Силовой трёхфазный регулируемый трансформатор для подключения к сетям различного уровня среднего напряжения
POWER THREE-PHASE ADJUSTABLE TRANSFORMER FOR CONNECTION TO NETWORKS OF VARIOUS LEVELS OF MEDIUM VOLTAGE

Изобретение относится к электрическим трансформаторам, а именно к трансформаторам с отводами от катушек или обмотки, предназначенным для электроснабжения потребителей электрической энергией промышленной частоты уровнем напряжения 0,4 кВ, с источниками первичного напряжения уровня напряжения 35, 20, 10 или 6 кВ в зависимости от схемы соединения первичных обмоток трансформатора.
Известен регулируемый силовой трансформатор для стабилизаторов напряжения, выполненный по типу трансформаторов с насыщающимися участками магнитной системы и с обмотками подмагничивания для плавного изменения коэффициента трансформации. Магнитная система трансформатора составлена из трех Ш-образных, то есть трехстержневых, сердечников, крайние стержни одного из которых и средние стержни двух других охватываются первичной обмоткой, тогда как крайние стержни этих двух сердечников несут вторичную обмотку, а средний стержень первого сердечника - обмотку подмагничивания. Сердечники набраны из Ш-обрзного железа (авторское свидетельство SU 108629, МПК H01F 21/08 (2000.01), G05 F 3/06 (2000.01)).
Однако описанный трансформатор используется только с одним уровнем первичного напряжения вследствие регулирования только вторичного напряжения. Кроме того, снижена надежность трансформатора и увеличена сложность его применения в связи с введением обмотки подмагничивания, которая нуждается в подключении к отдельному управляющему устройству.
Известен трехфазный симметричный регулируемый трансформатор, содержащий три стержня, расположенные под углом 120° друг к другу, обмотки на каждом из стержней и обмотки подмагничивания, расположенные по оси симметрии трансформатора. Вся первичная обмотка трансформатора находится в нижнем окне, а вторичная обмотка разделена на две части, одна из которых находится в нижнем окне, а вторая - в верхнем. Трансформатор выполнен с двумя подмагничиваемыми ярмами, образующими звезду, причем обмотки подмагничивания расположены по оси симметрии трансформатора, и каждая из обмоток намагничивает только одно ярмо, представляющее звезду. Трансформатор позволяет производить плавное регулирование вторичного напряжения, а также в широких пределах изменять реактивное сопротивление, если подмагничивается только среднее ярмо (авторское свидетельство SU 233144, МПК B23K 9/00 (2000.01), H01F 29/14 (2000.01), H01F 30/12 (2000.01)).
Основным недостатком описываемого устройства является отсутствие возможности использования в сетях с разным уровнем первичного напряжения вследствие регулирования только вторичного напряжения. Кроме того, изготовление данного трансформатора является трудоемким, так как стержни расположены под углом 120° друг к другу, а его эксплуатация - сложной за счет необходимости разделения вторичной обмотки на две части и использования двух обмоток подмагничивания, которые нуждаются в подключении к отдельным управляющим устройствам.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату - прототипом - является трехфазный регулируемый трансформатор, образованный двумя последовательными трансформаторами, управляемый поочередно в пределах полупериода напряжения коммутацией короткозамкнутых обмоток, осуществляемой тиристорами и коммутирующей емкостью. Трансформатор содержит магнитопровод из трех стержней, имеющих короткозамкнутые обмотки на каждом из них, с соединением обмоток звездой, источник напряжения и нагрузку. При этом короткозамкнутые обмотки каждого последовательного трансформатора соединены звездой и подключены к трехфазной системе выпрямления с нулевым проводом, последовательно с которым включен коммутирующий тиристор, соединенные по катодной цепи с аналогичным тиристором второй короткозамкнутой обмотки. Данный трехфазный регулируемый трансформатор предназначен для использования в системах электроснабжения, в которых предъявляются повышенные требования к регулированию напряжения у потребителей и позволяет регулировать вторичное напряжение путем совместного действия однофазного регулятора и коммутирующей емкости (авторское свидетельство SU 485535, МПК Н02Р 5/28 (2000.01), G05F 1/20 (2000/01).
