Автотрансформатор Российский патент 2023 года по МПК H01F30/02 H01F29/04 H01F27/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике, в частности к трансформаторостроению, и может найти применение в силовых автотрансформаторах для электроэнергетики.

Уровень техники

Известен автотрансформатор, содержащий магнитную систему, последовательную обмотку, один отвод которой предназначен для подключения к контактному зажиму стороны высшего напряжения, общую обмотку, один отвод которой предназначен для подключения к контактному зажиму нейтрали автотрансформатора, третью обмотку, которая не имеет гальванической связи с другими обмотками, регулировочную обмотку с устройством регулирования напряжения, которые с одной стороны соединяются со вторым отводом последовательной обмотки, а с другой стороны соединяются со вторым отводом общей обмотки и контактным зажимом стороны среднего напряжения. (Силовые трансформаторы / Справочная книга / Под ред. С.Д. Лизунова, А.К. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004. - с. 105-111, рис. 6.2 б, в).

Также известен автотрансформатор, содержащий магнитную систему, последовательную обмотку, один отвод которой предназначен для подключения к контактному зажиму стороны высшего напряжения, общую обмотку, один отвод которой предназначен для подключения к контактному зажиму нейтрали автотрансформатора, третью обмотку, которая не имеет гальванической связи с другими обмотками, и регулировочную обмотку с устройством регулирования напряжения. При этом через все витки регулировочной обмотки соединяются второй отвод общей обмотки и контактный зажим стороны среднего напряжения, а устройство регулирования напряжения соединяет второй отвод последовательной обмотки с ответвлением регулировочной обмотки. (Силовые трансформаторы / Справочная книга / Под ред. С.Д. Лизунова, А.К. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004. - с. 65, рис. 3.9 б).

Указанные выше автотрансформаторы позволяют регулировать напряжения сторон высшего и среднего напряжения относительно друг друга и сторону высшего напряжения относительно напряжения третьей обмотки. Недостатком указанных автотрансформаторов является невозможность нормализовать значение магнитной индукции в магнитной системе и напряжения третьей обмотки, вызванными отклонением напряжения питания со стороны среднего напряжения. Повышение магнитной индукции в магнитной системе может привести к насыщению электротехнической стали и выходу автотрансформатора из строя.

Известен автотрансформатор, содержащий магнитную систему, последовательную обмотку, один отвод которой предназначен для подключения к контактному зажиму стороны высшего напряжения, общую обмотку, один отвод которой предназначен для подключения к контактному зажиму нейтрали автотрансформатора, а другой соединен со вторым отводом последовательной обмотки, третью обмотку, которая не имеет гальванической связи с другими обмотками, и регулировочную обмотку с устройством регулирования напряжения. При этом регулировочная обмотка с устройством регулирования напряжения с одной стороны соединяются с общей точкой последовательной и общей обмоток, а со второй стороны предназначены для подключения к контактному зажиму стороны среднего напряжения. (Силовые трансформаторы/ Справочная книга / Под ред. С.Д. Лизунова, А.К. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004. - с. 105-111, рис. 6.3 б).

Указанный автотрансформатор позволяет регулировать напряжение сторон высшего и среднего напряжения относительно друг друга и сторону среднего напряжения относительно напряжения третьей обмотки. Недостатком автотрансформатора является невозможность нормализовать значение магнитной индукции в магнитной системе и напряжения третьей обмотки, вызванными отклонением напряжения питании со стороны высшего напряжения.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является автотрансформатор, содержащий магнитную систему, последовательную обмотку, один отвод которой подключен к контактному зажиму стороны высшего напряжения, общую обмотку, один отвод которой соединен со вторым отводом последовательной обмотки и подключен к контактному зажиму стороны среднего напряжения, регулировочную обмотку с устройством регулирования напряжения, которые с одной стороны соединяются со вторым отводом общей обмотки, а с другой стороны предназначены для подключения к контактному зажиму нейтрали автотрансформатора, и третью обмотку, которая не имеет гальванической связи с другими обмотками. (Силовые трансформаторы/ Справочная книга / Под ред. С.Д. Лизунова, А.К. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004. - с.107-111, рис. 6.4 а, б).

