РПН трансформатора: расшифровка, схема, принцип действия и устройство

Что такое РПН

Устройство РПН называется регулятором напряжения под нагрузкой. Этот блок позволяет изменять вольтажные характеристики устройства без отключения трансформатора.

Иногда характеристики сети необходимо менять во время работы без выключения устройства, либо параметры меняются при подаче питания. Для обеспечения правильного режима подачи напряжения в трансформаторах применяют автоматический выключатель.

В зависимости от характеристик напряжения и мощности трансформатора, переключатель ответвлений может изменять коэффициент трансформации от 10 до 16 процентов.

Включение трансформаторов на параллельную работу

Стоит отличать этот режим (1 на рисунке ниже — трансформаторы подключены к общим шинам как со стороны ВН, так и со стороны НН) от другого, когда подключение к общим шинам происходит только со стороны высокого напряжения (2 в рисунок, совместная работа), то есть к секции 10кВ подключены два трансформатора, причем со стороны низкого напряжения каждый из них питает свою секцию 0,4кВ.

Если один из Т отключается (1 на рисунке), другой перегружается, но все механизмы остаются в работе. При отключении одного из трансов (2 на рисунке) нагрузка либо отключается, либо через АВР переключается на резервный источник питания.

Ну и конечно расчет схем замещения для этих случаев будет другим:

• 1 — добавить резисторы // к двигателям, затем добавить резисторы // к трансформаторам, затем первый со вторым последовательно
• 2 — просуммировать ветви (двигатель плюс трансформатор), затем добавить полученные иксы параллельно

Кроме того, я буду рассматривать только расположение под номером 1 на рисунке. Почему можно использовать параллельную работу трансформаторов:

• повышается надежность, так как при выходе из строя одного из трансформаторов потребитель не теряет энергию.
• резервная мощность трансформаторов, соединенных параллельно, будет больше, чем у большого
• в случае сезонного падения нагрузки (зимой нагрузка больше, летом меньше) может отключаться один из нескольких. В этом случае будет обеспечен более экономичный режим работы, так как будут снижены потери на холостом ходу

Все плюсы пропадают, если установить два транса из-за недостатка мощности на одном из-за увеличения нагрузки, например.

Условия параллельной работы:

• Равенство номинальных напряжений первичной и вторичной обмоток. Следовательно, одинаковое число витков первичной и вторичной обмоток у всех параллельных трансформаторов. Перед включением также необходимо проверить положения ПБВ и РПН. Если все подобрано правильно, уравнительных токов быть не должно. Они возникают из-за разницы в коэффициенте трансформации и расхода даже в режиме холостого хода. Используя схему, аналогичную эквивалентной схеме ТТ, можно вывести формулу циркулирующего тока:

В этой формуле U’, U»; I’, I» — напряжения и токи первого и второго;

uk1, uk2 — напряжения короткого замыкания в процентах;

Избавиться от уравнительного тока можно либо заменой регулировочных устройств на нужное положение, либо устроив ремонт, добиться числа намотанных витков.

Равенство напряжений короткого замыкания. Напряжение короткого замыкания — это напряжение, которое необходимо приложить к одной из обмоток, когда другая замкнута, чтобы в обеих протекал номинальный ток. Это условие должно выполняться, поскольку отношение uk пропорционально распределению нагрузок и токов.

Принадлежит к той же группе доступа
Отношение максимальной мощности к минимальной параллельно работающих трансформаторов должно быть не более 3 к 1. При соотношении мощностей более трех перегрузка меньшего Тр может быть больше допустимой, и она будет более целесообразно полностью отключить его.

По ГОСТ 11677-85 ни одна из обмоток не должна быть перегружена током больше допустимого для данной обмотки
При наличии РПН на нагрузке окончание переключения ветвей должно происходить практически одновременно для всей группы. Трансформаторы с РПН ниже 1000 кВА не предназначены для параллельной работы

Количество параллельно работающих трансформаторов выбирается из условия наименьших суммарных потерь холостого хода и потерь нагрузки для всех машин.

