Выбор понижающего трансформатора

Материал из Руководство по устройству электроустановок

Перейти к: навигация , поиск
Общие правила проектирования электроустановок
Подключение к распределительной сети высокого напряжения
Подключение к низковольтной распределительной сети
Руководство по выбору архитектуры сети высокого и низкого напряжения
Распределение в системах низкого напряжения
Защита от поражения электрическим током
Выбор сечения и защита проводников
Низковольтная распределительная аппаратура
Защита от перенапряжений в низковольтных сетях
Энергоэффективность в электрических сетях
Компенсация реактивной мощности и фильтрация гармоник
Управление гармониками
Особые источники питания и нагрузки
Электроустановки жилых помещений и коттеджей
Электромагнитная совместимость (ЭМС)

Содержание

Характеристики трансформатора

Трансформатор характеризуется, в частности, своими электрическими параметрами, а также технологией изготовления и условиями использования.

Электрические характеристики

  • Номинальная мощность (Pn): условная полная мощность в кВА, на которой основаны конструкция трансформатора и другие величины расчетных параметров, используемых при проектировании. Испытания производителя и гарантии относятся именно к этому значению.
  • Частота: сети, описанные в данном Руководстве, работают на частоте 50 или 60 Гц.
  • Номинальные первичное и вторичное напряжения: для первичной обмотки, способной работать на нескольких уровнях напряжения, должно быть дано значение мощности кВА, соответствующее каждому уровню напряжения. Второе номинальное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора – это значение напряжения холостого хода.
  • Номинальные уровни изоляции характеризуются величинами напряжений, которые используются при испытаниях изоляции повышенным напряжением промышленной частоты, а также высоковольтными импульсами напряжения, имитирующими разряд молнии. При уровнях напряжения, описанных в данном Руководстве, перенапряжения, вызываемые операциями коммутации, обычно гораздо меньше, чем вызываемые молнией, поэтому отдельные испытания для волн перенапряжений, вызванных операциями коммутации, не проводятся.
  • Переключатель отпаек без нагрузки обычно позволяет установить уровни напряжения до ± (2-5%) от номинального напряжения первичной обмотки трансформатора. Напряжение с трансформатора должно быть снято перед тем, как работать с этим переключателем.
  • Схемы и группы соединения обмоток трансформатора обозначены стандартными символами для звезды, треугольника и звезды с внутренними соединениями (зигзаг) (и их комбинациями для трансформаторов специального исполнения, например, 6- или 12-фазные трансформаторы для питания выпрямителей), а также с помощью буквенно-цифровой кодировки, рекомендованной МЭК. Этот код читается слева направо, первая буква относится к обмотке с самым высоким напряжением, вторая – к обмотке с напряжением, следующим по величине.

  -  Заглавные буквы относятся к обмотке с самым высоким напряжением:
     D = треугольник
     Y = звезда
     Z = звезда с внутренними соединениями (или зигзаг)
     N = нейтраль, выведенная на клемник
  -  Строчные буквы используются для вторичных обмоток:
     d = треугольник
     у = звезда
     z = звезда с внутренними соединениями (или зигзаг)
     n = нейтраль, выведенная на клемник
  -  Число от 1 до 11, соответствующее делению на циферблате часов (вместо 12 используется 0), которое следует за любой парой букв, указывает на сдвиг по фазе (если таковой имеется), возникающий во время трансформации.

Очень распространенной схемой соединения обмоток в распределительных трансформаторах является схема Dyn 11, в которой соединение высоковольтной обмотки выполнено по схеме «треугольник», а вторичной обмотки – по схеме «звезда», нейтраль которой выведена на клемник. Сдвиг по фазе трансформатора составляет +30°, то есть фаза 1 вторичного напряжения на «11 часах», а фаза 1 первичного напряжения – на «12 часах», как показано на рис. B34. Все комбинации соединения обмотки по схемам «треугольник», «звезда» и «зигзаг» образуют сдвиг по фазе, который (если он не равен нулю) составляет либо 30°, либо кратное значение.
«Часовая кодировка» подробно описана в стандарте МЭК 60076-4.

Характеристики, связанные с технологией и применением трансформатора

Этот список не является исчерпывающим:

  • Выбор технологии.

Изоляционной средой является:
  -  жидкость (минеральное масло);
  -  твердая эпоксидная смола и воздух.

  • Для внутренней и наружной установки.
  • Высота над уровнем моря (<= 1000 м стандартно).
  • Температура (МЭК 60076-2).
  • Максимальная температура окружающего воздуха: 40°C:

  -  максимальная средняя суточная температура окружающего воздуха: 30°C;
  -  максимальная средняя годовая температура окружающего воздуха: 20°C.