Указанный автотрансформатор позволяет отрегулировать значение магнитной индукции в магнитной системе и напряжение третьей обмотки до номинальных значений, отклонение которых вызвано изменением напряжения питания со стороны среднего или высокого напряжения. При этом указанный автотрансформатор не может обеспечить требуемое одновременное регулирование напряжения сторон высшего, среднего напряжения и сохранения номинального напряжения третьей обмотки по причине значительного изменения значения магнитной индукции в магнитной системе при регулировании напряжения сторон высшего и среднего напряжения относительно друг друга.

При этом для регулирования напряжения на стороне третьей обмотки известных автотрансформаторов необходимо на электрической подстанции дополнительно применять силовой трансформатор с возможностью регулирования напряжения или линейный регулировочный трансформаторный агрегат.

Термины и понятия

Под устройствами регулирования напряжения понимается устройство, предназначенное для регулирования напряжения автотрансформатора и включающее все необходимые для этого аппараты, механизмы и составные части, за исключением регулировочных обмоток.

Под регулировочной обмоткой понимается отдельно выполненная часть обмотки высшего, среднего или низшего напряжения автотрансформатора, имеющая ответвления, переключаемые при регулировании напряжения.

Под нейтралью автотрансформатора понимается общая точка обмоток фаз высшего или среднего напряжения трехфазного автотрансформатора или трехфазной группы однофазных автотрансформаторов, соединяемых в «звезду».

Раскрытие сущности изобретения

Техническими результатами, достигаемыми за счет использования заявленного устройства, являются возможность раздельного регулирования напряжения по двум сторонам, повышение надежности работы при отклонении питающего напряжения, простота конструкции, снижение материалоемкости и массогабаритных параметров.

Технические результаты заявленного изобретения достигается благодаря тому, что автотрансформатор, содержит магнитную систему, последовательную обмотку, один отвод которой подключен к контактному зажиму стороны высшего напряжения, общую обмотку, регулировочную обмотку с устройством регулирования напряжения, которые с одной стороны подключаются к отводу общей обмотки, а с другой стороны предназначены для подключения к контактному зажиму нейтрали автотрансформатора, и третью обмотку, которая не имеет гальванической связи с другими обмотками, согласно настоящему изобретению, при этом содержит вторую регулировочную обмотку с устройством регулирования напряжения, которые позволяют регулировать высшее напряжение, не изменяя среднее напряжение, и подключены к другому отводу последовательной обмотки, другому отводу общей обмотки и контактному зажиму стороны среднего напряжения.

Сущность изобретения поясняется следующим образом.

Применение только одной регулировочной обмотки с устройством регулирования напряжения в автотрансформаторе не позволяет обеспечить раздельное регулирование по двум сторонам напряжения автотрансформатора. Для этого необходимо использовать две регулировочные обмотки с устройствами регулирования напряжения.

В случае размещения дополнительной регулировочной обмотки с устройством регулирования напряжения в цепи третьей обмотки позволит нормализовать напряжение третьей обмотки и добиться регулирования напряжения по двум сторонам автотрансформатора. При этом использование устройства регулирования напряжения в цепи третьей обмотки может ограничиваться допустимыми значениями тока самого устройства регулирования напряжения. Например, силовые автотрансформаторы класса 220 кВ изготавливаются с классом напряжения третьей обмотки 35 кВ и ниже, что при значительных мощностях приводит к значительным токам в обмотке. Так, в случае применения устройства регулирования напряжения в цепи третьей обмотки трехфазной мощностью 63 МВА, соединенной в «треугольник» и номинальным напряжением 11 кВ, номинальный ток устройства регулирования напряжения должен составлять не менее 1909 А, что в связи с отсутствием таких трехфазных устройств регулирования напряжения под нагрузкой приведет к необходимости использования трех однофазных устройств регулирования напряжения под нагрузкой. Это увеличит материалоемкость и габариты автотрансформатора. При еще больших значениях тока третьей обмотки, из-за отсутствия устройств регулирования напряжения на этот ток, делает невозможным создание автотрансформатора без применения вольтодобавочных трансформаторов, что еще больше увеличивает расход материалов и габариты автотрансформатора. Также недостатком такого автотрансформатора будет отсутствие возможности нормализовать значение магнитной индукции в магнитной системе:

- при использовании другой регулировочной обмотки с устройством регулирования напряжения для регулирования высшего напряжения в случае получения питания со стороны среднего напряжения;

- при использовании другой регулировочной обмотки с устройством регулирования напряжения для регулирования среднего напряжения в случае получения питания со стороны высшего напряжения;

- при размещении другой регулировочной обмотки с устройством регулирования напряжения в цепи общей обмотки при регулировании напряжения сторон высшего и среднего напряжения относительно друг друга.