Первичная и вторичная обмотки соединены параллельно. При отключении одного на другом Т возникает перегрузка, что необходимо учитывать при регулировке уставки максимального тока.

На // подключаемых тоннах мощностью 4 МВА и выше следует устанавливать ДЗТ. Он обеспечивает быстрое и избирательное реагирование и отключает только поврежденное оборудование. Что касается МТЗ, то в случае аварии на стороне НН оба трансформатора могут быть отключены из-за равных выдержек времени.

Для более глубокого погружения в эту проблему рекомендую прочитать книгу Алексенко Г.В. — Параллельная работа трансформаторов и автотрансформаторов (Трансформаторы, выпуск 17) — 1967.

Варианты схематических решений

При проектировании источников питания, обеспечивающих экономное энергопотребление и исключающих потери тепла в сердечнике трансформатора, возможны следующие варианты:

• Установка в выходных цепях обычных выключателей качелей.
• Применение в тех же цепях релейных выключателей.
• Использование современных симисторных переключателей в выходных линиях управления.
• Применение в схеме преобразования программируемого электронного переключателя (контроллера).

Далее каждый из этих способов управления выходным напряжением будет рассмотрен более подробно.

Простой блок переключения

Этот тип переключателя может быть выполнен в виде обычного переключателя, рассчитанного на определенное количество положений кнопки управления. Каждому из них соответствует заданное число витков вторичной обмотки трансформатора с увеличением числа по мере увеличения выходного напряжения.

Важно! К достоинствам этого метода можно отнести простоту выполнения, а к недостаткам — неудобство постоянной смены рукоятки, которой необходимо управлять вручную. Кроме того, переключение в этом случае происходит очень медленно и приводит к паразитным переходным процессам в высокоиндуктивных выходных цепях

Кроме того, переключение в этом случае происходит очень медленно и приводит к паразитным переходным процессам в выходных цепях, имеющих большую индуктивность.

Релейный

Принцип этого способа управления выходными каскадами БП основан на использовании специальных коммутационных элементов, называемых реле. С их помощью можно значительно увеличить скорость коммутации и исключить появление больших перенапряжений (токов). Схему такого переключателя можно найти на рисунке справа.

Из него видно, что для управления положением контактов реле используется отдельная катушка, где напряжение выпрямляется и подается на простейший электронный модуль, выполненный на основе транзисторов.

Поэтому переходные процессы в этой цепи заметно меньше, а риск возникновения перенапряжений в выходных цепях значительно снижается. С другой стороны, контакты реле со временем изнашиваются, а сильное искрение часто приводит к нарушениям нормальной работы инвертора.

Гораздо надежнее некоторые виды полупроводниковых приборов (например, симисторы), при коммутации цепей исключены паразитные помехи.

Автоматическое регулирование напряжения

Переключатель числа витков устанавливается для обеспечения изменения напряжения в линиях, подключенных к трансформатору. Нет необходимости, чтобы целью всегда было поддержание постоянного вторичного напряжения на трансформаторе.

Чаще всего во внешней сети случаются перепады напряжения – особенно это проявляется при большой дальности и больших нагрузках. Для поддержания номинального напряжения у удаленных потребителей может потребоваться увеличение напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Система управления с переключателями на нагрузке относится к релейной защите и автоматике станции — переключатель числа оборотов получает только команды: увеличить или уменьшить. Однако обычно функции согласования коэффициента трансформации между различными трансформаторами на одной станции связаны с системой РПН.

Когда трансформаторы соединены параллельно, их поворотные переключатели должны двигаться синхронно. Для этого один из трансформаторов выбирают ведущим, а другие — ведомыми, системы управления их РПН следят за изменением коэффициента трансформации строчного трансформатора.

Обычно синхронным переключением числа витков добиваются исключения блуждающих токов между обмотками параллельных трансформаторов (из-за разницы вторичных напряжений параллельных трансформаторов), но на практике в момент работы РПН , блуждающие токи все же возникают из-за рассогласований при коммутации, но это допускается в определенных пределах.

