Каскадный трансформатор напряжения

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при производстве каскадных измерительных трансформаторов напряжения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является каскадный трансформатор напряжения индуктивного типа (патент РФ на полезную модель №10935, опубл. 16.08.1999, МПК H01F 27/00), состоящий из нескольких ступеней. Каждая ступень включает в себя полый фарфоровый изолятор, торцевые поверхности которого закрыты сверху и снизу металлическими фланцами. Внутри изолятора располагается активная электромагнитная часть, состоящая из двух модулей, закрепленных к нижнему и верхнему фланцам соответственно. Каждый модуль представляет собой трансформатор с собственным магнитопроводом и обмотками, выводы которых соединены с выводами обмоток соседних модулей.
Недостатком настоящего технического решения является узкая область применения вследствие относительно невысокой номинальной мощности.
Техническая задача предлагаемой полезной модели заключается в оптимизации параметров уравнительных обмоток каскадного трансформатора.
Технический результат заключается в расширении области применения каскадного трансформатора напряжения за счет повышения номинальной мощности каскадного трансформатора вследствие уменьшения напряжения короткого замыкания.
ур2N-1
Это достигается тем, что в известном каскадном трансформаторе напряжения, выполненном N-ступенчатым и содержащим последовательно соединенные первую ступень, n промежуточных ступеней и последнюю N-ю ступень, причем каждая из ступеней выполнена в виде нижнего и верхнего модулей так, что нижний модуль первой ступени является первым, верхний модуль первой ступени является вторым, нижний модуль каждой n-й промежуточной ступени является (2n-1)-м, а ее верхний модуль является 2n-м, нижний модуль последней N-й ступени является (2N-1)-м, верхний модуль последней N-й ступени является 2N-м, при этом каждый модуль представляет собой трансформатор с бронестержневым магнитопроводом и обмотками, нижний модуль первой ступени содержит высоковольтную обмотку, внутренний вывод X которой заземлен, вторичную обмотку, выводы которой подключены к нагрузке, и внешнюю уравнительную обмотку, верхний модуль последней N-й ступени содержит высоковольтную обмотку, внутренний вывод X которой подключен к фазному проводу питающей сети и внешнюю уравнительную обмотку, остальные модули выполнены идентично, и каждый из них содержит собственную высоковольтную обмотку, внешнюю и внутреннюю уравнительные обмотки, при этом высоковольтные обмотки, расположенные в одной ступени, соединены между собой своими внешними выводами А, внутренний вывод X высоковольтной обмотки нижнего модуля каждой ступени, кроме первой, соединен с внутренним выводом X высоковольтной обмотки верхнего модуля соседней ступени с образованием первичной обмотки каскадного трансформатора напряжения, при этом внутренний вывод X высоковольтной обмотки верхнего модуля последней N-й ступени является также высоковольтным выводом первичной обмотки каскадного трансформатора напряжения, внутренний вывод X высоковольтной обмотки нижнего модуля первой ступени является также заземляемым выводом первичной обмотки каскадного трансформатора напряжения, выводы внешней уравнительной обмотки верхнего модуля каждой ступени соединены с выводами внешней уравнительной обмотки нижнего модуля данной ступени с образованием пары внешних уравнительных обмоток, выводы внутренней уравнительной обмотки нижнего модуля каждой ступени соединены с выводами уравнительной обмотки верхнего модуля предшествующей ступени с образованием пары внутренних уравнительных обмоток, при этом сечения A пары внешних уравнительных обмоток последней N-й ступени выбраны, как
1
где S - номинальная мощность каскадного трансформатора напряжения,
ур
U - напряжение внешних и внутренних уравнительных обмоток,
N - количество ступеней каскадного трансформатора напряжения,
max
J - допустимая плотность тока,
сечения остальных пар внешних уравнительных обмоток, соединяющих произвольные модули (2n-1) и 2n, выбраны как
сечения пар внутренних уравнительных обмоток, соединяющих произвольные модули 2n и 2n+1, выбраны как
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная электрическая схема N-ступенчатого каскадного трансформатора напряжения. На схеме приведены первая ступень, некоторая промежуточная n-я ступень и последняя N-я ступень каскадного трансформатора напряжения.