Поэтому в заявленном устройстве размещение регулировочных обмоток с устройствами регулирования напряжения выполняется на сторонах высшего и среднего напряжения.

Наиболее простым и экономичным решением является подключение одной из регулировочных обмоток с устройством регулирования напряжения между общей обмоткой и нейтралью автотрансформатора. Это позволяет использовать регулировочную обмотку и устройство регулирования напряжения на сравнительно низкий уровень изоляции и на разницу токов сторон среднего и высокого напряжения. При этом регулирование напряжения будет одновременно осуществляться по стороне высшего напряжения и по стороне среднего напряжения.

Для обеспечения раздельного регулирования напряжения по двум сторонам напряжения заявленное устройство содержит вторую регулировочную обмотку с устройством регулирования напряжения, которые для снижения их уровня изоляции подключены к отводу последовательной обмотки, расположенному ближе к нейтрали автотрансформатора, и обеспечивают соединение с отводом общей обмотки и контактным зажимом стороны среднего напряжения.

Обычно для регулирования высшего напряжения требуется большее число витков регулировочной обмотки, чем для регулирования среднего напряжения. Поэтому регулировочная обмотка с устройством регулирования напряжения, подключаемые между общей обмоткой и нейтралью автотрансформатора, будут в основном предназначаться для регулирования среднего напряжения, в связи, с чем вторая регулировочная обмотка с устройством регулирования напряжения должны регулировать высшее напряжение, не изменяя среднее напряжение. В противном случае, регулировочная обмотка, подключаемая ближайшей к нейтрали автотрансформатора, будет иметь большее число витков, чем вторая регулировочная обмотка, рассчитанная на регулирование среднего напряжения. Это приведет к невозможности отрегулировать среднее напряжение при регулировании высшего напряжения в случае включения в работу числа витков регулировочной обмотки, подключаемой ближайшей к нейтрали, больше, чем есть всего витков во второй регулировочной обмотке.

В связи с тем, что автотрансформатор в нормальном режиме работы получает питание по стороне высшего напряжения или по стороне среднего напряжения наличие возможности регулирования числа витков по этим сторонам позволяет регулировать значение магнитной индукции в магнитной системе. Это позволяет не допустить насыщения электротехнической стали магнитной системы, а значит повысить надежность работы автотрансформатора.

Силовые автотрансформаторы одного типа, как правило, изготавливаются на различные классы напряжения третьей обмотки (сторона низшего напряжения), например, 6, 10, 20, 35 кВ. При этом конструктивно стороны высшего и среднего напряжения остаются неизменны. Отсутствие регулировочной обмотки с устройством регулирования напряжения в цепи третьей обмотки создает возможность выполнения более простой и унифицированной конструкции автотрансформатора.

Обеспечение раздельного регулирования напряжения по двум сторонам напряжения в одном устройстве позволяет отказаться от применения дополнительных трансформаторных единиц (силового трансформатора с возможностью регулирования напряжения или линейного регулировочного трансформаторного агрегата) на электрической подстанции. При этом подключение регулировочных обмоток в цепях последовательной и общей обмоток, имеющих меньшие токи, чем у третьей обмотки, а также подключение их к отводам обмоток, расположенным ближе к нейтрали автотрансформатора, позволяют снижать размеры пространства, занимаемое регулировочными обмотками, их отводами и устройствами регулирования напряжения. Это ведет к простоте конструкции, снижению материалоемкости и массогабаритных параметров автотрансформатора.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется схемами (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4), где:

- на Фиг. 1 изображена электрическая принципиальная схема одной фазы автотрансформатора с устройствами регулирования напряжения под нагрузкой со схемой реверсирования регулировочной обмотки;

- на Фиг. 2 изображена электрическая принципиальная схема одной фазы автотрансформатора с устройствами регулирования напряжения под нагрузкой со схемой без предызбирателя;

- на Фиг. 3 схематично изображен разрез фазы автотрансформатора (вид спереди) с выполнением регулировочных обмоток в виде отдельных концентрических цилиндров.

