РПН трансформатора: расшифровка, схема, принцип действия и устройство

Расшифровка

Что такое РПН

РПН называют устройство регулирования напряжения под нагрузкой. Данный блок позволяет изменять характеристики напряжения агрегата без отключения трансформатора.

Иногда характеристики сети требуется изменить в процессе эксплуатации, не отключая агрегат, или параметры варьируются в ходе подачи тока. Чтобы обеспечить надлежащий режим подачи напряжения в трансформаторах применяется РПН.

В зависимости от напряжения и мощностных характеристик трансформатора, РПН может изменять коэффициент трансформации от 10 до 16 процентов.

Классификация

Различают несколько типов РПН, отличающихся следующими характеристиками:

• разновидностью токоограничивающего элемента – с реакторами или резисторами;
• наличием или отсутствием контактора;
• количеством фаз – однофазные и трёхфазные;
• типом токовой коммутации.

Расшифровка маркировки для РПН типа UBB…
В зависимости от способа коммутации тока, существуют следующие разновидности устройств:

• дуга разрывается в объёме, заполненном трансформаторным маслом – устройство предполагает использование дугогасительных контактов, не требующих применения специальных элементов для гашения дуги;
• дуга разрывается в разреженном пространстве – предполагают использование вакуумных дугогасительных камер, производимых промышленным способом;
• отключение производится посредством тиристоров, бездуговым способом;
• комбинированные способы – с сочетанием различных типов коммутации.

Чтобы обеспечить безопасность и функциональность РПН, они снабжаются автоматическими контролирующими элементами и регуляторами напряжения.

Кроме указанных устройств, для изменения характеристик напряжения в мощных агрегатах могут применяться специальные вольтодобавочные трансформаторы. Данное оборудование подключается последовательно и используется вместе с основным агрегатом в качестве вспомогательного. Но указанный способ не получил широкого применения в связи с дороговизной и высокой сложностью схемы.

Виды РПН

Существует несколько видов регулировки под напряжением, среди которых выделяется:

1. РПН с токоограничительными реакторами. Это анцапфа трансформатора старого образца, которая предполагает наличие двух контакторов и реактора. При проведении операции два контакта замыкаются накоротко до перехода на другое положение. Для ограничения негативного воздействия используется реактор.
2. РПН с ограничительными резисторами. Применяется на новых трансформаторных подстанциях. В методе задействован триггерный контактор, что предполагает изменение количества витков через пружину. Это сокращает время трансформирования уровня напряжения и негативный эффект для оборудования.

Особенности конструкции, принцип действия

РПН, не смотря на характер действия и выполняемую функцию, не следует относить к реле. Но данное устройство отличается простым принципом действия.
Система переключающего устройства

На каждой из фаз трансформатора устанавливаются по два подвижных контакта. Один из них прижат к витку катушки, обеспечивающему заданную величину напряжения. При переводе, второй контакт прижимается к витку, изменяющему указанное значение. Включение может производиться вручную или с использованием привода.

Конструкция устройства отличается, в зависимости от его типа. Но основной принцип предполагает изменение количества работающих витков на первичной катушке трансформатора.

Что такое ПБВ?

ПБВ трансформатора – это устройство для переключения трансформатора без возбуждения после полного отключения агрегата. Переключатель ПБВ трансформатора позволяет выполнять гибкую регулировку для достижения требуемых характеристик токопотребляющего оборудования.

ПБВ — переключение без возбуждения

ПБВ используют при изменении сезонной нагрузки. Как было указано выше, для переключения обязательным условием является вывод всего трансформатора в ремонт, то есть переключение происходит на отключённом и заземлённом со всех сторон трансформаторе. Разумеется, делать такие переключения слишком часто не представляется возможным.

Особенностью таких устройств является то, что диапазон регулирования коэффициента трансформации от -5% до +5%.

Количество ответвлений обмоток может быть разным. Для маломощных трансформаторов число ответвлений может равняться двум. Мощные трансформаторы могут иметь четыре ответвления.

Обычно ответвления обмоток располагают на стороне высокого напряжения. Такое расположение имеет следующие преимущества:

• Подобрать количество витков можно с наибольшей точностью.
• Переключатель имеет меньшие габаритные размеры за счёт меньшего тока (чем если бы стоял на стороне низкого напряжения).