Способы регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой

Регулирование напряжения трансформаторов методом РПН осуществляется в принципе так же, как и методом ПБВ, но количество отводов обмотки, т е число ступеней регулирования, обычно больше, а диапазон регулирования шире. Так ГОСТ 12022-76 для трансформаторов мощностью 63-630 кВА установил диапазон регулирования напряжения относительно номинального ±10% с шагом 1,67% (±6X1,67%).

ГОСТ 11920-73 допускал для трансформаторов мощностью 1000-80000 кВА разные диапазоны регулирования: ±9, ±10, ±12%. Есть серии трансформаторов с еще большим диапазоном: ±16, ±22, ±36. Еще более «глубокое» регулирование требуется для некоторых специальных трансформаторов, например электропечей, где отношение пределов регулирования напряжения к обмотке НН часто составляет 1:2, 1:3 и даже 1:5.

Рассмотрим наиболее распространенную схему работы коммутационного аппарата с токоограничивающим реактором (рис. 2). Коммутационный блок состоит из следующих основных частей: избирателя ответвлений, контактора, токоограничивающего реактора, блока управления. Схема имеет два отводных контакта (токоприемника) селектора П1 и П2, два контактора К1 и К2, токоограничивающий реактор Р (Iн — номинальный ток трансформатора).

• а — позиция «двое вместе»;
• б — разомкнутый контакт ФК2;
• i — положение «мостик»;
• г — разомкнутый контакт К1

На рис. 2 оба шунтирующих контакта установлены на одной ветви обмотки. Это контактное положение называется «два вместе». Номинальный ток нагрузки делится поровну между двумя половинами узла переключателя. При необходимости переключения на другую ветвь (ступеньку) обмотки привод в первую очередь размыкает контакты контактора К2 (рис. 2, б).

Эти контакты разрывают ток, равный половине номинального тока, и между ними возникает электрическая дуга. После гашения дуги весь ток протекает только через другую (верхнюю) половину узла выключателя. Выходной контакт селектора (Р2) при отсутствии тока (разрыв цепи) переходит на другую ветвь обмотки, после чего контакты К2 снова замыкаются (рис. 2, в).

Это положение переключателя обычно называют положением «моста». Как и в положении «два вместе», номинальный ток нагрузки уменьшается вдвое между каждой половиной соединительного устройства. Но в положении «мост» помимо тока нагрузки возникает циркуляционный ток, замкнутый внутри цепи, образованной частью обмотки трансформатора и реактором (рис. 2, в).

Величина циркулирующего тока ограничивается сопротивлением цепи, в основном сопротивлением реактора. Обычно сопротивление реактора выбирают таким, чтобы значение циркулирующего тока было равно половине номинального. В этом случае ток, проходящий через выходные контакты Р1 и Р2, не будет превышать номинального тока, и нет опасности чрезмерного нагрева.

Контакты К1 при этом размыкаются, отключая номинальный ток (рис. 2, г). После того, как дуга погаснет, весь ток протекает через другую половину узла выключателя. Выходящий контакт Р1 селектора при отсутствии тока переключается на ответвление, где уже находится контакт Р2, контакт К2 снова замыкается и соединение разрывается.

Из оценки работы РПН можно сделать следующие выводы:

• контакты контактора К1 и К2 замыкаются и размыкаются по току, т.е подвергаются воздействию электрической дуги;
• контакты селектора Р1 и Р2 замыкаются и размыкаются без отключения тока, т.е при отсутствии дуги;
• преобразователь частоты должен обеспечивать описанную последовательность контактов;
• реактор служит для ограничения циркулирующего тока до необходимого значения (например, до половины номинального тока нагрузки);
• в положениях контактов селектора «два вместе» и «мост» ток нагрузки распределяется поровну между двумя обмотками реактора, установленными на одном сердечнике. Эти токи направлены навстречу друг другу и в положении «два вместе» не создают возбуждающего поля в сердечнике и падения напряжения.

Преимущество коммутационных аппаратов с токоограничивающим реактором заключается в возможности длительной работы в промежуточном «мостовом» положении, поэтому для работы этих аппаратов не требуется специальных быстродействующих механизмов, а значит, они могут быть относительно легко и дешево.