- на Фиг. 4 схематично изображен разрез фазы автотрансформатора (вид спереди) с выполнением регулировочных обмоток в виде одного концентрического цилиндра.

Перечень позиций на схемах:

1 - магнитная система автотрансформатора;

2 - стержень магнитной системы автотрансформатора;

3 - фаза последовательной обмотки автотрансформатора;

4 - отвод последовательной обмотки, подключенный к контактному зажиму стороны высшего напряжения автотрансформатора;

5 - контактный зажим стороны высшего напряжения автотрансформатора;

6 - фаза общей обмотки автотрансформатора;

7 - регулировочная обмотка, подключаемая между общей обмоткой и нейтралью автотрансформатора;

8 - устройство регулирования напряжения регулировочной обмотки, подключаемой между общей обмоткой и нейтралью автотрансформатора;

9 - отвод общей обмотки, расположенный ближе к нейтрали автотрансформатора;

10 - контактный зажим нейтрали автотрансформатора;

11 - фаза третьей обмотки автотрансформатора;

12 - регулировочная обмотка, подключаемая между последовательной обмоткой, общей обмоткой и контактным зажимом стороны среднего напряжения;

13 - устройство регулирования напряжения регулировочной обмотки, подключаемой между последовательной обмоткой, общей обмоткой и контактным зажимом стороны среднего напряжения;

14 - контактный зажим стороны среднего напряжения автотрансформатора;

15 - отвод последовательной обмотки, расположенный ближе к нейтрали автотрансформатора;

16 - отвод общей обмотки, расположенный ближе к контактному зажиму стороны среднего напряжения автотрансформатора;

17, 18 - контактные зажимы третьей обмотки автотрансформатора.

Автотрансформатор содержит магнитную систему 1 (Фиг. 1, Фиг. 2), которая содержит стержень магнитной системы 2 (Фиг. 3, Фиг. 4), последовательную обмотку 3, один отвод 4 которой подключен к контактному зажиму стороны высшего напряжения 5, общую обмотку 6, регулировочную обмотку 7 с устройством регулирования напряжения 8, которые с одной стороны подключаются к отводу общей обмотки 9, а с другой стороны предназначены для подключения к контактному зажиму нейтрали автотрансформатора 10 и третью обмотку 11, которая не имеет гальванической связи с другими обмотками. Также автотрансформатор содержит вторую регулировочную обмотку 12 с устройством регулирования напряжения 13, которые позволяют регулировать высшее напряжение на контактном зажиме 5, не изменяя среднее напряжение на контактном зажиме 14, и подключены к другому отводу последовательной обмотки 15, другому отводу общей обмотки 16 и контактному зажиму стороны среднего напряжения 14. При этом контактный зажим 5 предназначен для подключения стороны высшего напряжения автотрансформатора, контактный зажим 14 предназначен для подключения стороны среднего напряжения автотрансформатора и контактные зажимы 17, 18 для подключения стороны низшего напряжения автотрансформатора.

Осуществление изобретения

Автотрансформатор работает следующим образом. При работе автотрансформатора напряжения на его контактных зажимах будут определяться из величины питающего напряжения и параметров нагрузки по его стороне (сторонам). При этом для изменения напряжения на контактном зажиме стороны высшего напряжения 5 необходимо с помощью устройства регулирования напряжения 13 переключить число витков регулировочной обмотки 12. Для изменения напряжения на контактном зажиме стороны среднего напряжения 14 необходимо с помощью устройства регулирования напряжения 8 переключить число витков регулировочной обмотки 7 и для восстановления, предшествующего переключению напряжения на контактном зажиме стороны высшего напряжения 5 с помощью устройства регулирования напряжения 13 переключить число витков регулировочной обмотки 12. Для изменения напряжения на контактных зажимах стороны низшего напряжения 17, 18, а также значения магнитной индукции в магнитной системе 1 необходимо изменить напряжение на контактных зажимах питающей стороны (высшего 5 или среднего 14 напряжения) автотрансформатора.

