Автотрансформатор
Автотрансформатором (АТ) называется трансформатор, две или более обмотки которого гальванически связаны так, что они имеют общую часть. Обмотки АТ связаны электрически и магнитно, и передача энергии из первичной цепи во вторичную происходит как посредством магнитного поля, так и электрическим путём.
Общие положения
Везде, где необходимо преобразовывать близкие напряжения (110 и 220, 220 и 330,330 и 500, 500 и 750 кВ), используются только автотрансформаторы. Для энергосистем часто требуется создание установок, преобразующих напряжение и имеющих предельные мощности. Габариты трансформатором и автотрансформаторов лимитируются железнодорожными габаритами и возможностями их доставки с завода-изготовителя на место эксплуатации. Автотрансформатор из-за меньшего расхода активных материалов в заданных габаритах удается выполнить на большую мощность, чем трансформатор.
В конструктивном отношении автотрансформаторы практически не отличаются от трансформаторов.
Обмотка низшего напряжения магнитно связана с двумя другими. Обмотки же последовательная и общая (П и О на рис.1) непосредственно электрически соединены друг с другом и, кроме того, имеют магнитную связь. По последовательной обмотке течёт ток ток [math] I_в [/math], а по общей - [math] ( I_в - I_c) [/math]. Номинальной мощностью АТ называют мощность, которую автотрансформатор может принять из сети высшего напряжения или передать в эту сеть при номинальных условиях работы:
[math]S_{ном} = \sqrt{3} \cdot U_{в.ном} \cdot I_{в.ном} [/math] (1)
Эта мощность также называется проходной. Она равна предельной мощности, которую АТ может передать из сети высшего напряжения в сеть среднего напряжения и наоборот при отсутствии нагрузки на обмотке низшего напряжения.
Последовательная обмотка П рассчитывается на типовую мощность
[math]S_{тип} = \sqrt{3} \cdot (U_{в.ном}-U_{с.ном}) \cdot I_{в.ном}=\sqrt{3} \cdot U_{в.ном} \cdot I_{в.ном} \cdot (1- \frac{U_{с.ном}}{U_{в.ном}}) = \alpha \cdot S_{ном} [/math] (2)
где [math]\alpha = 1- \frac{U_{с.ном}}{U_{в.ном}} [/math] - коэффициент выгодности, показывающий, во сколько раз [math]S_{тип} [/math] меньше [math]S_{ном} [/math].
Напряжение общей обмотки меньше [math]U_{ном} [/math], ток в ней равен [math]I_{в.ном}-I_{с.ном} [/math], поэтому её мощность меньше [math]S_{ном} [/math]. Обмотка низшего напряжения также рассчитывается на [math]S_{тип} [/math] или на мощность меньше [math]S_{тип} [/math]. Её номинальная мощность выражается через номинальную мощность АТ так:
[math]S_{н.ном} = \alpha_{н.н} \cdot S_{ном}[/math] (2.а)
где для [math]U_{в.ном} \leq 330 кВ \quad \alpha_{н.н}=0,25; 0,4; 0,5 [/math].
В автотрансформаторе общая и последовательная обмотки рассчитаны на типовую мощность [math]S_{тип}\lt S_{ном}[/math] , а обмотки низшего напряжения - на [math]\alpha_{н.н} \cdot S_{ном}\lt S_{ном}[/math] . Таким образом, через понижающий АТ можно передать мощность, большую той, на которую выполняются его обмотки. Чем меньше коэффициент выгодности [math] \alpha = \frac{S_{тип}}{S_{ном}}[/math], тем более экономичен АТ, по сравнению с трёхобмоточным трансформатором. Чем ближе номинальные напряжения на средней и высшей сторонах автотрансформатора, тем меньше [math] \alpha [/math] и тем выгоднее использовать АТ. При [math]U_{c}=U_{в} \quad \alpha=0[/math] (см. (2.а)).
Недостатком АТ является необходимость выполнения изоляции обмоток П и О на большее напряжение, так как обмотки имеют электрическую связь. Автотрансформаторы не могут применяться в качестве силовых в сетях 6 кВ при понижении напряжения до 0,38 кВ, так как напряжение 380 кВ подводится к оборудованию, на котором работают люди. При авариях из-за наличия электрической связи между обмотками в АТ высшее напряжение может оказаться приложенным к обмотке низшего.
Большой ток короткого замыкания также является недостатком АТ. Это вызывает необходимость ограничивать токи короткого замыкания за счёт других элементом системы.
Схема замещения автотрансформатора
Схема замещения автотрансформатора с [math]U_{ном} \gt 220 кВ[/math] приведена на рис.3, а для автотрансформатора с [math]U_{ном} \leq 220 кВ[/math] используется упрощенная схема, представленная на рис.4.
Потери холостого хода [math] \Delta P_{х}[/math] и [math] \Delta Q_{х}[/math] определяются так же, как и для двухобмоточного трансформатора. Активные потери [math] \Delta P_{х}[/math]- известная каталожная величина, а [math] \Delta Q_{х}[/math] определяется по каталожному значению [math] I_x [/math],% из выражения:
[math] \Delta Q_{х}=\frac{I_x}{100}\cdot S_{ном} [/math]