В последние годы получили распространение и другие коммутационные устройства — с активными токоограничивающими резисторами. Не рассматривая подробно эти устройства, отметим, что их конструкция сложнее и дороже, чем у коммутационных аппаратов с реакторами.

Однако они имеют ряд весьма существенных преимуществ: громоздкий и тяжелый реактор заменен сравнительно легкими активными резисторами; конструктивно эти агрегаты более компактны; условия гашения дуги более благоприятны.

Существует множество схем регулируемых обмоток трансформаторов. На рис. 3 в качестве примера показана обмотка ВН однофазного трансформатора, управляемого коммутационным устройством с реактором.

Особенности конструкции, принцип действия

Переключатели ответвлений под нагрузкой, независимо от характера действия и выполняемой функции, не должны классифицироваться как реле. Но у этого устройства простой принцип работы.

На каждой фазе трансформатора установлены два подвижных контакта. Один из них прижат к катушке, дающей заданное значение напряжения. При переводе другой контакт прижимается к катушке, что меняет указанное значение. Включение можно производить вручную или с помощью станции.

Конструкция устройства различается в зависимости от типа. Но основной принцип заключается в изменении количества рабочих витков на первичной обмотке трансформатора.

Классификация

Существует несколько типов РПН, которые отличаются следующими характеристиками:

• разновидность токоограничивающего элемента — с реакторами или резисторами;
• наличие или отсутствие контактора;
• количество фаз — однофазные и трехфазные;
• тип переключения питания.

В зависимости от способа коммутации питания различают следующие виды устройств:

• разрыв дуги в объеме, заполненном трансформаторным маслом – устройство предполагает использование дугогасительных контактов, не требующих применения специальных элементов для гашения дуги;
• разрыв дуги в перепроданном помещении – предполагают использование вакуумных дуг промышленного производства;
• отключение осуществляется с помощью тиристоров, бездуговым способом;
• комбинированные способы — с комбинацией разных видов коммутации.

Для обеспечения безопасности и функциональности РПН они оснащены элементами автоматического управления и регуляторами напряжения.

Помимо этих устройств, для изменения вольтажных характеристик мощных устройств могут применяться специальные вольтодобавочные трансформаторы. Это оборудование подключается последовательно и используется вместе с основным блоком в качестве вспомогательного блока. Но этот метод не получил широкого распространения из-за дороговизны и большой сложности схемы.

Читайте также:  Шаговое напряжение, правила перемещения в зоне шагового напряжения

Разновидности регуляторов мощности

Различные регуляторы тока используются для разных целей.

Тиристорный прибор управления

Конструкция устройства достаточно проста. Тиристоры обычно используются в маломощных устройствах. Тиристорный терморегулятор состоит из биполярных транзисторов, самого тиристора, конденсатора и нескольких резисторов.

Транзисторы формируют импульсный сигнал, при выравнивании напряжения конденсатора с рабочим они открываются. Электрический сигнал передается на выход тиристора, после чего конденсатор разряжается и ключ блокируется. Вся последовательность действий повторяется циклически.

Примечание! Величина задержки обратно пропорциональна току, подаваемому на нагрузку

Симисторный преобразователь мощности

Симистор — это подвид тиристора, где p-n-переходов несколько больше, и поэтому принцип работы несколько иной. А вот симистор часто считают отдельным типом стабилизатора мощности. Конструкция состоит из 2-х параллельно соединенных тиристоров и имеет общее управление.

К вашему сведению! Отсюда и название «триак» — «симметричные тиристоры». Иногда его еще называют ТРИАК (TRIAC).

 

На схеме видно, что симистор имеет обозначения Т1 и Т2 вместо анода и катода. Это связано с тем, что термины «катод» и «анод» в данном случае не имеют смысла, так как электрический ток может выходить через оба выхода.

Симисторные универсальные регуляторы имеют ряд преимуществ, среди которых низкая стоимость, долгий срок службы, отсутствие подвижных контактов, которые могут быть источниками помех. Но есть и минусы: подверженность помехам и шумам, отсутствие поддержки высоких частот переключения.

