленную группу трансформаторов в энергосистеме. Их ключевая особенность заключается в высокой распространённости и значительной суммарной номинальной мощности, что делает их важнейшим элементом при передаче и распределении электроэнергии.
Однако большинство таких трансформаторов не имеют функции регулирования напряжения под нагрузкой. Вместо этого они оснащаются устройствами переключения ответвлений без возбуждения (ПБВ), которые позволяют изменять коэффициент трансформации только при отключенном питании.
Основной недостаток ПБВ – невозможность оперативного регулирования напряжения без временного отключения потребителей. Это снижает гибкость управления энергосистемой и может приводить к перепадам напряжения, особенно в сетях с переменной нагрузкой.
В качестве альтернативы применяются распределительные трансформаторы, оборудованные устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Такие устройства позволяют изменять коэффициент трансформации без прерывания электроснабжения, обеспечивая стабильность напряжения и повышая надежность сети.
Существует несколько запатентованных конструкций переключателей ответвлений РПН, предназначенных для работы под нагрузкой. Все они основаны на одном ключевом принципе: включении резисторов или реакторов в цепь коммутируемых обмоток в момент переключения. Эти сопротивления выполняют две основные функции:
-
Ограничение токов короткого замыкания – предотвращение резких скачков тока при переходе между ответвлениями.
-
Обеспечение непрерывности тока – минимизация переходных процессов и перенапряжений за счет поддержания замкнутого контура во время коммутации.
Некоторые современные решения также используют вакуумные или тиристорные ключи для повышения быстродействия и снижения износа контактов. Дополнительно применяются системы активного гашения дуги, что особенно важно в высоковольтных трансформаторах.
Для чего нужно регулировать напряжения в электрических сетях
Напряжение в электрических сетях не является постоянным – оно изменяется в зависимости от нагрузки, длины линий электропередачи, режимов работы генераторов и других факторов. Однако большинство потребителей электроэнергии (промышленное оборудование, бытовая техника, осветительные приборы, электронные устройства) требуют стабильного напряжения в определенном диапазоне. Если напряжение выходит за допустимые границы, это приводит к ряду негативных последствий:
1. Последствия повышенного напряжения
-
Перегрев и ускоренный износ оборудования – электродвигатели, трансформаторы и другие устройства рассчитаны на работу при номинальном напряжении. Превышение напряжения ведет к увеличению токов, перегреву обмоток и сокращению срока службы.
-
Повреждение электроники – современные приборы (компьютеры, телевизоры, системы автоматизации) чувствительны к перенапряжениям, что может вызвать их выход из строя.
-
Увеличение потерь в сетях – при повышенном напряжении растут токи холостого хода и потери на корону в ЛЭП.
2. Последствия пониженного напряжения
-
Снижение эффективности электропотребителей – электродвигатели теряют мощность, увеличивается их нагрев, ухудшается КПД.
-
Некорректная работа электронных устройств – микропроцессорная техника может отключаться или работать с ошибками.
-
Ухудшение освещения – лампы накаливания и светодиодные светильники дают меньшую яркость, что снижает комфорт и безопасность.
-
Повышенные токи нагрузки – при низком напряжении потребители (особенно двигатели) начинают потреблять больший ток для компенсации нехватки мощности, что ведет к перегрузке сетей.
Для адекватной работы большинства потребителей электроэнергии необходимым условием является нахождение питающего напряжения в определенном диапазоне, чтобы оно не было бы выше или ниже определенных приемлемых границ. Поэтому и нужны какие-то способы подстройки, регулирования, корректировки сетевого напряжения.
Один из лучших способов — это изменение по мере надобности коэффициента трансформации путем уменьшения или увеличения числа витков в первичной или во вторичной обмотке трансформатора, в соответствии с известной формулой: U1/U2 = N1/N2.
Для регулировки напряжения на вторичных обмотках трансформаторов, с целью поддержания у потребителей правильной величины напряжения, — у некоторых трансформаторов предусмотрена возможность изменять соотношение витков, то есть корректировать таким образом в ту или иную сторону коэффициент трансформации.
Подавляющее большинство современных силовых трансформаторов оснащено специальными устройствами, позволяющими выполнять регулировку коэффициента трансформации, то есть добавлять или убавлять витки в обмотках.
Такая регулировка может выполняться либо прямо под нагрузкой, либо только тогда, когда трансформатор заземлен и полностью обесточен.
В зависимости от значимости объекта, и от того, насколько часто необходимы данные регулировки, — встречаются более или менее сложные системы переключения витков в обмотках: осуществляющие ПБВ - «переключение без возбуждения» или РПН - «регулирование под нагрузкой». В обоих случаях обмотки трансформатора имеют ответвления, между которыми и происходит переключение.
Переключение без возбуждения
Переключение без возбуждения выполняют от сезона — к сезону, это плановые сезонные переключения витков, когда трансформатор выводится из эксплуатации, что конечно не получилось бы делать часто. Коэффициент трансформации изменяют, делают больше или меньше в пределах 5%.
На мощных трансформаторах переключение выполняется с помощью четырех ответвлений, на маломощных — при помощи всего двух. Данный тип переключения сопряжен с прерыванием электроснабжения потребителей, поэтому и выполняется он достаточно редко.
Зачастую ответвления сделаны на стороне высшего напряжения, где витков больше и корректировка получается более точной, к тому же ток там меньше, переключатель выходит компактнее. Изменение магнитного потока в момент такого переключения витков на понижающем трансформаторе очень незначительно.
Если требуется повысить напряжение на стороне низшего напряжения понижающего трансформатора, то витков на первичной обмотке убавляют, если требуется понизить — прибавляют. Если же регулировка происходит на стороне нагрузки, то для повышения напряжения витков на вторичной обмотке прибавляют, а для понижения — убавляют. Переключатель, применяемый на обесточенном трансформаторе, называют в просторечии анцапфой.
Место контакта, хотя и выполнено подпружиненным, со временем оно подвергается медленному окислению, что приводит к росту сопротивления и к перегреву.
Чтобы этого вредного накопительного эффекта не происходило, чтобы газовая защита не срабатывала из-за разложения масла под действием излишнего нагрева, переключатель регулярно обслуживают: дважды в год проверяют правильность установки коэффициента трансформации, переключая при этом анцапфу во все положения, дабы убрать с мест контактов оксидную пленку, прежде чем окончательно установить требуемый коэффициент трансформации.
Также измеряют сопротивление обмоток постоянному току, чтобы убедиться в качестве контакта. Эту процедуру выполняют и для трансформаторов, которые долго не эксплуатировались, прежде чем начинать их использовать.
Регулирование под нагрузкой
Оперативные переключения осуществляются автоматически либо в вручную, прямо под нагрузкой, там где в разное время суток напряжение сильно изменяется. Мощные и маломощные трансформаторы, в зависимости от напряжения, имеют РПН разных диапазонов — от 10 до 16% с шагом в 1,5% на стороне высшего напряжения, — там, где ток меньше.
Здесь, конечно, есть некоторые сложности: просто рвать цепь на мощном трансформаторе нельзя, т. к. в этом случае возникнет дуга и трансформатор просто выйдет из строя; кратковременно витки замыкаются между собой накоротко; необходимы устройства ограничения тока.
Токоограничительные реакторы в системах РПН
Регулирование под нагрузкой с ограничением тока позволяет осуществить система с двумя контакторами и двухобмоточным реактором.
К двум обмоткам реактора подключено по контактору, которые в обычном рабочем режиме трансформатора сомкнуты, примыкая к одному и тому же контакту на выводе обмотки. Рабочий ток проходит через обмотку трансформатора, затем параллельно через два контактора и через две части реактора.
В процессе переключения один из контакторов переводится на другой вывод обмотки трансформатора (назовем его «вывод 2»), при этом часть обмотки трансформатора оказывается накоротко шунтирована, а рабочий ток ограничивается реактором. Затем второй контакт реактора переводится на «вывод 2».
Процесс регулирования завершен. Переключатель с реактором имеет небольшие потери в средней точке, так как ток нагрузки наложен на конвекционный ток двух переключателей, и реактор может все время находиться в цепи.
Токоограничительные резисторы в системах РПН
Альтернатива реактору — триггерный пружинный контактор, в котором происходит последовательно 4 быстрых переключения с использованием промежуточных положений, когда ток ограничивается резисторами. В рабочем положении ток идет через шунтирующий контакт К4.
Когда требуется произвести переключение цепи из положения II в положение III (в данном случае - с меньшим количеством витков), — избиратель переводится с контакта I на контакт III, затем параллельно замкнутому контактору К4 подключается резистор R2 через контактор К3, затем контактор К4 размыкается, и теперь ток в цепи ограничен только резистором R2.
Следующим шагом замыкается контактор К2, и часть тока устремляется также через резистор R1. Контактор К3 размыкается, отсоединяя резистор R2, замыкается шунтирующий контакт К1. Переключение завершено.
Если у переключателя с реактором реактивный ток прервать трудно, и поэтому он используется чаще на стороне низкого напряжения с большими токами, то быстродействующий переключатель с резисторами успешно используется на стороне высокого напряжения с относительно малыми токами.
Существуют также конструкции трансформаторов с регулированием на стороне ВН, в которых вместо механического переключателя используются силовые электронные переключатели, в которых селектор, или селектор и силовой ключ, заменены полупроводниковыми вентилями.
Проблемой этого типа решений является использование устройства регулирования напряжения для трансформатора сухого типа.
Существуют решения по регулированию напряжения под нагрузкой для сухих распределительных трансформаторов, но это требует добавления к трансформатору специального шкафа с переключателем ответвлений под нагрузкой. Это дорогое решение и требует много дополнительного места.
Недостатки устройств РПН
Решения на основе РПН ограничены диапазоном регулировки и увеличивают потери. Этого диапазона регулирования достаточно, если в сети НН нет дополнительных источников энергии (например, фотогальваники, ветряных электростанций и т. д.).
Кроме того, в случае однофазных источников в сети НН, таких как бытовые автомобильные зарядные устройства, возникают асимметрии фазных и междуфазных напряжений, компенсация которых затруднена.
Использование устройства РПН в распределительном трансформаторе создает несколько проблем:
- РПН размещается внутри бака трансформатора (обычно над сердечником), поэтому трансформатор выше;
- процесс переключения вызывает горение дуги во время процесса переключения, что приводит к ухудшению состояния масла и контактов;
- РПН требует периодического осмотра, а его неисправность вызывает необходимость размыкания трансформатора, что влияет на состояние системы изоляции;
- стоимость трансформатора с РПН выше по сравнению с трансформатором без регулирования или с ПБВ (c беспотенциальным регулированием).
Описанные ограничения в настоящее время устраняются за счет использования вакуумных дугогасительных камер. Благодаря этому решению подвижные контакты и, следовательно, дуга в процессе переключения не имеют прямого контакта с маслом.
Рассмотренные выше способы регулирования напряжения в электрических распределительных сетях известны давно, но они имеют ряд недостатков, важнейшим из которых является невозможность одновременно регулировать колебания напряжения и компенсировать несимметрию тока и напряжения.
Еще одна проблема заключается в том, что регулировка напряжения с помощью переключателя напряжения под нагрузкой происходит ступенчато и постепенно, а не плавно. Динамика регулирования напряжения зависит от времени работы устройства РПН.
Андрей Повный