Ответвления обмоток трансформатора: для чего нужны и как работают

Напряжение в электрической сети не всегда точно соответствует номинальному значению. Оно может меняться из-за нагрузки, параметров питающей сети, протяженности линий и режима работы энергосистемы. Чтобы трансформатор можно было адаптировать к таким условиям, в его конструкции предусматривают ответвления обмоток.

С их помощью изменяют количество витков обмотки, фактически участвующих в работе, а значит — коэффициент трансформации и напряжение на выводах трансформатора. Для выбора нужного ответвления применяют специальные переключающие устройства.

Разберем подробнее, что представляют собой ответвления обмоток трансформатора, зачем они нужны и каким образом изменение положения переключателя влияет на напряжение.

Что такое ответвления обмоток трансформатора

Обмотка трансформатора состоит из определенного количества витков проводника. Однако в регулируемой обмотке кроме основных выводов предусматривают дополнительные точки подключения — ответвления.

Каждому такому ответвлению соответствует определенное количество активных витков. Подключая переключатель к разным точкам обмотки, можно ступенчато изменять коэффициент трансформации.

Поэтому ответвление — это не отдельная дополнительная обмотка в обычном понимании, а предусмотренная конструкцией точка подключения к определенной части регулируемой обмотки.

Для чего нужны регулировочные ответвления

Главная задача ответвлений — корректировка напряжения путем изменения коэффициента трансформации.

Например, трансформатор рассчитан на определенное входное напряжение, однако фактическое напряжение в месте его установки немного отличается от номинального. Без возможности регулировки это отклонение будет отражаться и на вторичной стороне.

Переключение на другое ответвление позволяет скорректировать режим работы трансформатора.

●        поддержания требуемого уровня напряжения на стороне нагрузки;

●        компенсации длительных отклонений напряжения питающей сети;

●        адаптации трансформатора к условиям конкретного участка электросети;

●        регулирования напряжения при изменении режима и нагрузки;

●        поддержания требуемого коэффициента трансформации без замены самого трансформатора.

Для трансформаторов, оснащенных РПН, регулирование может выполняться непосредственно во время работы оборудования. Такие системы применяются в том числе для поддержания требуемого уровня напряжения сети при изменяющейся нагрузке.

Как ответвления меняют напряжение трансформатора

Принцип работы проще всего понять через коэффициент трансформации.

U₁ / U₂ ≈ N₁ / N₂

где:

●        U₁ — напряжение первой обмотки;

●        U₂ — напряжение второй обмотки;

●        N₁ — число активных витков первой обмотки;

●        N₂ — число активных витков второй обмотки.

Если переключение ответвления изменяет количество активных витков одной из обмоток, изменяется и соотношение напряжений.

Простой пример

Предположим, ответвления расположены на обмотке высокого напряжения понижающего трансформатора.

Если при неизменном входном напряжении увеличить число активных витков обмотки высокого напряжения, напряжение на вторичной обмотке уменьшится.

Если число активных витков этой обмотки уменьшить, вторичное напряжение увеличится.

Именно поэтому переключением ответвлений можно компенсировать отклонение питающего напряжения.

Например, если трансформатор рассчитан на 10 кВ, но фактическое напряжение длительное время составляет около 9,5 кВ, соответствующее изменение числа активных витков регулируемой обмотки позволяет приблизить напряжение на вторичной стороне к расчетному значению.

Важно учитывать, что обозначения «+» и «−» на переключателе нельзя трактовать только по этой упрощенной схеме. Положение ответвлений и направление регулирования необходимо определять по заводской табличке, схеме и документации конкретного трансформатора.

Где располагаются ответвления

Регулирующая часть может быть предусмотрена в разных обмотках — конкретное решение определяется конструкцией и назначением трансформатора.

В силовых и распределительных трансформаторах ответвления часто выполняют со стороны высокого напряжения. Однако это не универсальное правило: существуют системы как высоковольтного, так и низковольтного регулирования.

Ответвления выводятся к переключающему устройству, которое соединяет электрическую цепь с выбранной точкой регулируемой обмотки.

В результате трансформатор получает несколько фиксированных ступеней регулирования вместо одного неизменного коэффициента трансформации.

Какие бывают способы переключения ответвлений

В зависимости от конструкции трансформатора регулирование выполняется в основном одним из двух способов:

1.    ПБВ — переключение без возбуждения.

2.    РПН — регулирование под нагрузкой.

Принцип изменения коэффициента трансформации у них одинаков — выбирается другое ответвление обмотки. Существенно различаются условия и механизм переключения.

ПБВ — переключение ответвлений без возбуждения

ПБВ используется в случаях, когда корректировать коэффициент трансформации требуется сравнительно редко.

Главная особенность такого устройства заключается в том, что переключать положение на работающем трансформаторе нельзя.

Перед изменением ответвления трансформатор должен быть отключен и приведен в состояние, предусмотренное эксплуатационной документацией. На практике оператор выбирает требуемое положение переключателя, после чего соответствующая часть обмотки включается в электрическую цепь.

Преимущества ПБВ:

●        сравнительно простая конструкция;

●        надежность;

●        меньшая сложность обслуживания;

●        подходит для сетей, где напряжение не требует постоянной оперативной корректировки.

Основной недостаток очевиден: для регулирования необходимо вывести трансформатор из работы. Поэтому ПБВ хорошо подходит для корректировки длительно существующего отклонения напряжения, но не предназначено для постоянного автоматического регулирования в течение суток.

РПН — регулирование напряжения под нагрузкой

РПН применяется там, где напряжение необходимо изменять без прекращения питания потребителей.

Такой переключатель позволяет изменять число активных витков регулирующей обмотки при работающем и нагруженном трансформаторе. Именно возможность регулирования без отключения является принципиальным отличием РПН от ПБВ.

РПН значительно сложнее обычного переключателя без возбуждения. Причина заключается в том, что нельзя просто разорвать цепь одного ответвления и затем подключить другое: это привело бы к кратковременному прерыванию тока.

Нельзя и бесконтрольно соединить два соседних ответвления между собой — между ними существует разность напряжений. Поэтому переключение осуществляется по специальной последовательности.

Как РПН переключает ответвления без отключения нагрузки

При переходе с одного ответвления на другое РПН обеспечивает непрерывность цепи и ограничивает ток, возникающий в момент переключения.

В механических РПН для этого применяются переходные сопротивления или реакторы. Во время операции соседние ответвления на короткий промежуток времени участвуют в процессе переключения, а переходное устройство ограничивает ток между ними. После завершения операции трансформатор продолжает работать уже на новом ответвлении.

текущее ответвление → переходный режим → соседнее ответвление

При этом электроснабжение нагрузки не прерывается.

В современных системах привод РПН может управляться регулятором напряжения. Автоматика измеряет параметры сети и при выходе напряжения за заданный диапазон подает команду на изменение положения.

Так трансформатор способен поддерживать напряжение в установленном диапазоне при изменении режима энергосистемы.

Чем ПБВ отличается от РПН

Основное различие заключается не в назначении, а в условиях переключения.

ПБВ изменяет коэффициент трансформации только после отключения оборудования. РПН предназначено для изменения ответвлений при работающем трансформаторе.

У ПБВ конструкция проще, поэтому оно рационально там, где регулирование выполняется редко.

РПН сложнее и требует соответствующих приводов, системы управления и обслуживания, но позволяет регулировать напряжение без перерыва электроснабжения. Поэтому оно востребовано на трансформаторах и в сетях, где параметры напряжения требуется корректировать непосредственно в процессе работы.

Что происходит при выборе неправильного ответвления

Положение переключателя должно соответствовать реальному режиму сети и требованиям конкретного трансформатора.

Неправильно выбранное ответвление может привести к тому, что вторичное напряжение окажется выше или ниже требуемого.

Слишком высокое напряжение нежелательно для подключенного оборудования и изоляции, а пониженное способно нарушить нормальную работу электроприемников.

При этом пытаться решить переключением ответвлений любую проблему с напряжением неправильно. Прежде чем изменять положение, необходимо установить причину отклонения.

●        перегрузкой трансформатора или линии;

●        значительным падением напряжения в кабелях;

●        плохим состоянием контактных соединений;

●        несимметрией нагрузки;

●        неисправностью оборудования;

●        неправильной работой системы автоматического регулирования.

Ответвления позволяют изменить коэффициент трансформации, но не устраняют неисправности электрической сети.

Можно ли переключать ПБВ, если трансформатор работает без нагрузки

Нет. Понятия «без нагрузки» и «без напряжения» нельзя считать равнозначными.

Если на вторичной стороне нет потребителей, но первичная обмотка остается подключенной к сети, трансформатор находится под напряжением. Для обычного переключателя ПБВ этого недостаточно.

Изменение положения выполняется только после необходимого отключения трансформатора в соответствии со схемой, требованиями безопасности и руководством производителя конкретного оборудования.

Нужно ли обслуживать переключатель ответвлений

Да. Переключающее устройство является частью трансформатора и должно проверяться в рамках установленного для оборудования технического обслуживания.

Особое значение состояние переключающего механизма имеет для РПН, поскольку его элементы выполняют большое количество коммутационных операций. Конструкция конкретного устройства определяет требования к осмотрам, контролю привода, контактной системе, изоляции и другим узлам.

Для ПБВ переключения выполняются значительно реже, однако состояние механизма и надежность контакта также имеют значение.

Периодичность и объем работ следует определять по документации изготовителя трансформатора и переключающего устройства.

Часто задаваемые вопросы

Что называется ответвлением обмотки трансформатора?

Это предусмотренная конструкцией точка подключения к определенному числу витков обмотки. Выбор другого ответвления изменяет число активных витков и коэффициент трансформации.

Для чего делают несколько ответвлений?

Чтобы получить несколько ступеней регулирования и корректировать выходное напряжение трансформатора в зависимости от параметров питающей сети и требуемого режима работы.

Ответвления увеличивают мощность трансформатора?

Нет. Их основное назначение — изменение коэффициента трансформации и регулирование напряжения. Переключение ответвления само по себе не превращает трансформатор в аппарат большей номинальной мощности.

Чем ПБВ отличается от РПН?

ПБВ переключается при отключенном трансформаторе. РПН позволяет менять ответвления непосредственно во время работы оборудования под нагрузкой.

Можно ли самостоятельно выбрать нужное положение переключателя?

Положение выбирается на основании параметров сети, измерений, схемы трансформатора и его заводской документации. Ориентироваться только на обозначения «+» и «−» без изучения схемы конкретного оборудования не следует.

Главное об ответвлениях обмоток трансформатора

Ответвления обмоток нужны для ступенчатого изменения коэффициента трансформации и регулирования напряжения. При переключении меняется количество витков обмотки, участвующих в работе, благодаря чему изменяется соотношение напряжений на сторонах трансформатора.

Если регулировать напряжение требуется редко и допускается отключение оборудования, может использоваться ПБВ. Если напряжение необходимо изменять непосредственно во время работы трансформатора, применяется РПН.

При этом положение переключателя должно выбираться с учетом конструкции конкретного трансформатора, фактических параметров сети и требований производителя.

Если требуется определить подходящее положение ответвлений, проверить работу ПБВ или РПН либо разобраться в причинах отклонения напряжения, необходимо учитывать не только положение переключателя, но и режим работы всей электрической сети.