Описание технологий изоляции

В настоящее время имеются два основных класса распределительных трансформаторов:

  • сухого типа (литая изоляция);
  • жидкого типа (с заполнением маслом).

Трансформаторы сухого типа

Обмотки этих трансформаторов изолированы смолой, заливаемой под вакуумом (метод запатентован основными производителями).

Рекомендуется выбирать трансформатор, согласно стандарту МЭК 60076-11, учитывая следующее:

  • класс окружающей среды Е2 (чистая конденсация и/или высокий уровень загрязнения);
  • климатические условия класса С2 (применение, транспортировка и хранение до -25°С);
  • пожароустойчивость (трансформаторы, подтверждающиеся пожарной безопасностью с низкой возгораемостью и самозатухающие в течение определенного времени).

Следующее описание относится к процессу, разработанному ведущим европейским производителем в этой области.
Для герметизации обмотки используется три компонента:

  • эпоксидная смола на основе бифенола А, с вязкостью, которая обеспечивает полную пропитку обмотки;
  • ангидридный отвердитель, модифицированный в целях достижения такой степени вязкости в корпусе, которая позволит избежать образования трещин во время температурных циклов, присутствующих при нормальном режиме работы;
  • порошковая добавка из тригидрата алюминия Al (OH) 3 и кварца, которая улучшает механические и тепловые свойства изолятора, а также придает исключительные внутренние качества изоляции при высокой температуре.

Эта трехкомпонентная система изоляции позволяет получить изоляцию класса F (∆θ = 100 K) с отличными качествами пожаробезопасности и немедленного самозатухания. Такие трансформаторы классифицируются как невозгораемые.

Такая изоляция обмотки не содержит галогенные компоненты (хлор, бром и т.д.) или другие компоненты, способные выделить коррозионные или токсичные загрязнители. Таким образом, гарантируется высокая степень безопасности персонала в аварийных ситуациях, особенно в случае пожара.

Такой трансформатор хорошо работает в агрессивных промышленных средах, например, пыльных и влажных (см. рис В23).


Рис B23.jpg


Рис. B23: Трансформатор сухого типа


Трансформаторы с заполнением жидкостью

Наиболее распространенной изоляционной/охлаждающей жидкостью в трансформаторах является минеральное масло. Минеральные масла описаны в стандарте МЭК 60296. Так как они воспламеняемы, во многих странах обязательными являются меры безопасности, особенно при внутренней установке. Блок DGPT (обнаружение газа, повышенного давления и температуры ) обеспечивает защиту масляных трансформаторов. В случае обнаружения отклонения блок DGPT очень быстро отключает высоковольтное питание трансформатора прежде, чем ситуация становится опасной.

Минеральное масло подвержено биологическому старению и не содержит ПХБ (полихлорированный бифенил), что было причиной запрета аскарела или пиралена.
По запросу, минеральное масло может быть заменено альтернативной изоляционной жидкостью, путем внесения необходимых изменений в трансформатор и принятия соответствующих дополнительных мер безопасности, если необходимо.

Изоляционная жидкость также действует в качестве охлаждающей среды. Она расширяется при увеличении нагрузки и/или температуры окружающей среды, поэтому все трансформаторы с заполнением жидкостью должны быть спроектированы так, чтобы предоставить дополнительный объем для жидкости без чрезмерного давления в баке.

Ограничение давления обычно достигается двумя способами:

  • Герметичный бак с полным заполнением (до 10 МВА в настоящее время)

Разработанный ведущим французским производителем в 1963 г., этот метод был принят к национальному использованию в 1972 г., а сейчас применяется во всем мире (см. рис. B24).

Расширение жидкости компенсируется эластичной деформацией маслоохлаждающих секций, присоединенных к баку.

Технология «полного заполнения» имеет много важных преимуществ над другими методами:
  -  полностью исключено окисление диэлектрической жидкости (атмосферным кислородом);
  -  нет необходимости в устройстве осушения воздуха, а также в последующем техобслуживании (проверка и замена влагопоглотителя);
  -  нет необходимости в проведении испытания электрической прочности жидкости в течение 10 лет;
  -  возможна упрощенная защита от внутренних повреждений, посредством устройства DGPT;
  -  простота установки: облегченные и уменьшенные габариты (по сравнению с баками с расширителем для масла), хороший доступ к высоко- и низковольтным клеммам;
  -  немедленное обнаружение (даже малых) утечек масла; вода не может попасть внутрь бака.