Основным недостатком данного трехфазного регулируемого трансформатора является отсутствие возможности использования в сетях с разным уровнем первичного напряжения вследствие регулирования только вторичного напряжения при повышенной сложности исполнения ввиду применения электронных устройств для регулирования вторичного напряжения, требующих использования отдельного управляющего устройства.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании силового трехфазного регулируемого трансформатора для подключения к сетям различного уровня среднего напряжения, способного работать при различных уровнях первичного напряжения, а именно: 35 кВ, 20 кВ, 10 кВ, 6 кВ, за счет предложенных соединений первичных обмоток, а также способного обеспечить регулирование вторичного напряжения за счет переключения отводов на обмотке первичного напряжения, предназначенного для электроснабжения потребителей электрической энергией промышленной частоты уровнем напряжения 0,4 кВ.
Решение данной технической проблемы достигается тем, что в силовом трехфазном регулируемом трансформаторе для подключения к сетям различного уровня среднего напряжения, содержащем магнитопровод из трех стержней, имеющих обмотки на каждом из них, с соединением обмоток звездой, источник напряжения, нагрузку, согласно изобретению на каждом стержне магнитопровода обмотки расположены так, что две из них являются обмотками первичного напряжения, одна из которых имеет промежуточные отводы, а другая - обмоткой вторичного напряжения, не имеющей промежуточных отводов. Для подключения трансформатора к сети с уровнем напряжения 35 кВ обмотки первичного напряжения составлены звездой таким образом, что конец каждой ветви однофазной обмотки первичного напряжения соединен с началом каждой ветви однофазной обмотки первичного напряжения с промежуточными отводами, концы ветвей однофазных обмоток первичного напряжения с промежуточными отводами соединены между собой, а начала ветвей однофазных обмоток первичного напряжения соединены с источником напряжения, обмотка вторичного напряжения составлена звездой таким образом, что концы ветвей обмотки вторичного напряжения соединены между собой, а начала ветвей обмотки вторичного напряжения соединены с нагрузкой, Для подключения трансформатора к сети с уровнем напряжения 20 кВ обмотки первичного напряжения составлены треугольником таким образом, что начала ветвей обмоток первичного напряжения с промежуточными отводами соединены с концами ветвей обмоток первичного напряжения, находящимися на соответствующих стержнях, а концы ветвей обмоток первичного напряжения с промежуточными отводами соединены с началами ветвей обмоток первичного напряжения, находящимися на соседних стержнях, а точки соединения этих обмоток связаны с источником напряжения, обмотка вторичного напряжения составлена звездой таким образом, что концы ветвей обмотки вторичного напряжения соединены между собой, а начала ветвей обмотки вторичного напряжения соединены с нагрузкой. Для подключения трансформатора к сети с уровнем напряжения 10 кВ обмотки первичного напряжения составлены звездой таким образом, что концы ветвей обмоток первичного напряжения с промежуточными отводами соединены между собой, начала ветвей обмотки первичного напряжения с промежуточными отводами соединены с нагрузкой, обмотка первичного напряжения разомкнута, а обмотка вторичного напряжения составлена звездой таким образом, что концы ветвей обмотки вторичного напряжения соединены между собой, а начала ветвей обмотки вторичного напряжения соединены с нагрузкой. Для подключения трансформатора к сети с уровнем напряжения 6 кВ обмотки первичного напряжения составлены треугольником из ветвей обмотки первичного напряжения с промежуточными отводами, начала ветвей обмотки первичного напряжения с промежуточными отводами соединены с нагрузкой, обмотка первичного напряжения разомкнута, а обмотка вторичного напряжения составлена звездой таким образом, что концы ветвей обмотки вторичного напряжения соединены между собой, а начала ветвей обмотки вторичного напряжения соединены с нагрузкой.
Способность силового трехфазного трансформатора работать при подключении к сетям с различным уровнем первичного напряжения обусловлена применением двух неодинаковых первичных обмоток с возможностью изменения схемы их соединения, при этом возможны две комбинации соединений: соединение треугольником и соединение звездой. Способность силового трансформатора осуществлять регулирование вторичного напряжения достигается возможностью переключать промежуточные отводы первичных обмоток трансформатора, тем самым изменяя коэффициент трансформации.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема силового трехфазного регулируемого трансформатора для подключения к сетям различного уровня среднего напряжения - 35, 20, 10, 6 кВ; на фиг. 2 - схема соединения первичных обмоток трансформатора для работы с первичным напряжением 35 кВ; на фиг. 3 - схема соединения первичных обмоток трансформатора для работы с первичным напряжением 20 кВ; на фиг. 4 - схема соединения первичных обмоток трансформатора для работы с первичным напряжением 10 кВ; на фиг. 5 - схема соединения первичных обмоток трансформатора для работы с первичным напряжением 6 кВ; на фиг. 6 - схема соединения вторичных обмоток трансформатора.
Силовой трехфазный регулируемый трансформатор для подключения к сетям различного уровня среднего напряжения содержит магнитопровод, состоящий из трех стержней, на каждом из которых расположено по три обмотки. Две обмотки на каждом стержне являются обмотками первичного напряжения, причем одна из них имеет несколько промежуточных отводов, а одна обмотка является обмоткой вторичного напряжения и не имеет промежуточных отводов. Изменением схемы соединения первичных обмоток изменяется рабочее первичное напряжение силового трехфазного регулируемого трансформатора, переключением отводов на первичной обмотке изменяется вторичное напряжение силового трехфазного регулируемого трансформатора.
Первая трехфазная обмотка первичного напряжения 1 состоит из трех одинаковых однофазных обмоток первичного напряжения 2, которые расположены на разных стержнях магнитопровода 3. Однофазные обмотки первичного напряжения 2 выполнены электрически независимыми друг от друга. Каждая из однофазных обмоток первичного напряжения 2 рассчитана на приложение к ней действующего значения напряжения в 14 кВ.
Вторая трехфазная обмотка первичного напряжения 4 состоит из трех одинаковых однофазных обмоток первичного напряжения с отводами 5, которые расположены на разных стержнях магнитопровода 3. Однофазные обмотки первичного напряжения с промежуточными отводами 5 выполнены электрически независимыми друг от друга. Каждая из однофазных обмоток первичного напряжения с промежуточными отводами 5 рассчитана на приложение действующего значения напряжения в 6 кВ. Отводы, наличествующие в однофазной обмотке первичного напряжения с промежуточными отводами 5, предназначены для регулирования вторичного напряжения путем их переключения внешним устройством (на чертеже не показано). Однофазная обмотка первичного напряжения с промежуточными отводами 5 отличается от однофазной обмотки первичного напряжения 2 сечением применяемых проводов и меньшим в 2,33 раза числом витков.
Трехфазная обмотка вторичного напряжения 6 состоит из трех одинаковых однофазных обмоток вторичного напряжения 7, которые расположены на разных стержнях магнитопровода 3. Однофазные обмотки вторичного напряжения 7 выполнены электрически независимыми друг от друга. Каждая из однофазных обмоток вторичного напряжения 7 рассчитана на приложение напряжения в 0,22 кВ. Однофазная обмотка вторичного напряжения 7 отличается от однофазной обмотки первичного напряжения 2 сечением применяемых проводов и меньшим в 63,63 раза числом витков.
Для подключения трансформатора к сети с линейным первичным уровнем напряжения 35 кВ обмотки первичного напряжения составлены звездой таким образом, что каждая ветвь звезды состоит из последовательно соединенных друг с другом однофазной обмотки первичного напряжения 2 и однофазной обмотки первичного напряжения с промежуточными отводами 5 на одном стержне магнитопровода 3. Так, конец каждой ветви однофазной обмотки первичного напряжения 2 соединен с началом каждой ветви однофазной обмотки первичного напряжения с промежуточными отводами 5, концы ветвей однофазных обмоток первичного напряжения с промежуточными отводами 5 замкнуты между собой, а начала ветвей однофазных обмоток первичного напряжения 2 соединены с источником напряжения (на чертеже не показан). Трехфазная обмотка вторичного напряжения 6 составлена звездой таким образом, что концы ветвей каждой из однофазных обмоток вторичного напряжения 7 соединены между собой, а начала ветвей каждой однофазной обмотки вторичного напряжения 7 соединены с нагрузкой.