Важно! Не используются в промышленных установках большой мощности; вместо этого там используются тиристоры или IGBT-транзисторы.

Фазовый способ трансформации

Фазовое превращение происходит в так называемых диммерах. Такие устройства используются, например, для изменения интенсивности освещения от галогенных ламп или ламп накаливания. Разводка обычно реализуется на специальных микроконтроллерах, в которых используется собственная интегральная схема снижения напряжения. Благодаря своей конструкции диммеры могут плавно снижать мощность.

Из минусов таких устройств высокая чувствительность к помехам, большие пульсации и низкий коэффициент мощности сигнала на выходе. Двойные тиристоры используются для стабилизации диммера.

РПН и телемеханика: автоматизация корректировки напряжения

 

замена отпайки трансформатора – крайне важная процедура, особенно для подстанций от 110 кВ и выше. Как было сказано ранее, процесс включает в себя активацию устройства РПН, переключение которого может отображаться на пульте диспетчера. Для этого используются телемеханики, которые по оптоволоконному кабелю способны подавать сигнал на повышение или понижение уровня напряжения.

Наличие серверной, которая отправляет и принимает сигнал на подстанцию, а также компьютер в диспетчерской. Передача информации предполагает использование проводника, где чаще всего используется оптоволокно. Здесь также распространены случаи с витой парой, но скорость передачи информации значительно хуже.

На трансформаторной подстанции в шкафу телемеханики кабель подключается к блоку, взаимодействующему с подключенным ступенчатым выключателем. На выходе есть два типа команд повышения/понижения. После выполнения операции на сервер дается ответ, который проявляется в выполнении или невыполнении задачи.

Для определения уровня напряжения на компьютер выводится телеметрия. После настройки последний должен быть изменен вверх или вниз в зависимости от отправляемого сигнала.

Автоматика и телемеханика обеспечивают значительный комфорт в соблюдении режимных инструкций. Построение системы во многом зависит от используемых технологий и технических средств. Следует отметить, что построение автоматизированной системы работы – это следующий шаг комфортного регулирования режима по расписанию.

Защита РПН

Для обеспечения нормальной работы устройства используется газовая защита. Выполнен дополнительный бак (расширитель), соединенный с основной масляной средой трансформатора специальным каналом, в котором установлены реле и сигнальный элемент.

При небольшом газообразовании сигнальный элемент указывает на снижение уровня масла. При продувке расширенное масло нагнетается в расширитель. Если интенсивность излучения достигает установленного значения, срабатывает реле и отключает трансформатор. Таким образом, контакторы РПН защищены от разрушения.

Преимущества и недостатки регулирования посредством РПН

К преимуществам регулирования без отключения нагрузки относится возможность поддержания параметров сети на выходе трансформатора на заданном уровне при изменении характеристик приложенного напряжения. Это устройство также позволяет регулировать параметры с учетом необходимого значения. Эти функции можно выполнять, не выключая устройство.

Недостатки связаны с необходимостью усложнения конструкции трансформатора, связанного с применением дополнительных элементов. При этом снижается надежность работы агрегата, увеличиваются вес и габариты.

Как проводится регулировка

Рассмотрим процесс регулирования напряжения схемы дроссельного переключателя ответвлений.

Устройство работает следующим образом:

• в исходном положении оба селективных контакта I1 и I2 подключены к одному витку катушки;
• при необходимости переключения на другую ступень К2 размыкается (без отключения напряжения) при прохождении тока через ветвь реактора (I1 — К1);
• контакт I2 переводится на другой виток с замыканием контактора К2;
• происходит разделение рабочего потока между ветвями реактора; значение циркулирующего тока ограничивает реактор;
• затем, после размыкания К1, I1 переводится на другую ветвь с последующим замыканием контакта.

Последующие обмены производятся в том же порядке.

Применение РПН значительно расширяет номенклатуру трансформаторов и обеспечивает изменение характеристик напряжения, подаваемого на устройства потребителей, без отключения питания.

Регулирование напряжения без нагрузки: Муфта без намагничивания — ПБВ