Анализ вопросов применения устройств регулирования силовых трансформаторов

АННОТАЦИЯ

В статье проведен анализ различных переключателей, трансформатор с тремя обмотками со схемой соединения треугольник и звезда. Приведены общие сведения переключателей РПН с реакторным и резисторным ограничением тока и с барабанным и рамочным возбуждением (ПБВ). Более детально описан трёх фазный РПН подключенный на обмотку нагрузки со схемой соединения звезда (РПН типа SDV) и треугольник (РПН серии РС).      

ABSTRACT

This report analyzes various switches, a three-winding transformer with delta and star connections. The general information on OLTC switches with reactor and resistor current limitation and with drum and frame excitation (SWE) is given. A three-phase on-load tap-changer connected to the load winding with a star connection (SDV-type on-load tap-changer) and delta (RS-series on-load tap-changer) is described in more detail.

Ключевые слова: переключатели, осциллография, токоограничивающие реакторы, регулирования нагрузки под напряжением, переключения без возбуждения, гашение дуги, строение контакта, токоограничивающий реактор,  токоограничивающий резистор, вакуумный контактор.

Keywords: switches, oscillography, current limiting reactors, voltage load regulation, switching without excitation, arc extinguishing, contact structure, current limiting reactor, current limiting resistor, vacuum contactor.

Виды переключателей силовых трансформаторов и их осциллография. Виды и строение выключателей. Выключатели силовых трансформаторов предназначены для регулирования напряжения изменяя количество витков в обмотке нагрузки и разделяются на несколько видов по следующим признакам [1, 7, 2].

Классификация выключателей приведена в виде таблицы на рис. 1.

Выключатели отличаются друг от друга по строению, принципу действия, техническим параметрам, а также, многими характеристиками.  

По количеству фаз устройство РПН и ПБВ [1] изготавливаются много фазными и однофазными. В свою очередь однофазные и трёх фазные устройства ПБВ изготавливаются барабанными и реечными. Контакты ПБВ барабанного типа бывают, кольцевые, сегментные или ламельные, а в реечном типе, только ламельные.  

В таблице 1 приведены буквенные обозначения устройств ПБВ [8, 9, 10]. В таблице 1, 2 приведены буквенные обозначения по ГОСТу 24126-80 всех отечественных РПН (кроме электрических параметров).

Таблица 1.

Буквенные обозначения переключающих устройств ПБВ

Таблица 2.

Буквенные обозначения РПН отечественного производства

Например, РНО – регулирует однофазное напряжение при помощи токоограничивающего реактора или РНТ(Р) - регулирует трёхфазное напряжение при помощи токоограничивающего реактора.

В добавок к вышесказанному в буквенные обозначения РПН показанных в таблицах 1, 2 можно внести некоторые изменения в следствии возникновения и гашения электрической дуги.

А-гашение дуги в воздухе;

В-гашение дуги в вакууме;

Г-гашение дуги в газовой среде;

П-преобразования без дуги с помощью полупроводникового прибора;

ПП-прямое регулирования высокого уровня;

Если в названии конструкции нет буквенного изменения, значит гашение дуги производиться в масле.

В дальнейшем мы рассмотрим более детально методы гашения электрической дуги в РПН:

Гашение дуги, система переключение контактов производиться двумя методами:

• Масляная дугогасящая камера (МДК)
• Вакуумная дугогасящая камера (ВДК)

Токоограничивающие РПН изготавливаются с масляной дугогасящей камерой. Основные недостатки такой конструкции громоздкость. В таком случае трансформатор с токоограничивающим реактором РПН заменяется на другие дугогасящие конструкции. Самые распространенные переключающие устройства оптимальной конструкции изготавливаются в Германии и Болгарии. Типы РПН широко применяемые в Германии SAV, SCV и SDV, Болгарии РПН с РС. Буквенные обозначения маркировок представлены ниже.

Например, типы РПН SDV1-630-41/41-W19-N применяемые, в Германии обозначаются следующим образом:

S – устройство переключения

D – трехфазный «треугольник» (А-однофазный, C-трехфазный “звезда”)

V – тяжелый вариант

1 – серия переключающего устройства

630 - номинал ток (А)

41 – класс изоляции РПН (кВ)

41 – класс изоляции обмоток трансформатора (кВ)

W – с возвратом (О-селективный, G-грубой ступени)

19 – цифра состояния

N – умеренный климат (F-холодный, Т-тропический климат)

В дальнейшем рассмотрим своеобразные свойства выше перечисленных типов РПН.

Регулирование напряжения под нагрузкой с помощью токоограничивающего реактора. В таблицах 1 и 2 приведены разные виды устройств регулирования с помощью токоограничивающего реактора:

Например, РНО – регулирует однофазное напряжение при помощи токоограничивающего реактора или РНТ(Р) - регулирует трёхфазное напряжение при помощи токоограничивающего реактора.