Силовой трехфазный регулируемый трансформатор для подключения к сетям различного уровня среднего напряжения работает следующим образом при подключении к сети с уровнем напряжения 35 кВ. Напряжение подается на начала однофазных обмоток первичного напряжения 2. При этом на однофазную обмотку первичного напряжения 2 прикладывается напряжение в 14 кВ, а на однофазную обмотку первичного напряжения с промежуточными отводами 5 прикладывается напряжение в 6 кВ. Вторичные обмотки в таком режиме имеют схему соединения - звезда, и на каждой из однофазных обмоток вторичного напряжения 7 возникает напряжение в 0,22 кВ. Линейное вторичное напряжение в таком случае составляет 0,4 кВ. Дополнительное регулирование вторичного напряжения может осуществляться в данном случае при помощи переключения отводов на однофазной обмотке первичного напряжения с промежуточными отводами 5. Данный режим работы силового трехфазного трансформатора является стабильным и может продолжаться неограниченное время.
Для подключения трансформатора к сети с линейным первичным уровнем напряжения 20 кВ обмотки первичного напряжения составлены треугольником таким образом, что каждая ветвь треугольника состоит из последовательно соединенных друг с другом однофазной обмотки первичного напряжения 2 и однофазной обмотки первичного напряжения с промежуточными отводами 5 на одном стержне магнитопровода 3. Начала ветвей обмоток первичного напряжения с промежуточными отводами 5 соединены с концами ветвей однофазных обмоток первичного напряжения 2, находящимися на соответствующих стержнях, концы ветвей однофазных обмоток первичного напряжения с промежуточными отводами 5 соединены с началами ветвей однофазных обмоток первичного напряжения 2, находящимися на соседних стержнях, а точки соединения этих обмоток связаны с источником напряжения. Трехфазная обмотка вторичного напряжения 6 составлена по схеме звезда таким образом, что концы ветвей каждой из однофазных обмоток вторичного напряжения 7 соединены между собой, а начала ветвей каждой однофазной обмотки вторичного напряжения 7 соединены с нагрузкой.
Силовой трехфазный регулируемый трансформатор для подключения к сетям различного уровня среднего напряжения работает следующим образом при подключении к сети с уровнем напряжения 20 кВ. Напряжение подается на точки соединения концов ветвей однофазных обмоток первичного напряжения с промежуточными отводами 5 с началами ветвей однофазных обмоток первичного напряжения 2, находящимися на соседних стержнях. При этом на однофазную обмотку первичного напряжения 2 прикладывается напряжения в 14 кВ, а на однофазную обмотку первичного напряжения с промежуточными отводами 5 прикладывается напряжение в 6 кВ. На каждой из однофазных обмоток вторичного напряжения 7 возникает напряжение в 0,22 кВ. Линейное вторичное напряжение в таком случае составляет 0,4 кВ. Дополнительное регулирование вторичного напряжения может осуществляться в данном случае при помощи переключения отводов на однофазной обмотке первичного напряжения с промежуточными отводами 5. Данный режим работы силового трехфазного трансформатора является стабильным и может продолжаться неограниченное время.
Для подключения трансформатора к сети с линейным первичным уровнем напряжения 10 кВ обмотки первичного напряжения составлены звездой таким образом, что каждая ветвь звезды состоит из однофазной обмотки первичного напряжения с промежуточными отводами 5. Концы ветвей обмоток первичного напряжения с промежуточными отводами 5 замкнуты между собой, начала ветвей обмотки первичного напряжения с промежуточными отводами 5 соединены с нагрузкой, однофазная обмотка первичного напряжения 2 разомкнута. Трехфазная обмотка вторичного напряжения 6 составлена звездой таким образом, что концы ветвей обмотки вторичного напряжения 7 соединены между собой, а начала ветвей обмотки вторичного напряжения 7 соединены с нагрузкой.
Силовой трехфазный регулируемый трансформатор для подключения к сетям различного уровня среднего напряжения работает следующим образом при подключении к сети с уровнем напряжения 10 кВ. Напряжение подается на начала однофазных обмоток первичного напряжения с промежуточными отводами 5. При этом на однофазную обмотку первичного напряжения с промежуточными отводами 5 прикладывается напряжение в 6 кВ. Однофазные обмотки первичного напряжения 2 в данном режиме работы разомкнуты и не имеют электрического соединения ни между собой, ни с однофазными обмотками первичного напряжения с промежуточными отводами 5. На каждой из однофазных обмоток вторичного напряжения 7 возникнет напряжение в 0,22 кВ. Линейное вторичное напряжение в таком случае составляет 0,4 кВ. Дополнительное регулирование вторичного напряжения может осуществляться в данном случае при помощи переключения отводов на обмотке первичного напряжения промежуточными с отводами 5. Данный режим работы силового трехфазного трансформатора является стабильным и может продолжаться неограниченное время.
Для подключения трансформатора к сети с линейным первичным уровнем напряжения 6 кВ обмотки первичного напряжения составлены треугольником, каждая ветвь которого состоит из однофазной обмотки первичного напряжения с промежуточными отводами 5. Так, обмотки первичного напряжения составлены треугольником из ветвей обмотки первичного напряжения с промежуточными отводами 5, начала ветвей обмотки первичного напряжения с промежуточными отводами 5 соединены с нагрузкой, однофазные обмотки первичного напряжения 1 и 2 разомкнуты и не имеют электрического соединения ни между собой, ни с однофазными обмотками первичного напряжения с промежуточными отводами 5. Обмотка вторичного напряжения 6 составлена звездой таким образом, что концы ветвей обмотки вторичного напряжения 7 соединены между собой, а начала ветвей обмотки вторичного напряжения 7 соединены с нагрузкой.
Силовой трехфазный регулируемый трансформатор для подключения к сетям различного уровня среднего напряжения работает следующим образом при подключении к сети с уровнем напряжения 6 кВ. На однофазную обмотку первичного напряжения с промежуточными отводами 5 прикладывается напряжение в 6 кВ. На каждой из однофазных обмоток вторичного напряжения 7 возникнет напряжение в 0,22 кВ. Линейное вторичное напряжение в таком случае составляет 0,4 кВ. Дополнительное регулирование вторичного напряжения может осуществляться в данном случае при помощи переключения отводов на обмотке первичного напряжения с промежуточными отводами 5. Данный режим работы силового трехфазного трансформатора является стабильным и может продолжаться неограниченное время.
Силовой трехфазный регулируемый трансформатор для подключения к сетям различного уровня среднего напряжения предназначен для работы в составе систем энергоснабжения, причем такой трансформатор является мобильным и используется для обеспечения энергоснабжения потребителей в условиях выхода из строя основного трансформаторного оборудования любого из классов среднего напряжения 6-35 кВ, а также для питания переносных электроприемников в условиях ликвидации аварий и других нарушений нормального режима в электроэнергетических системах в условиях отсутствия в непосредственной близости к месту работ источников питания для электроснабжения вышеупомянутых потребителей.
Таким образом, при помощи предлагаемого силового трехфазного регулируемого трансформатора для подключения к сетям различного уровня среднего напряжения возможно осуществлять присоединение к сетям с различным уровнем среднего напряжения посредством изменения схемы соединения первичных обмоток, что обеспечивает его высокую надежность в эксплуатации и широкий спектр задач, где требуется его применение.
Эффективность применения предлагаемого силового трехфазного регулируемого трансформатора для подключения к сетям различного уровня среднего напряжения заключается в построении на базе единого магнитопровода, состоящего из трех стержней, трансформатора, способного работать на любом из наиболее распространенных уровне среднего напряжения для сетей с изолированной нейтралью, применяющихся в Единой энергетической системе России.