Каскадный трансформатор напряжения выполнен N-ступенчатым и содержит последовательно соединенные первую ступень 1, n промежуточных ступеней 2 и последнюю N-ю ступень 3. Каждая из ступеней выполнена в виде нижнего и верхнего модулей так, что нижний модуль 4 первой ступени 1 является первым, верхний модуль 5 первой ступени 1 является вторым, нижний модуль 6 каждой n-й промежуточной ступени 2 носит порядковый номер (2n-1), а ее верхний модуль 7 носит порядковый номер 2n, нижний модуль 8 последней N-й ступени 3 носит порядковый номер (2N-1), верхний модуль 9 последней N-й ступени 3 носит порядковый номер 2N. При этом каждый модуль представляет собой трансформатор с бронестержневым магнитопроводом и обмотками.
Нижний модуль 4 первой ступени 1 содержит высоковольтную обмотку 10, внутренний вывод X которой заземлен, вторичную обмотку 11, выводы которой подключены к нагрузке 12, и внешнюю уравнительную обмотку 13. Верхний модуль 9 последней N-й ступени 3 содержит высоковольтную обмотку 14, внутренний вывод X которой подключен к фазному проводу 15 питающей сети, и внешнюю уравнительную обмотку 16.
Остальные модули выполнены идентично, и каждый из них содержит собственную высоковольтную обмотку, внешнюю и внутреннюю уравнительные обмотки. Так, верхний модуль 5 первой ступени 1 содержит высоковольтную обмотку 17, внешнюю 18 и внутреннюю 19 уравнительные обмотки. Нижний модуль 6 каждой n-й промежуточной ступени 2 содержит высоковольтную обмотку 20, внешнюю 21 и внутреннюю 22 уравнительные обмотки. Верхний модуль 7 каждой n-й промежуточной ступени 2 содержит высоковольтную обмотку 23, внешнюю 24 и внутреннюю 25 уравнительные обмотки. Нижний модуль 8 последней N-й ступени 3 содержит высоковольтную обмотку 26, внешнюю 27 и внутреннюю 28 уравнительные обмотки.
Высоковольтные обмотки, расположенные в одной ступени, соединены между собой своими внешними выводами А. Так, внешний вывод А высоковольтной обмотки 10 нижнего модуля 4 первой ступени 1 соединен с внешним выводом А высоковольтной обмотки 17 верхнего модуля 5 первой ступени 1. Внешний вывод А высоковольтной обмотки 20 нижнего модуля 6 каждой n-й промежуточной ступени 2 соединен с внешним выводом А высоковольтной обмотки 23 верхнего модуля 7 каждой n-й промежуточной ступени 2. Внешний вывод А высоковольтной обмотки 26 нижнего модуля 8 последней N-й ступени 3 соединен с внешним выводом А высоковольтной обмотки 14 верхнего модуля 9 последней N-й ступени 3.
Внутренний вывод X высоковольтной обмотки нижнего модуля каждой ступени (кроме первой) соединен с внутренним выводом X высоковольтной обмотки верхнего модуля соседней ступени. Такое последовательное соединение высоковольтных обмоток всех модулей образует первичную обмотку каскадного трансформатора напряжения. Так, внутренний вывод X высоковольтной обмотки 26 нижнего модуля 8 последней N-й ступени 3 соединен с внутренним выводом X высоковольтной обмотки 23 верхнего модуля 7 соседней n-й промежуточной ступени 2 (n в данном случае равно N-1). Внутренний вывод X высоковольтной обмотки 20 нижнего модуля 6 (N-1)-й промежуточной ступени соединен с внутренним выводом X высоковольтной обмотки верхнего модуля соседней с ней (N-2)-й промежуточной ступени и т.д. Внутренний вывод X высоковольтной обмотки 17 верхнего модуля 5 первой ступени 1 соединен с внутренним выводом X высоковольтной обмотки 20 нижнего модуля 6 соседней n-й промежуточной ступени 2 (n в данном случае равно 2).
При этом внутренний вывод X высоковольтной обмотки 14 верхнего модуля 9 последней N-й ступени 3 является также высоковольтным выводом первичной обмотки каскадного трансформатора напряжения, внутренний вывод X высоковольтной обмотки 10 нижнего модуля 4 первой ступени 1 является также заземляемым выводом первичной обмотки каскадного трансформатора напряжения.