Конструкция ПБВ достаточно проста. Переключение производится с помощью соединения контактного кольца с контактами ответвлений обмоток. Для обеспечения их надлежащего контакта применяется специальное пружинное устройство. Недостатком такого переключателя является окисление контактов с течением времени.

Повышенное переходное сопротивление вызывает нагрев контакта и меняет свойства масла. С течением времени это может привести к повреждению трансформатора. Чтобы не допустить повреждения ПБВ, его периодически, один раз в полгода, выводят в ремонт и переключают во всех положениях. Такая операция должна выполняться, даже если трансформатор длительно находился на хранении.

Примечание. К ПБВ относятся устройства, отличающиеся от описанной конструкции, а также так называют способ переключения в трансформаторах, в которых переключателя как такового нет, а ответвления переключаются с помощью перемычек.

Достоинства применения ПБВ:

• Улучшение энергоснабжения токопортебителей;
• Увеличение допустимых потерь напряжения;
• Простота и надежность конструкции.

К недостаткам регулирования без нагрузки относят необходимость отключения трансформатора и высокий риск окисления замыкающих контактов при редкой эксплуатации.

Требования безопасности и охрана окружающей среды

Общие технические условия для силовых трансформаторов приведены в. ГОСТ включает в себя технические требования, требования безопасности, включая требования пожарной безопасности, требования охраны окружающей среды, указания по эксплуатации, транспортирование и хранение. Требования безопасности, должны так же соответствовать . По стандарту выполняется заземление баков трансформаторов.

Степень защиты трансформаторов определяет стандарт . В нем говорится, что все трансформаторы, кроме встроенных, должны выполняться с 1 или 2 классом защиты и иметь степень защиты не ниже IP20. Стационарные трансформаторы, в свою очередь, допускается изготовлять со степенью защиты IP00. Система стандартов приводит требования по утилизации трансформатора. В нем описан следующий ряд действий:

• трансформаторное масло следует слить и отправить на регенерацию;
• металлические составляющие трансформатора необходимо сдать на переработку;
• фарфоровые изоляторы, электрокартон, резиновые уплотнения нужно отправить на полигон твердых бытовых отходов.

Струйная защита бака РПН

Силовые трансформаторы 110 кВ имеют, как правило, встроенное устройство регулировки напряжения под нагрузкой (РПН).

Устройство РПН находится в отдельном отсеке бака трансформатора, изолированного от основного бака с обмотками. Поэтому для данного устройства предусмотрено отдельное защитное устройство — струйное реле.

Все повреждения внутри бака РПН сопровождаются выбросом трансформаторного масла в расширитель, поэтому в случае наличия потока масла мгновенно срабатывает струйная защита, осуществляя автоматическое отключение силового трансформатора от электрической сети.

Ремонт переключающих устройств (РПН трансформатора)

При ремонте устройств переключения без возбуждения (ПБВ) тщательно осматривают все контактные соединения переключателя и отводов; определяют плотность прилегания контактов, проверяя зазор между ламелями щупом; измеряют переходное электрическое сопротивление.

Особое внимание обращают на состояние контактной поверхности.

При наличии подгаров или оплавлений устройство заменяют (в зависимости от характера или степени повреждения устройство иногда восстанавливают).

Для удаления налета, образующегося при работе в масле, контактную часть переключателя тщательно протирают технической салфеткой, смоченной в ацетоне или бензине. Остальную часть устройства промывают чистым трансформаторным маслом.

При ремонте переключающих устройств регулирования под нагрузкой (РПН) кроме общих работ по очистке, протирке и промывке наружных и внутренних поверхностей деталей и частей устройства проверяют контактные поверхности избирателя ступеней, контакторов и электрической части приводного механизма. Подгоревшие контакты избирателя, главные контакты контактора и привода тщательно зачищают и проверяют на плотность прилегания, после чего выясняют и устраняют причину подгорания.

Отказ в работе привода переключателя может быть вызван попаданием влаги из-за плохой герметичности дверцы шкафа, а также из-за значительных люфтов соединительных валов. Выявленные дефекты устраняют. Со дна бака контактора удаляют осадки, оставшиеся после слива масла, а также выполняют другие работы в соответствии с инструкцией по эксплуатации устройства РПН.