В серии РПН с ток ограничением разделяются на виды дополнительно цифирными обозначениями [5,6,8,9]:

Например, однофазный – РНО-9, РНО-17, РНО-18, РНО-20, РНО-21, РНО-22, РНО-23 и РНО-24, трехфазный - РНТ-9, РНТ-17, РНТ-18, РНТ-20, РНТ-21, РНТ-22, РНТ-23 и РНТ-24.

В таблице 3 приведены сведения ряда серий РПН с токоограничивающим реактором. На рисунке 1 приведена схема РПН с токоограничивающим реактором.

Переход напряжения от одной ступени на другую осуществляется по схеме (а-ж) показанный на рис.1.

Рисунок 1. Схема последовательности работы контактов контактора РПН с токоограничивающим реактором:

а) состояние переключения на 3 ступени; б) контакт на правой стороне К₂ открыт; в) П₂ переключается с 3 ступени на 4; г) контакт на правой стороне К₂ закрыт, секции 3-4 реактора закрыты; д) контакт в левой стороне К₁ открыт; е) П₁ переключается с 3 ступени на 4; ж) контакт в левой стороне К₁ закрыт; П₁, П₂ – контакты переключателя; К₁, К₂ – контакты контактора; Р – реактор; I – ток нагрузки

Рассмотрим режим переключения переключающего устройства от 3 к 4 ступени. Первым открывается правый контакт К₂, затем, П₂ переключается с 3 ступени на 4. В это время ток нагрузки потечет по контакту контактора. Затем, контакт К₂ закрывается и ток нагрузки течет по мостовой схеме. Тем временем, ток нагрузки равномерно течет как в нормальном режиме, по двум сторонам реактора, переключающего устройство. В таком случае, появляется токи вихря, который ограничивает токоограничивающий реактор.

Также, контакт К₁ открывается с левой стороны. П₁ переключается с 3 ступени на 4. Левый контакт К₁ закрывается и регулирование перенапряжения завершается.

Следующие виды переключающих устройств считаются самыми распространёнными: РНТ-9, РНТ-13, РНТ-18, РНТ-20 и РНТ-24, самое краткое название РНТ-9 [6]. Рассмотрим конструкцию РНТ-9 (см. рис.2).

Таблица 3.

Переключающие устройства РПН с токоограничивающим реактором

Примечание: - * ПУ, 110 кВ обмотка с нейтралью

                       - ** новые конструкции не принимаются

Рисунок 2. Конструкция трехфазного селективного контактора устройства РПН типа РНТ – 9 – 150/10  

1)    дополнительная муфта; 2) верхний фланец; 3) бумажно-бакелитовая изоляция цилиндра; 4) неподвижный контакт; 5) подвижный контакт разделения; 6) рукоятка подвижного контакта; 7) шайба контакта; 8) изоляционная втулка, прикрепленная к валу; 9) контакт выхода; 10) нижний диск

РНТ-9 работает при невысоких токах и не имеет отдельного контакта, мощность обрыва малая. Это переключающее устройство имеет устройство селективности, установленный на баке, который заполнен диэлектрической жидкостью. Корпус РНТ-9 изготавливаются из бакелитовой бумаги. Внутри него имеются 9 пар контактных поверхностей на каждой фазе неподвижного контакта. Неподвижные контакты А₇, В₇ и С₇ имеют выходные клеммы, которые, соответствуют выходному регулированию. Кроме того, выходные клеммы имеют 2 нулевые клеммы для каждой фазы А₁₂, А₁₃. Эти клеммы связаны друг с другом и нулевой точкой обмотки трансформатора.

Выходной контакт 9 проходит через нулевую клемму. Выходные контакты прикреплены латунной шайбой. Бумажно-бакелитовый цилиндр закреплен стальным фланцем с двух сторон (верхний и нижней). Нижний фланец закрепляется шайбой, а верхний, шайбой с конусообразным срезом. Приводной вал изготавливается из бумажно-бакелитовой ил стальной трубки и изолируется с двух сторон изоляционной втулкой. Подвижный контакт прикрепляется над валом специальной рукояткой. ПУ серии РНТ имеют одинаковый вид, который был описан выше.     

Регулирование напряжения под нагрузкой с помощью токоограничивающего резистора. Принцип действия резисторного РПН похож на принцип действия ПУ реакторного типа. Специфические особенности этого устройства в том, что, в РПН резисторного типа ток нагрузки при нормальных режимах не проходит через шунтирующий резистор. Трансформаторы являются основной частью системы. При замене таких устройств контакты контакторов срабатывают под действием механического воздействия пружины. При этом во время коммутации ток нагрузки протекает через токоограничивающий реактор. Резисторы не предназначены для постоянного через них тока. Резистор предназначен для моментального ограничить протекающий ток по цепи контактов. Управление РПН резисторного типа производится приводным механизмом. Приводной механизм устроен таким образом, что, при неправильной работе контакты РПН не выходит из строя.