В частном случае, регулировочная обмотка 12, располагается снаружи третьей 11, общей 6 и последовательной 3 обмоток, а регулировочная обмотка 7, располагается снаружи регулировочной обмотки 12 (Фиг. 3). Данное изображение приведено для облегчения понимания настоящей заявки. Для специалистов в данной области техники, очевидно, что может быть выполнено любое другое расположение обмоток относительно друг друга, которое будет определяться из простоты конструкции для конкретных технических требований к автотрансформатору. Например, регулировочная обмотка 7 может располагаться внутри регулировочной обмотки 12, если это упростит конструкцию вывода отводов от регулировочных обмоток для конкретной конструкции автотрансформатора или регулировочная обмотка 12 может располагаться между общей обмоткой 6 и последовательной обмоткой 3 для изменения соотношения значений парных напряжений короткого замыкания автотрансформатора, что может быть использовано для снижения токов короткого замыкания. Аналогично регулировочная обмотка 12 и регулировочная обмотка 7 могут выполняться в виде одного концентрического цилиндра, расположенного снаружи других обмоток (Фиг. 4).

В частном случае, на электрической принципиальной схеме одной фазы автотрансформатора (Фиг. 1) в качестве устройств регулирования напряжения 8, 13 регулировочных обмоток 7, 12 изображены устройства регулирования напряжения под нагрузкой со схемой реверсирования регулировочной обмотки. Аналогично взамен любого из устройств регулирования напряжения 8, 13 регулировочных обмоток 7, 12 может быть применено устройство регулирования напряжения под нагрузкой со схемой без предызбирателя, со схемой со ступенью грубого регулирования или устройство переключения ответвлений обмоток без возбуждения. При этом устройства регулирования напряжения 8, 13 могут быть однофазными или трехфазным, в зависимости от количества фаз и конкретных технических параметров автотрансформатора.

В частном случае, на электрической принципиальной схеме одной фазы автотрансформатора (Фиг. 2) в качестве устройств регулирования напряжения 8, 13 регулировочных обмоток 7, 12 изображены устройства регулирования напряжения под нагрузкой со схемой без предызбирателя, а также отличным от схемы, приведенной на Фиг. 1, способом подключения регулировочной обмотки 12 с устройством регулирования напряжения 13 к отводу последовательной обмотки 15, отводу общей обмотки 16 и контактному зажиму стороны среднего напряжения 14. В частном случае, могут применяться и другие варианты соединения регулировочной обмотки с устройством регулирования напряжения и другими обмотками, которые не изменяют сущности заявленного устройства.

В частном случае, на электрической принципиальной схеме одной фазы автотрансформатора (Фиг. 1, Фиг. 2) количество ступеней регулирования регулировочных обмоток 7, 12 изображено в количестве шести. Изображенное число ступеней регулирования приведено для облегчения понимания настоящей заявки. Аналогично могут быть реализованы одна и более ступеней регулирования в любой из обмоток регулирования 7, 12 автотрансформатора.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к трансформаторостроению, и может найти применение в силовых автотрансформаторах для электроэнергетики. Технический результат заключается в повышении надежности работы автотрансформатора при отклонении питающего напряжения, в возможности раздельного регулирования напряжения по двум сторонам, в упрощении массогабаритных характеристик. Автотрансформатор содержит магнитную систему, последовательную обмотку, один отвод которой подключен к контактному зажиму стороны высшего напряжения. Также содержит общую обмотку и регулировочную обмотку с устройством регулирования напряжения, которые с одной стороны подключаются к отводу общей обмотки, а с другой стороны предназначены для подключения к контактному зажиму нейтрали автотрансформатора, третью обмотку, которая не имеет гальванической связи с другими обмотками. А также содержит вторую регулировочную обмотку с устройством регулирования напряжения, которые позволяют регулировать высшее напряжение, не изменяя среднее напряжение, и подключены к другому отводу последовательной обмотки, другому отводу общей обмотки и контактному зажиму стороны среднего напряжения. 4 ил.

Автотрансформатор, содержащий магнитную систему, последовательную обмотку, один отвод которой подключен к контактному зажиму стороны высшего напряжения, общую обмотку, регулировочную обмотку с устройством регулирования напряжения, которые с одной стороны подключаются к отводу общей обмотки, а с другой стороны предназначены для подключения к контактному зажиму нейтрали автотрансформатора, и третью обмотку, которая не имеет гальванической связи с другими обмотками, отличающийся тем, что он содержит вторую регулировочную обмотку с устройством регулирования напряжения, которые позволяют регулировать высшее напряжение, не изменяя среднее напряжение, и подключены к другому отводу последовательной обмотки, другому отводу общей обмотки и контактному зажиму стороны среднего напряжения.