Защита РПН

Для обеспечения штатной работы устройства применяется газовая защита. Выполняется дополнительная ёмкость (расширитель), соединённая с основной масляной средой трансформатора специальным каналом, в котором установлено реле и сигнальный элемент.

При незначительном газообразовании сигнальный элемент указывает на снижение уровня масла. В случае выброса, расширившееся масло вытесняется в расширитель. Если интенсивность выброса достигает установленного значения, срабатывает реле, отключая трансформатор. Таким способом предохраняется от разрушения контакторы РПН.

Переключение без нагрузки

Схема работы переключателя ответвлений

Данный тип переключения используется во время сезонных переключений, так как предполагает отключение трансформатора от сети, что невозможно делать регулярно, не лишая потребителей электроэнергии. ПБВ позволяет изменить коэффициент трансформации в пределах от −5 % до +5 %. На маломощных трансформаторах выполняется с помощью двух ответвлений, на трансформаторах средней и большой мощности с помощью четырёх ответвлений по 2,5 % на каждое.

Ответвления чаще всего выполняются на той стороне, напряжение на которой в процессе эксплуатации подвергается изменениям. Обычно это сторона высшего напряжения. Выполнение ответвлений на стороне высшего напряжения имеет также то преимущество, что при этом, ввиду большего количества витков, отбор ±2,5 % и ±5 % количества витков может быть произведён с большей точностью. Кроме того, на стороне высшего напряжения величина силы тока меньше, и переключатель получается более компактным  . При этом надо заметить, что у понижающих трансформаторов (питание подводится со стороны обмотки высшего напряжения) регулирование напряжения будет сопровождаться изменением магнитного потока в магнитопроводе. В нормальном режиме это изменение незначительно.

Регулирование напряжения переключением числа витков обмотки со стороны питания и со стороны нагрузки имеет разнохарактерный вид: при регулировании напряжения изменением числа витков на стороне нагрузки для повышения напряжения необходимо увеличить число витков (поскольку напряжение пропорционально числу витков), но при регулировании со стороны питания для повышения напряжения на нагрузке необходимо уменьшить число витков (это связано с тем, что напряжение сети уравновешивается ЭДС первичной обмотки, и для уменьшения последней необходимо уменьшить число витков).

При переключении ответвлений обмотки с отключением трансформатора, переключающее устройство получается проще и дешевле, однако переключение связано с перерывом энергоснабжения потребителей и не может проводиться часто. Поэтому этот способ применяется главным образом для коррекции вторичного напряжения сетевых понижающих трансформаторов в зависимости от уровня первичного напряжения на данном участке сети в связи с сезонным изменением нагрузки .

Переключатели числа витков без нагрузки

Переключатель числа витков без возбуждения имеет достаточно простое устройство, предоставляющее соединение с выбранным переключателем числа витков в обмотке. Как следует из самого названия, он предназначен для работы только при отключенном трансформаторе. Именно этот тип переключателя имеет второе, жаргонное название – “анцапфа” (нем. Anzapfen — отводить, отбирать) .

Для уменьшения и стабильности переходного сопротивления контактов на них поддерживается давление с помощью специального пружинного приспособления, которое при определённых ситуациях может вызывать вибрацию. Если переключатель числа витков без возбуждения находится в одном и том же положении в течение нескольких лет, то сопротивление контакта может медленно расти в связи с окислением материала в точке контакта (поскольку в качестве материала контакта чаще применяется медь или сплавы на её основе (латунь), окислы которых имеют достаточно высокое электрическое сопротивление и химическую стойкость) и постепенным разогревом контакта, который приводит к разложению масла и осаждению пиролитического углерода на контактах, что ещё более увеличивает контактное сопротивление и снижает степень охлаждения, приводя к местным перегревам. Данный процесс может происходить лавинообразно. В конечном итоге наступает неконтролируемая ситуация, приводящая к срабатыванию газовой защиты (из-за газов, появляющихся при разложения масла в точках местных перегревов) или даже к поверхностному пробою по осевшим на изоляции твёрдым продуктам разложения масла. Персонал предприятия, обслуживающий трансформаторы, оборудованные переключателем коэффициентом трансформации ПБВ (переключатель без возбуждения), должен не менее чем 2 раза в год перед наступлением зимнего максимума нагрузки и летнего минимума нагрузки произвести проверку правильности установки коэффициента трансформации.