На сегодняшний день РПН серии РС (производство Болгария) и серии SAV, SCV, SDV (производство Германия) являются самыми высокоскоростными. В таблице 4 приведены общие типы РПН с однофазным и трехфазным токоограничивающим резистором. Время срабатывания контактов РПН серии РС не превышает 50 мс, а это намного больше времени срабатывания РПН реакторного типа. Переход на ступенях напряжения составляет от 1 до 3 секунд.

Рассмотрим процесс переключение контактов контактора РПН с токоограничивающим резистором, например, ПУ серии РС. На рис.3 приведена схема последовательной работы контактов контактора. Эта схема самая распространенная.

         Таблица 4.

Переключающие устройства РПН с токоограничивающими резисторами

Рисунок 3. Схема последовательной работы контактов контактора РПН с токоограничивающим резисторов

К₁₁, К₁₂, К₂₁, К₂₂ – контакты контактора; П₁, П₂ – переключатель; R₁, R₂ – токоограничивающие резисторы; 2, 3, 4 – ответвления регулировочной обмотки; I_н – ток нагрузки; I_ц –циркулирующий ток

а) При нормальном рабочем режиме основные и вспомогательные контакты К₁₁ и К₁₂ закрыты; б) При этом ток нагрузки не протекает через Тр. Затем П₂ переключается от 2 ступени на 4; в) После переключения П₂ открывается контакт в левом плече системы К₁₂ и ток нагрузки протекает через резистор R₁; г) Затем контакт К₂₁ замыкается. После того как замкнется контакт К₂₁ в мостовой схеме электрической цепи контактной системе потечет циркуляционный ток. Затем открывается контакт К₁₁ и в это время через правое плечо контактной системы потечет ток нагрузки через резистор R₂ (рис.3, д). е) При замыкании контакта К₂₂ ток нагрузки потечет через его цепь и это означает то что, завершился процесс переключения из одной ступени на другую.

Такое направление показывает, что, конструкция резисторного ПУ более сложнее РПН с токоограничивающим реактором. Сопротивление резистора должно включаться к требованиям по качеству и надежности резисторных ПУ.    

Например, для РПН типа РС-3 номинальный ток составляет 400 А, сопротивление резистора 12 Ом.

Для надежной и быстрой работы подвижных частей, устойчивости к механическим воздействиям контактов контактора предъявляются требования к пружинным приводам конструкции ПУ. 

Регулирование напряжения под нагрузкой вакуумным контактором. Многие зарубежные изготовители производят РПН с МДК. Это масло предназначено для гашения дуги в подвижных и неподвижных частях РПН и служит изоляцией, но РПН с МДК не отвечают требованиям пожаробезопасности в сухих силовых трансформаторах. Поэтому для сухих силовых трансформаторов начали изготавливать РПН с ВДК.

В последнее десятилетие резко увеличилось производство РПН с ВДК. Такие устройства применяются в специальных силовых трансформаторах и для различных целей, например, для питания печей, электролиза и др. В 4 таблице приведены 3 виды трехфазных РПН для гашения дуги РНТА-10/400 В, РНТА-35/1000 В и РНТА-110/1250 В. Первый вид ПУ применяется для специальных силовых трансформатор, остальные два типа для в виде электролизных устройств и питания электрических печей. 

Полная конструкция устройства состоит из подборных, основных и вспомогательных контактов контактора. Переключатели устанавливаются внутри бака силового трансформатора, а основные и вспомогательные контакты в отдельном вакуумном баке для того чтобы получать осциллографию.   

На рис.4 показана электрическая схема РПН с ВДК типа РНТА-35/1000 В.

Рисунок 4. Электрическая схема РПН с ВДК типа РНТА-35/1000 В

ВК – вакуумная камера; К₁, К₂, К₃, К₄, К₅, К₆, К₇ – контакты контактора; З – замыкатель; П₁, П₂ – контакты переключателя; ПИ – подобранный; R – токоограничивающий резистор; С – защитный конденсатор.

Контактор К (на схеме показана штрихпунктирной линией) представляет собой, вспомогательные контакты К₆ и К₇ с основными контактами К₁ и К₅ и отделительные контакты с ВДК К₂, К₃, К₄. Основные контакты К₁ и К₅ (замыкатель) предназначены для пропускания тока нагрузки при переключения циклов в рабочем режиме трансформатора.