Выводы внешней уравнительной обмотки верхнего модуля каждой ступени соединены с выводами внешней уравнительной обмотки нижнего модуля данной ступени с образованием пары внешних уравнительных обмоток. Выводы внешней уравнительной обмотки 18 верхнего модуля 5 первой ступени 1 соединены с выводами внешней уравнительной обмотки 13 нижнего модуля 4 первой ступени 1. Выводы внешней уравнительной обмотки 24 верхнего модуля 7 каждой n-й промежуточной ступени 2 соединены с выводами внешней уравнительной обмотки 21 нижнего модуля 6 данной n-й промежуточной ступени 2. Выводы внешней уравнительной обмотки 16 верхнего модуля 9 последней N-й ступени 3 соединены с выводами внешней уравнительной обмотки 27 нижнего модуля 8 последней N-й ступени 3.
Выводы внутренней уравнительной обмотки нижнего модуля каждой ступени соединены с выводами внутренней уравнительной обмотки верхнего модуля предшествующей ступени с образованием пары внутренних уравнительных обмоток. Так, выводы внутренней уравнительной обмотки 28 нижнего модуля 8 последней N-й ступени 3 соединены с выводами внутренней уравнительной обмотки 25 верхнего модуля 7 соседней n-й промежуточной ступени 2 (n в данном случае равно (N-1). Выводы внутренней уравнительной обмотки 22 нижнего модуля 6 (N-1)-й промежуточной ступени соединены с выводами внутренней уравнительной обмотки верхнего модуля соседней с ней (N-2)-й промежуточной ступени и т.д. Выводы внутренней уравнительной обмотки 19 верхнего модуля 5 первой ступени 1 соединены с выводами внутренней уравнительной обмотки 22 нижнего модуля 6 соседней n-й промежуточной ступени 2 (n в данном случае равно 2).
ур2N-1
Сечения A пары внешних уравнительных обмоток последней N-й ступени выбраны, как
1
где S - номинальная мощность каскадного трансформатора напряжения,
ур
U - напряжение внешних и внутренних уравнительных обмоток,
N - количество ступеней каскадного трансформатора напряжения,
max
J - допустимая плотность тока.
Сечения остальных пар внешних уравнительных обмоток, соединяющих произвольные модули (2n-1) и 2n, выбраны как
сечения пар внутренних уравнительных обмоток, соединяющих произвольные модули 2n и (2n+1), выбраны как
Каскадный трансформатор напряжения работает следующим образом.
От фазного провода 15 питающей сети напряжение прикладывается к внутреннему выводу X высоковольтной обмотки 14 верхнего модуля 9 последней N-й ступени 3 каскадного трансформатора напряжения и распределяется по высоковольтным обмоткам 14, 26, 23, 20, 17, 10 всех модулей. При подключении нагрузки 12 ко вторичной обмотке 11 каскадного трансформатора напряжения в его внешних 16, 27, 24, 21, 18, 13 и внутренних 28, 25, 22, 19 уравнительных обмотках наводятся токи, благодаря чему осуществляется равномерное распределение приложенного напряжения по высоковольтным обмоткам 14, 26, 23, 20, 17, 10 всех модулей.
2n-1
вн2n-1
При обозначении на схеме токов, протекающих по паре соединенных уравнительных обмоток, расположенных в соседних k и (k+1)-м модулях, где k - порядковый номер произвольного модуля, используется меньший порядковый номер, принадлежащий одному из двух этих модулей (т.е. номер k-ото модуля). Например, по паре уравнительных обмоток, расположенных в k=(2n-1)-м и (k+1)=(2n)-м модулях протекает ток I. Аналогичный индекс используется при обозначении напряжения U между точкой соединения высоковольтных обмоток соседних модулей и землей.
1
обм
маг
мп
Полная мощность S, поступающая с фазного провода 15 в каскадный трансформатор напряжения, передается в нагрузку 12. При использовании допущения об отсутствии активных потерь во внешних и внутренних уравнительных и высоковольтных обмотках ΔP и магнитопроводах ΔP и расходах реактивной мощности на создание магнитных полей ΔQ, потери полной мощности в каскадном трансформаторе напряжения ΔS равны нулю:
2
при этом поступающая в нагрузку мощность S равна всей мощности, потребляемой каскадным трансформатором напряжения из сети:
2n-1
вн
вн2n-1
ур
ур2n-1
Полная мощность S, передаваемая по трехпроводной системе в (2n-1)-й модуль из расположенного выше 2n-го модуля, определяется током в первичной обмотке каскадного трансформатора напряжения I, напряжением на внешнем выводе А высоковольтной обмотки (2n-1)-го модуля U, напряжением уравнительных обмоток U и током в уравнительных обмотках I, расположенных в 2n и (2n-1)-м модулях:
Далее по тексту индексом k обозначается также порядковый номер пары внутренних или внешних уравнительных обмоток, соединяющих k-й и (k+1)-й модули. Выражение (1) полной мощности на входе в (2n-1)-й модуль справедливо для любого k-го модуля:
Сумма в правой части равенства указывает на то, что передача мощности в каскадном трансформаторе напряжения осуществляется по двум каналам: по системе проводников «первичная обмотка - земля» и по уравнительным обмоткам. Два канала передачи мощности задействуются неодинаково в зависимости от порядковых номеров соединенных модулей. Чем больше порядковые номера соединенных модулей, тем выше напряжение на внутренних X и внешних А выводах высоковольтных обмоток, расположенных в данных модулях, и больше доля мощности, передаваемая по первичной обмотке каскадного трансформатора напряжения, и, следовательно, меньше доля мощности, передаваемая по уравнительным обмоткам. В связи с указанным обстоятельством, целесообразно варьировать сечение уравнительных обмоток в зависимости от порядковых номеров соединенных модулей.