При этом необходимо, чтобы переключение числа витков проводилась в отключенном от сети состоянии, с переводом переключателя во все положения – данный цикл должен быть повторен несколько раз для удаления окисных плёнок с поверхности контактов и возвратом его обратно в заданное положение. Для контроля качества контактов производится измерение сопротивления обмоток постоянному току. “Трансформаторы силовые транспортирование, разгрузка, хранение, монтаж и ввод в эксплуатацию СПО и И Союзтехэнерго, Москва” 1981г. Вышеуказанные операции проводятся также если трансформатор был отключён в течение большого промежутка времени и вновь вводится в эксплуатацию.

Способы регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой

Регулирование напряжения трансформаторов способом РПН производится в принципе так же, как и способом ПБВ, но число ответвлений обмотки, т. е. число регулировочных ступеней, обычно бывает больше, а диапазон регулирования — шире. Так, ГОСТ 12022—76 для трансформаторов мощностью 63—630 кВА установил диапазон регулирования напряжения относительно номинального ±10% ступенями по 1,67% (±6X1,67%). ГОСТ 11920—73 разрешил для трансформаторов мощностью 1000—80000 кВА иметь различные диапазоны регулирования: ±9, ±10, ±12%. Существуют серии трансформаторов с еще большим диапазоном: ±16, ±22, ±36. Еще более «глубокое» регулирование требуется для некоторых специальных трансформаторов, например электропечных, где отношение пределов регулирования напряжения обмотки НН нередко составляет 1 : 2, 1 : 3 и даже 1 : 5.

Рассмотрим наиболее распространенную схему работы переключающего устройства с токоограничивающим реактором (рисунок 2). Переключающее устройство имеет следующие основные части: избиратель ответвлений, контактор, токоограничивающий реактор, привод устройства. В схеме имеется два отводящих (токосъемных) контакта избирателя П1 и П2, два контактора К1 и К2, токоограничивающий реактор Р (Iн — номинальный ток трансформатора).

Рис 2. Схемы работы переключающего устройства с токоограничивающим реактором

• а — положение «два вместе»;
• б — разомкнут контакт ФК2;
• в — положение «мост»;
• г — разомкнут контакт К1

На рисунке 2, а оба отводящих контакта установлены на одном ответвлении обмотки. Такое положение контактов называют «два вместе». Номинальный ток нагрузки делится поровну между двумя половинами переключающего устройства. При необходимости перейти на другое ответвление (ступень) обмотки привод в первую очередь размыкает контакты контактора К2 (рисунок 2, б). Эти контакты разрывают ток, равный половине номинального, и между ними возникает электрическая дуга. После гашения дуги весь ток проходит только через вторую (верхнюю) половину переключающего устройства. Отводящий контакт избирателя (П2) при отсутствии тока (цепь разорвана) переходит на другое ответвление обмотки, после чего контакты К2 вновь замыкаются (рисунок 2, в).

Такое положение переключающего устройства обычно называют положением «мост». Как и в положении «два вместе», номинальный ток нагрузки делится пополам между каждой половиной переключающего устройства. Однако в положении «мост» кроме нагрузочного тока возникает циркулирующий ток, замыкающийся внутри контура, образованного частью обмотки трансформатора и реактором (рисунок 2, в). Величина циркулирующего тока ограничивается сопротивлением контура — в основном сопротивлением реактора. Обычно сопротивление реактора подбирают так, чтобы величина циркулирующего тока была равна половине номинального. В этом случае ток, проходящий через отводящие контакты П1 и П2, не будет больше номинального и нет опасности их чрезмерного нагрева.

Далее размыкаются контакты К1, разрывающие номинальный ток (рисунок 2, г). После гашения дуги весь ток проходит уже через другую половину переключающего устройства. Отводящий контакт П1 избирателя при отсутствии тока переходит на ответвление, где уже стоит контакт П2, контакт К2 вновь замыкается и переключение заканчивается.