Контакты К₂, К₃, К₄ могут замыкать и открывать цепь при дополнительном переключении обмоток, а для подготовки к очередному переключению цикла срабатывают вспомогательные контакты К₆ и К₇. Контакты ВДК предназначены для кратковременного переключения рабочего (номинального) тока силового трансформатора, и для этого устанавливаются шунтирующие замыкатели. Открытые замыкателей всегда происходит перед работой контактов ВДК, которые, устанавливаются дополнительно. При замыкании контактов дугогасительной камеры К₂, К₃ и К₄ всегда замыкают последних. Контакты К₆ и К₇ не имеют возможности гашения дуги, только контакты ВДК К₂, К₃ и К₄ могут производить это действие. Эти контакты различаются высокой низкой индукцией и низким сопротивлением. 

Контакты ВДК К₂, К₃ и К₄ работают следующим образом. В процессе переключения открывается один из контактов К₃, К₂ или К₄. При этом закрываются контакты К₂ и К₄ и ток шунтируется через основные контакты К₁ или К₅.

Когда в цепи нет тока, открываются и закрываются дополнительные контакты К₆ и К₇, при этом открыт контакт К₃ ВДК. Для подключения резистора R, приводятся в действие параллельные контакты ВДК К₂ или К₄, которые, подготавливают переключатели П₁ и П₂ к переключению. Защитные конденсаторы служат для защиты контакторов цепи от внутренних и внешних перенапряжений. Если внешнее перенапряжение происходит из-за внешних воздействий, то внутреннее перенапряжение происходит из-за соединения контактов.

Управление РПН с вакуумной камерой так же можно производит через приводной механизм. Переключение контактов ВДК производится крутящимся кулачково-барабанным механизмом. Принцип работы барабана приведена [11, 12]. Барабан подключен к конусообразному передаточному приводу и крутиться с помощью внутреннего горизонтального вала. Поэтому, управление ВДК и соединительных контактов производиться под воздействием рычажной системы.

Одним из производителем РПН с ВДК является Болгария компания Hyundai Heavy Industries. Эта компания является производителем РПН с ВДК серии РСВ с 1998 года [3, 4]. В таблице 5 приведены технические характеристики некоторых переключающих устройств с ВДК серии РС.

Таблица 5.

Переключающие устройства серии РС с ВДК

Список литературы:

1. Алексенко, Г. В. Испытание мощных трансформаторов и реакторов / Г. В. Алексенко, А. К. Ашрятов, Е. А. Веремей, Е. С. Фрид. – 2-е изд., перераб. – М. : Энерrия, 1978. – 520 с., ил. – (Трансформаторы; Вып. 32)
2. Каландаров, Х. У. Применение переключающих устройств в электроэнергетике / Х. У. Каландаров, Г. М. Михеев, Л. Г. Ефремов // Региональная энергетика и электротехника: проблемы и решения : сб. научн. тр. Вып. 11. – Чебоксары : Изд-во Чуваш. ун-та, 2015. – С. 129-138
3. Переключающие устройства: Брошюра. – София Болгария : HHI – B, 2011, – 8 с
4. Переключающие устройства: Основные характеристики и технические данные. ЕА-740. – София Болгария : HHI – B, 2011, – 56 с.
5. Порудоминский, В. В. Трансформаторы с переключением под нагрузкой / В. В. Породуминский. М. – Л. : Энергия, 1965. – 264 с. с черт. – (серия «Трансформаторы», вып. 15).
6. Порудоминский, В. В. Устройства переключения трансформаторов под нагрузкой / В. В. Породуминский. – 2-е изд., перераб. ииспр. – М. : Энергия, 1974. – 288 с. с ил. – (Трансформаторы; Вып. 25)
7. Сапожников, А. В. Конструирование трансформаторов / А. В. Сапожников. М. – Л. : Госэнергоиздат, 1959. – 360 с
8. Фарбман, С. А. Ремонт и модернизация трансформаторов / С. А. Фарбман, А. Ю. Бун, И. М. Райхлин. – 3-е. изд., перераб. и доп. – М. : Энергия, 1976. – 616 с. с ил. – (Трансформаторы; Вып. 29).
9. Фарбман, С. А. Ремонт мощных силовых трансформаторов : Учеб. пособие для повышения квалификации рабочих на производстве / С. А. Фарбман, З. И. Худяков, Г. В. Антонов. – М. : Высшая школа, 1972. – 232 с
10. Филиппишин, В. Я. Монтаж силовых трансформаторов / В.Я. Филиппишин, А. С. Туткевич. – М. : Энергоиздат, 1981. – 432 с., ил. – (Трансформаторы ; Вып. 38)
11. Якобсон, И. Я. Наладка быстродействующих переключающих устройств силовых трансформаторов / И. Я. Якобсон. – М. : Энергия, 1976. – 96 с. с ил. – (Б-ка электромонтера. Вып. 433)
12. Якобсон, И. А. Наладка и эксплуатация переключающих устройств силовых трансформаторов / И. А. Якобсон. – М. : Энергоатомиздат, 1985. – 120 с., ил.– (Б-ка электромонтера ; Вып. 573).