Рис B24.jpg


Рис. B24: Герметичный бак с полным заполнением


  • Расширитель для масла с воздушной подушкой при атмосферном давлении

Расширение изолирующей жидкости сопровождается повышением уровня жидкости в расширительном баке, который смонтирован над главным баком трансформатора, как показано на рис. B25. Пространство над жидкостью в расширительном баке может быть заполнено воздухом, который затягивается, когда уровень жидкости падает, и частично выпускается при подъеме уровня жидкости. Когда воздух затягивается из окружающей атмосферы, он проходит через сальник перед тем, как попасть в осушительное устройство (обычно содержащее кристаллы силикагеля), и затем уже попадает в расширительный бак. В некоторых моделях больших трансформаторов пространство между маслом и баком занято герметичным воздушным компенсатором, так что изоляционная жидкость никогда не приходит в контакт с атмосферой. Воздух входит и выходит из деформирующегося воздушного компенсатора через сальник и осушитель, как это было описано выше. Расширительный бак обязателен для трансформаторов номиналом выше 10 МВА (что в настоящее время является верхним пределом для трансформаторов с полным заполнением).


Рис B25.jpg


Рис. B25: Расширитель для масла с воздушной подушкой при атмосферном давлении

Выбор технологии

Как обсуждается выше, можно выбрать трансформатор с жидким диэлектриком или сухой трансформатор. Для номинальных мощностей до 10 МВА можно выбрать герметичные трансформаторы в качестве альтернативы трансформаторам с расширительным баком.

Выбор зависит от ряда факторов, включая:

  • Безопасность людей в непосредственной близости от трансформатора. Может потребоваться учитывать местные правила и официальные рекомендации.
  • Экономические соображения с учетом относительных преимуществ каждого оборудования.

Правила, влияющие на выбор:

  • Сухой трансформатор:

  -  В некоторых странах требуется использовать сухой трансформатор в многоэтажных жилых зданиях.
  -  Использование сухих трансформаторов не ограничивается в других ситуациях.

  • Трансформаторы с жидкой изоляцией:

  -  Как правило, трансформатор этого типа запрещается использовать в многоэтажных жилых зданиях.
  -  Изолирующие жидкости, монтажные ограничения или минимальная защита от риска зависят от класса используемой изоляции.
  -  Некоторые страны, в которые широко распространено использование жидких диэлектриков, определяют несколько классов жидкости по ее пожарной безопасности. Последнее оценивается по двум критериям: температура вспышки и минимальная теплотворность. Основные классы приводятся на Рис. B26, на котором для удобства используются коды классов.
В качестве примера, французский стандарт определяет условия монтажа трансформаторов с жидким диэлектриком. Пока не установлен эквивалентный стандарт МЭК.
Французский стандарт нацелен на обеспечение безопасности людей и имущества и рекомендует, в частности, минимальные меры против риска пожара.

Класс Жидкий диэлектрик Температура вспышки (°C) Мин. теплотворность (МДж/кг)
01 Минеральное масло < 300 -
K1 Углеводороды с высокой плотностью > 300 48
K2 Эфиры > 300 34 - 37
K3 Силиконы > 300 27 - 28
L3 Изолирующие галогенные жидкости - 12


Рис. B26: Классы жидких диэлектриков

Определение оптимальной мощности

Завышение номинальной мощности трансформатора

Это приводит к следующему:

  • Чрезмерные капиталовложения и излишне высокие потери холостого хода.
  • Снижение нагрузочных потерь.

Занижение номинальной мощности трансформатора

Это приводит к следующему:

  • Пониженный КПД при полной нагрузке (максимальный КПД при 50-70% полной нагрузки), работа в оптимальном режиме не достигается.
  • Долговременная перегрузка вызывает тяжелые последствия для:

  -  трансформатора из-за раннего старения изоляции обмоток (это может привести к повреждению изоляции и выходу из строя трансформатора);
  -  установки, если перегрев трансформатора вызывает его отключение защитой.

Определение оптимальной мощности

Чтобы выбрать оптимальную номинальную мощность (кВА) для трансформатора, необходимо выполнить следующее:

  • Составить перечень мощностей установленных ЭП (оборудования), как описывается в главе Общие правила проектирования электроустановок .
  • Определить коэффициент использования для каждого ЭП.
  • Определить продолжительность включения установки с учетом продолжительности нагрузок или перегрузок.
  • В обоснованных случаях, обеспечить компенсацию реактивной мощности в следующих целях:

  -  снижение штрафов в случае тарифов, частично основанных на максимальной потребляемой мощности (кВА);
  -  снижение стоимости заявленного максимума нагрузки (P(кВА) = P (кВт)/cos φ).

  • Выбор из диапазона доступных стандартных мощностей трансформатора с учетом всех возможных будущих расширений установки.

Необходимо обеспечить соответствующее охлаждение трансформатора.