Из рассмотрения работы переключающего устройства РПН можно сделать следующие выводы:

• контакты контактора К1 и К2 замыкают и размыкают ток, т.е. подвергаются воздействию электрической дуги;
• контакты избирателя П1 и П2 замыкаются и размыкаются без разрыва тока, т. е. при отсутствии дуги;
• привод должен обеспечить описанную последовательность работы контактов;
• реактор служит для ограничения циркулирующего тока до необходимой величины (например, до половины номинального тока нагрузки);
• в положениях контактов избирателя «два вместе» и «мост» ток нагрузки распределяется поровну между двумя обмотками реактора, установленными на одном сердечнике. Эти токи направлены навстречу друг другу и в положение «два вместе» не создают возбуждающего поля в сердечнике и падения напряжения.

Достоинство переключающих устройств с токоограничивающий реактором заключается в возможности длительно работать в промежуточном положении «мост», поэтому для привода этих устройств не требуется специальных быстродействующих механизмов, значит, они могут быть относительно простыми и дешевыми.

В последние годы широкое распространение получили и другие переключающие устройства — с активными токоограничивающими сопротивлениями. Не рассматривая подробно эти устройства, отметим, что их конструкция получается более сложной и дорогой, чем у переключающих устройств с реакторами. Однако они обладают рядом весьма существенных достоинств: громоздкий и тяжелый реактор заменен сравнительно легкими активными сопротивлениями; конструктивно эти устройства более компактны; условия гашения дуги более благоприятны.

Существует много схем регулируемых обмоток трансформаторов. На рисунке 3 показана в качестве примера схема обмотки ВН однофазного трансформатора, регулируемой переключающим устройством с реактором.

Рисунок 3 — Схема обмотки ВН однофазного трансформатора, регулируемой переключающим устройством с реактором

Автоматическое регулирование напряжения

Переключатель числа витков устанавливается для того, чтобы обеспечивать изменение напряжения в линиях, соединённых с трансформатором. Совсем необязательно, что целью всегда будет поддержание постоянного вторичного напряжения на трансформаторе. Чаще всего падения напряжения происходят во внешней сети – особенно это проявляется для дальних и мощных нагрузок. Для поддержания номинального напряжения на дальних потребителях может потребоваться увеличение напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Система управления РПН относится к релейной защите и автоматике станции — переключатель числа витков всего лишь получает команды: повысить или понизить.

Однако обычно функции согласования коэффициентов трансформации между различными трансформаторами внутри одной и той же станции относятся к системе РПН. При соединении трансформаторов в параллель их переключатели числа витков должны двигаться синхронно. Для этого один из трансформаторов выбирается ведущим, а другие — как ведомыми, их системы управления РПН следят за изменением коэффициента трансформатора ведущего трансформатора. Обычно синхронным переключением числа витков добиваются исключения токов циркуляции между обмотками параллельных трансформаторов (из-за разницы вторичных напряжений параллельных трансформаторов) хотя на практике в момент действия РПН циркуляционные токи всё же возникают из-за рассогласования при переключении, однако это допускается в определённых пределах.

Преимущества и недостатки регулирования посредством РПН

Преимущества регулирования без отключения нагрузки в возможности поддержания параметров сети на выходе трансформатора на заданном уровне при изменении характеристик подаваемого напряжения. Также это устройство позволяет регулировать параметры, с учётом необходимой величины. Выполнение указанных функций достигается без отключения агрегата.

Недостатки связаны с необходимостью усложнения конструкции трансформатора, связанной с использованием дополнительных элементов. Одновременно снижается надёжность работы агрегата, увеличивается его масса и габаритные размеры.

Заключение

Применение РПН и ПБВ позволяет обеспечить требуемое напряжение у потребителей вне зависимости от потребляемой нагрузки. Устройства РПН дают возможность регулировать напряжение в течение суток в автоматическом или дистанционном режиме.

Устройства ПБВ в силу конструктивных особенностей позволяют переключать обмотки в небольшом диапазоне только на выведенном в ремонт трансформаторе. С помощью таких устройств можно регулировать изменение напряжения, вызванного сезонными нагрузками.

Как вам статья?

Павел

Бакалавр "210400 Радиотехника" – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Написать

Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы