Преобразование, распределение и передача электроэнергии

В первом методическом руководстве для начинающего оперативного персонала был рассмотрен принцип производства электроэнергии на тепловых электрических станциях. В этой главе мы рассмотрим основные процессы и особенности эксплуатации оборудования при передаче электроэнергии от электростанции до потребителя.

Электроэнергия, выходящая из генератора в подавляющем большинстве случаев сразу же преобразовывается с помощью повышающего трансформатора в электроэнергию более высокого напряжения, а у потребителя преобразовывается с помощью понижающего трансформатора в электроэнергию более низкого напряжения. Для чего это делается. Генераторное напряжение на большинстве ТЭС составляет 6−10 кВ, на крупных генераторах 15−20 кВ. Электроэнергию, а проще говоря, мощность такого напряжения на большие расстояния передавать экономически не выгодно по двум причинам:

• 1. Слишком большие потери (чем выше напряжение, тем меньше потери электроэнергии. Об этом подробнее будет рассмотрено в разделе «Потери электрической мощности»);
• 2. Из-за низкой пропускной способности.

Если кто помнит, каждый проводник определенного сечения может пропустить определенной величины электрический ток и если эту величину превысить, то проводник начнет греться и в дальнейшем просто расплавится. Если посмотреть на формулу полной мощности S=v3UI (U — напряжение, I — ток), то легко догадаться, что при одной и той же величине передаваемой мощности, чем выше напряжение линии, тем меньше величина тока, протекающего по ней. Следовательно, чтобы мощность, передаваемую, например, по одной линии 110 кВ передать при помощи линий 10 кВ, то нужно будет построить 10 линий 10 кВ с проводом такого же сечения, как и линия 110 кВ. Если электростанция расположена рядом с потребителем (например, крупный завод), то нет смысла повышать напряжение для передачи электроэнергии и она подается потребителю на генераторном напряжении, что позволяет сэкономить на трансформаторах. Кстати, чем отличается электроэнергия от электрической мощности? Да ничем. Электрическая мощность — это мгновенное значение электрической энергии и измеряется она в Ваттах, киловаттах, Мегаваттах (Вт, кВт, МВт), а электрическая энергия — это количество электрической мощности, переданное за единицу времени и измеряется она в киловатт часах (кВт*ч,). Агрегат, в котором происходит преобразование электроэнергии с одного напряжения на другое называется трансформатором.

Принцип работы и конструкция трансформатора

Как мы уже сказали, трансформатор служит для преобразования электрической мощности одного напряжения в электрическую мощность другого напряжения. Как это происходит. Трехфазный трансформатор представляет собой магнитопровод (сердечник), набранный из листов электротехнической стали и состоящий из трех вертикальных стержней соединенных сверху и снизу такими же поперечными стержнями (они называются ярмо). На стержни надеваются обмотки низкого и высокого напряжения в виде цилиндрических катушек из изолированного медного провода. В энергетике эти обмотки называются высшего и низшего напряжения, если трансформатор двух обмоточный, то есть имеет только два напряжения. В трех обмоточном трансформаторе есть еще обмотка среднего напряжения. Обмотки надеваются на стержень в следующем порядке: сначала обмотка низшего напряжения (она ближе всех к магнитопроводу), затем на нее надевается обмотка среднего напряжения и затем обмотка высшего напряжения, то есть на каждый стержень надевается три обмотки, если трансформатор трех обмоточный и две обмотки, если трансформатор двух обмоточный. Для простоты будем рассматривать работу двух обмоточного трансформатора. Обмотки одного стержня образуют фазу. К началу каждой обмотки присоединены линейные вывода, по которым электрическая мощность входит и выходит из трансформатора. Обмотка, к которой электрическая мощность подходит к трансформатору называется первичной, а обмотка, от которой преобразованная мощность уходит вторичной. Если мощность подходит к обмотке низшего напряжения, а уходит с обмотки высшего напряжения, то трансформатор называют повышающим. И наоборот, если мощность подходит к обмотке высшего напряжения, а уходит с обмотки низшего напряжения, то трансформатор называют понижающим. По своей конструкции они ничем не отличаются. Концы обмоток высшего и низшего напряжений соединены по разному. Концы обмоток высшего напряжения соединены вместе и образуют звезду, ее еще называют нейтраль (почему, рассмотрим позже). Концы обмоток низшего напряжений соединены мудрено, а именно — конец каждой обмотки соединен с началом другой, образуя, если развернуть на схеме, треугольник, к вершинам которого подключены линейные вывода. Почему обмотки высшего и низшего напряжений соединены по разному? По чисто экономическим соображениям. Электрический ток и напряжение разделяются на фазные и линейные. Линейным называется напряжение между фаз А-Б, Б-С и С-А, его еще называют междуфазным. Фазное напряжение — это напряжение между каждой (отдельной) фазой и землей или, в случае с трансформатором, нейтралью трансформатора. Фазное напряжение в v3 раз (в 1.73 раза) меньше линейного. Линейный и фазный ток лучше рассмотреть на примере соединений обмоток трансформатора. Ток, текущий по каждой фазе линии называется линейный. Ток, текущий по обмотке каждой фазы трансформатора или электродвигателя называется фазным. Если обмотка этих агрегатов соединена в звезду, то линейный ток, как в фазе линии, так и в фазе звезды одинаковый (нарисуйте звезду и линию и сразу будет понятно). То есть при соединении обмотки в звезду линейный ток равен фазному. Если обмотку соединить в треугольник (нарисуйте), то мы видим, как ток из линии, подойдя к вершине треугольника, расходится по двум обмоткам. Здесь уже фазный ток не равен линейному, он меньше его. Фазный ток, так же как и напряжение в v3 раз (в 1.73 раза) меньше линейного. Когда обмотка соединена в звезду, то ток, протекающий по ней равен линейному току, а напряжение на этой обмотке равно фазному напряжению. А когда обмотка соединена в треугольник, то ток, протекающий по ней равен фазному, а напряжение на каждой обмотке равно линейному напряжению. И если, к примеру, обмотку трансформатора, к которой подводится напряжение 110 кВ соединить сначала в звезду, а затем в треугольник, то в первом случае (когда звезда) напряжение приложенное к обмотке каждой фазы будет равно 63 кВ, а во втором случае (когда треугольник) 110 кВ. Следовательно, когда обмотка соединена в треугольник — изоляция на ней должна быть больше, а значит дороже. С токами все наоборот. Когда обмотка соединена в треугольник, то протекающий по ней ток в v3 раз меньше тока, протекающего по этой же обмотке, если ее соединить в звезду. Если меньше ток, значит меньше сечение провода обмотки и обмотка дешевле. Поскольку ток на стороне низшего напряжения больше тока стороны высшего напряжения (а значит и сечение провода обмотки больше), то именно обмотку низшего напряжения и соединяют в треугольник. Чем выше напряжение, тем дороже стоит изоляция. Вот поэтому обмотку высшего напряжения соединяют в звезду. Существуют также такие понятия, как номинальный ток и номинальное напряжение. Номинальный ток — это максимальный ток, длительно протекающий по проводнику, не перегревая его выше допустимой для его изоляции температуры. Номинальное напряжение — это максимальное напряжение относительно земли (фазное напряжение) или других фаз этого оборудования (линейное напряжение), длительно приложенное к проводнику (воздействующее на проводник) без опасности повреждения (пробоя) его изоляции. Для каждого оборудования заводом изготовителем указывается номинальный ток и напряжение его проводников.

Так вот. Когда к первичной обмотке трансформатора подводится электрическая мощность, то протекающий по ней (по обмотке) ток создает в магнитопроводе, на который одеты обмотки, переменный магнитный поток, который в свою очередь наводит во вторичной обмотке, так называемую электродвижущую силу (э.д.с). Э.д.с — это то же самое, что и мощность. Вот таким образом, с помощью электромагнитной связи, мощность и передается через трансформатор. Прошу не путать с электрической связью. Электрическая связь (ее еще называют металлическая) — это когда мощность передается по проводнику безо всяких воздушных промежутков. Зависимость между первичным и вторичным напряжением, а также количеством витков обмоток определяется формулой:

U1 / U2 = w1 / w2.

где U1 и w1 — это напряжение и число витков первичной обмотки, а U2 и w2 — соответственно, вторичной. Из этого следует, что подбирая число витков первичной и вторичной обмоток можно получить желаемое вторичное напряжение. Отношение величины высшего напряжения к низшему напряжению или отношение числа витков обмотки высшего напряжения к обмотке низшего напряжения (что одно и то же) называется коэффициентом трансформации трансформатора. Коэффициент трансформации всегда больше единицы (это можно и так догадаться). Трансформаторы, служащие для преобразования электрической мощности одного напряжения в мощность другого напряжения называются силовыми. Существуют также трансформаторы тока и напряжения. Эти трансформаторы называются измерительными, т.к. они предназначены для питания приборов измерения тока и напряжения, но о них подробнее будет рассмотрено в разделе релейная защита, автоматика и измерения. Величина мощности, проходящей через силовой трансформатор, не изменяется (если исключить незначительные потери при трансформации), изменяются только величины тока и напряжения. Вспоминая формулу мощности, S=v3UI не трудно догадаться, что во сколько раз изменяется напряжение при трансформации, во столько же раз изменяется и ток, только в обратную сторону, то есть если напряжение после трансформатора увеличилось в 10 раз, то ток в 10 раз уменьшился. Вот для этого (чтобы уменьшить величину тока) и повышают напряжение на электростанциях с тем, чтобы передавать ее на далекие расстояния. Трансформаторы бывают сухими и масляными. Сухие трансформаторы (серии ТС) — это трансформаторы с воздушным охлаждением для закрытых помещений. Конструкция самая простая, магнитопровод с обмотками стоит на изоляторах на полу помещения и закрыт металлическим сетчатым кожухом. Выделяемое тепло отводится окружающим воздухом. Сухие трансформаторы выпускаются на напряжение до 10 кВ и используются в основном на собственных нуждах электростанций. В промышленности в основном применяются масляные трансформаторы (серии ТМ, ТД, ТДЦ, ТЦ. Буквы М, Д, ДЦ и Ц означают способ охлаждения и циркуляции масла). В масляном трансформаторе магнитопровод с обмотками помещен в герметичный корпус, заполненный трансформаторным маслом, которое служит для охлаждения и одновременно для изоляции магнитопровода и обмоток. На верху корпуса имеется бак-расширитель, который служит для подпитки корпуса и приемки масла из корпуса при температурных изменениях объема масла внутри корпуса трансформатора. По бокам корпуса масляного трансформатора расположены масляные радиаторы, которые служат для охлаждения масла. Масло под воздействием разности температур внутри корпуса и снаружи в радиаторе постоянно циркулирует через радиаторы, охлаждаясь о наружный воздух. Это называется естественное охлаждение и естественная циркуляция масла (система охлаждения М). Такая система охлаждения применяется на трансформаторах до 10 МВт. На трансформаторах мощностью более 10 МВт масляные радиаторы обдуваются вентиляторами для большей эффективности охлаждения. Эта система охлаждения Д — с естественной циркуляцией и принудительным дутьем. Для еще более эффективного охлаждения масла циркуляцию его осуществляют насосами, одновременно обдувая радиаторы вентиляторами. Эта система охлаждения относится к типу ДЦ — с принудительной циркуляцией масла и принудительным дутьем и применяется на трансформаторах мощностью свыше 100 МВт. Самой эффективной на сегодняшний день является система Ц — с принудительной циркуляцией масла и водяным охлаждением масляных радиаторов. Она применяется на трансформаторах 500 МВт и выше.

В технической литературе часто встречается еще одна характеристика трансформатора — это Uк %, что переводится, как напряжение короткого замыкания в процентах. Напряжение Uк % - это напряжение приложенное к одной из обмоток трансформатора, при котором по другой обмотке замкнутой накоротко, протекает номинальный ток (по первой обмотке, к стати, в это время протекает тоже номинальный ток). Uк % характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора и используется при расчетах токов за трансформатором в различных режимах работы сети.

Силовые трансформаторы выпускаются в основном в трехфазном исполнении. Мощные трансформаторы (500 МВА и выше) выпускаются в однофазном исполнении по той простой причине, что трехфазный трансформатор такой мощности будет иметь такие размеры, что доставить его к месту установки не будет представляться возможным. Трансформаторы бывают двух обмоточными (ВН, НН), трех обмоточными (ВН, СН, НН) и с расщепленными обмотками. Трансформатор с расщепленными обмотками имеет две одинаковые обмотки низшего напряжения. Для чего это делается? Трансформаторы с расщепленными обмотками имеют повышенный Uк % (сопротивление обмоток), поэтому их целесообразнее использовать для питания РУ с большим количеством присоединений. РУ делается не из двух секций (на каждую по одному трансформатору), а из четырех. Один трансформатор питает две секции (каждая обмотка питает отдельную секцию). Тем самым мы уменьшаем ток КЗ на секции в два раза, по сравнению с тем, если бы секций было две и каждая питалась от двух обмоточного трансформатора.

Регулирование напряжения трансформатора

Как мы уже говорили, величину напряжения на вторичной обмотке трансформатора можно изменять с помощью изменения количества витков первичной или вторичной обмоток. На силовых трансформаторах предусмотрено изменение количества витков на обмотке высшего напряжения. Для этого часть витков обмотки высшего напряжения имеют регулировочные ответвления, с помощью которых можно либо добавлять, либо уменьшать количество витков обмотки высшего напряжения. Уменьшая число витков обмотки высшего напряжения, когда она является первичной обмоткой (понижающий трансформатор), уменьшается сопротивление обмотки, следовательно увеличивается ток и магнитный поток в сердечнике трансформатора, а значит и увеличивается напряжение на обмотке низшего напряжения, которая в данном случае является вторичной. И наоборот. Увеличивая число витков обмотки высшего напряжения, увеличивается сопротивление обмотки, следовательно уменьшается ток и магнитный поток в сердечнике трансформатора, а значит и уменьшается напряжение на обмотке низшего напряжения.

В случае повышающего трансформатора, когда обмотка низшего напряжения является первичной, а высшего напряжения вторичной, процесс повышения напряжения на вторичной обмотке происходит не за счет увеличения магнитного потока, а за счет увеличения числа витков вторичной обмотки, то есть обмотки высшего напряжения.

Почему регулировка напряжения производится именно на обмотке высшего напряжения, будет ясно после рассмотрения конструкции переключателя ответвлений. В масляных трансформаторах применяются два типа переключателей ответвлений — ПБВ и РПН. Переключатель ПБВ означает переключение без возбуждения, то есть на отключенном трансформаторе и представляет собой систему неподвижных контактов, соединенных с ответвлениями обмотки и подвижные контакты, соединенные с основной обмоткой. Подвижные контакты находятся на устройстве в виде барабана, поворачивая который рукояткой привода, расположенной на крышке трансформатора, производят изменение числа витков обмотки высшего напряжения. Поскольку часто регулировать таким способом напряжение неудобно из-за необходимости отключения трансформатора, то с помощью переключателей ПБВ производится в основном сезонное регулирование напряжения, когда изменяются нагрузки в прилегающей сети, то есть зимой и летом (зимой нагрузки больше, а значит больше и падение напряжения в сети и напряжение приходится повышать).

Для частых регулировок напряжения на трансформаторах устанавливают переключатель типа РПН, что означает регулирование под нагрузкой. Переключатель ответвлений типа РПН позволяет регулировать напряжение, не отключая трансформатор и даже не снимая с него нагрузку, поэтому и конструкция его сложнее, нежели переключателя ПБВ. Для того, чтобы во время переключения подвижного контакта с одного ответвления на другое не происходило разрыва цепи тока обмотки, в переключателе типа РПН имеется два подвижных контакта на каждую фазу (основной и шунтирующий) и переключение с одного ответвления на другое происходит в два этапа — сначала на новое ответвление переключается основной контакт, а затем шунтирующий. А для того, чтобы в момент, когда основной контакт стоит уже на новом ответвлении, а шунтирующий остался еще на старом, не происходило закорачивание витков, находящихся между этими контактами, в цепи шунтового контакта установлено специальное сопротивление и ток не идет через закоротку, образованную основным и шунтирующим контактами. Переключатель типа РПН установлен не в общем баке трансформатора, где расположен магнитопровод с обмотками, а в отдельном отсеке, куда выведены ответвления обмоток высшего напряжения. Это связано с тем, что при переключениях под нагрузкой между контактами возникает, хоть и незначительная, но электрическая дуга, которая разлагает масло с выделением водорода. И если бы РПН находился в общем баке, то водород постоянно накапливался в газовом реле трансформатора, вызывая, тем самым, не нужные срабатывания газовой защиты (об этом подробнее будет рассмотрено в граве релейная защита и автоматика). РПН может переключаться, как дистанционно ключом управления, так и с помощью автоматики АРН (автоматическое регулирование напряжения), реагирующей на изменения напряжения на вторичной обмотке.

В сухих трансформаторах переключателей ответвлений нет и изменение количества витков происходит путем пересоединения на обмотке каждой фазы специальной металлической пластины, соединяющей основную часть обмотки с добавочными витками.

Автотрансформаторы

Автотрансформаторы служат для соединения распределительных устройств разного напряжения. Автотрансформатор отличается от трех обмоточного трансформатора тем, что у него нет обмотки среднего напряжения. Среднее напряжение берется с части обмотки высшего напряжения. Ведь у обмотки трансформатора соединенной в звезду напряжение от максимального в начале обмотки уменьшается с каждым витком в сторону нейтрали, пока совсем не снизится до нуля на нейтрали после последнего витка. Вот на основе этого принципа и выполнена обмотка среднего напряжения у автотрансформатора. К примеру, у автотрансформатора напряжением 220/110/10 кВ где-то на середине обмотки высшего напряжения (220 кВ) сделаны ответвления соответствующие напряжению 110 кВ, это и есть обмотка среднего напряжения, совмещенная с обмоткой высшего напряжения (вернее, являющаяся ее частью). Поэтому автотрансформатор меньше по габаритам и дешевле трех обмоточного трансформатора той же мощности. Ответвлений на обмотке высшего напряжения несколько (как и в трансформаторе) для возможности регулирования напряжения с помощью переключателя типа РПН.

В ПТЭ можно встретить такое понятие, как допустимое напряжение для данного ответвления обмотки трансформатора. Как это понимать и где взять эти допустимые напряжения? Как мы уже сказали в начале этого раздела, у обмоток трансформаторов соединенных в звезду с каждым витком в сторону нейтрали напряжение уменьшается. В связи с этим уменьшают и изоляцию с каждым витком, а точнее с каждым ответвлением в сторону нейтрали (в целях экономии). Поэтому каждое ответвление имеет свое допустимое напряжение. А посмотреть это напряжение можно в таблице анцапф трансформатора, в заводской инструкции, на худой конец, на табличке прикрепленной к трансформатору.