На входе в верхний модуль 9 последней N-й ступени 3 вся мощность передается по высоковольтной обмотке 14. Это позволяет оценить ток в первичной обмотке каскадного трансформатора напряжения:
вн2N
Приложенное к каскадному трансформатору напряжение U распределяется равномерно по первичной обмотке, следовательно, напряжение между выводом высоковольтной обмотки произвольного k-го модуля и землей (для нижнего модуля это внешний вывод А, для верхнего модуля это внутренний вывод X):
Доля мощности, поступающей в k-й модуль по каналу «первичная обмотка - земля»:
Остальная часть мощности передается в k-й модуль по уравнительным обмоткам:
k
1
С учетом сделанного допущения об отсутствии потерь мощности в трансформаторе (S=S):
ур
Каскадный трансформатор напряжения, рассматриваемый в рамках данной полезной модели предполагает одинаковое напряжение уравнительных обмоток U, которое определяется числом витков во внутренних и внешних уравнительных обмотках. По известному значению полной мощности через k-ю пару уравнительных обмоток рассчитывается ток в этой паре обмоток:
ур
1
Таким образом, ток в любой уравнительной обмотке каскадного трансформатора напряжения определяется напряжением уравнительных обмоток U, номинальной мощностью трансформатора S и различается в зависимости от порядкового номера модуля.
Формула (2) позволяет получить отношение тока в k-й паре уравнительных обмоток к току в паре внешних уравнительных обмоток (2N-1), соединяющих модули последней N-й ступени 3:
ур2N-1
Таким образом, отношения токов во всех внутренних и внешних уравнительных обмотках каскадного трансформатора не зависят от параметров трансформатора. Минимальный ток I протекает по внешним уравнительным обмоткам последней N-й ступени 3. Токи в остальных уравнительных обмотках кратны минимальному току в соответствии с выражением:
max
Оптимальное сечение пары внешних уравнительных обмоток, соединяющих модули последней N-й ступени 3, рассчитывается как отношение тока в этой паре уравнительных обмоток, определенного по формуле (2) к допустимому по условию отвода от обмоток джоулева тепла значению плотности тока J:
max
Сечения остальных внешних и внутренних уравнительных обмоток, обеспечивающие допустимую плотность тока J, связаны следующим соотношением с сечением пары внешних уравнительных обмоток последней N-й ступени 3:
max
Таким образом, получены сечения внешних и внутренних уравнительных обмоток, обеспечивающие равную плотность тока в этих обмотках. Выбор сечений внешних и внутренних уравнительных обмоток по формулам (3) и (4) в соответствии с допустимой плотностью тока J обеспечивает минимальный радиальный размер обмоток, что приводит к сокращению каналов рассеяния обмоток и, как следствие, к уменьшению напряжения короткого замыкания каскадного трансформатора напряжения, что в итоге приводит к повышению номинальной мощности каскадного трансформатора. Повышение номинальной мощности каскадного трансформатора напряжения позволяет использовать его для питания собственных нужд подстанций в соответствии с п. 9.1.1 СТО 56947007-29.240.10.248-2017 «Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ». К дополнительным преимуществам полезной модели можно отнести экономию обмоточного провода.
Использование полезной модели позволяет расширить область применения каскадного трансформатора напряжения за счет возможности использования его для питания собственных нужд подстанций, что достигается за счет повышения номинальной мощности каскадного трансформатора вследствие уменьшения напряжения короткого замыкания.