Рівень навантаження в електричній мережі може змінюватися з часом і такі зміни вимагають регулювання напруги. Для більшості споживачів стабільний рівень напруги є критично важливою умовою.
Для регулювання напруги використовуються спеціальні пристрої, що входять до складу силових трансформаторів. Регулювання напруги проводиться шляхом зміни кількості витків обмоток. У конструкції обмоток трансформатора передбачені спеціальні відгалуження, і внаслідок перемикання відгалупжень можна змінювати кількість витків обмоток, що у роботі. Таким чином, можна змінювати коефіцієнт трансформації k - відношення кількості витків у первинній обмотці (Wвн) до кількості витків у вторинній обмотці (Wнн).
Розрізняють два види пристроїв:
Перемикання без збудження (ПБВ)
Регулювання під навантаженням (РПН).
ПБВ - це тип пристрою регулювання напруги, який використовується для зміни коефіцієнта трансформації трансформатора, коли він вимкнений або знеструмлений. На відміну від пристроїв РПН, які можуть змінювати ступені, коли трансформатор знаходиться під напругою, пристрої ПБВ вимагають відключення трансформатора для перемикання ступенів. Перемикачі ПБВ зазвичай використовуються в трансформаторах, які не потребують частих перемикань або де безперервність роботи не є критичною.
РПН - це пристрій, який використовується для регулювання вихідної напруги силового трансформатора під час його роботи. Трансформатори використовуються для підвищення або зниження напруги електроенергії, а РПН дозволяє змінювати співвідношення обмоток трансформатора для регулювання рівня напруги. []
Для оперативного підтримання рівня напруги в електричній мережі використовують пристрої, що дають змогу регулювати напругу в межах ±10% до ±16% відповідно до змінного добового навантаження. Зазвичай такі пристрої розміщують на стороні високої напруги.
Управління регулятором напруги може бути здійснено дистанційно або автоматично. Також можливе перемикання обмоток ручним способом, але цей метод використовується тільки під час ремонту пристрою. У пристрої передбачено блокування, яке дає змогу перемикатися тільки на одну ступінь регулювання. Під час процесу перемикання обмоток горить червона сигнальна лампа на приводі, а після завершення перемикання лампа гасне, а на механічному табло відображається номер відповідного ступеня.
Регулювання напруги здійснюється шляхом зміни числа витків обмоток, що може створити небезпеку виникнення дуги й перенапруги, здатних пошкодити трансформатор. Тому під час перемикання необхідно застосовувати струмообмежувальні резистори або реактори. Крім того, під час перемикання обмоток необхідно частково замикати обмотки трансформатора, що є ще однією особливістю процесу перемикання. [1]
Рисунок 1 – Зовнішній вигляд пристрою РПН
Детальніше розглянемо конструкцію РПН. Конструкція пристроїв РПН може відрізнятися залежно від виробника і конкретного застосування, але є деякі загальні конструктивні особливості, які притаманні більшості пристроїв РПН. Конструкція РПН складається з трьох однофазних пристроїв, ідентичних між собою, встановлених у корпусі селекторного перемикача. Кожен однофазний пристрій складається із селекторного перемикача та дугогасильних контактів.
Селекторний перемикач складається з нерухомих контактів і системи рухомих контактів. Нерухомі контакти встановлюються на втулках, які вставляються через стінку циліндра в корпус селекторного перемикача. Кожен нерухомий контакт має два контактних майданчика з кожного боку: один для рухомого головного контакту боку, і один для рухомих перемикальних контактів. Однофазна система рухомих контактів складається з головного контакту, головного перемикального контакту і двох дугогасильних контактів. Система являє собою жорсткий вузол і обертається загальним ізольованим приводним валом.
У процесі роботи струм навантаження передається рухомим головним контактом, який складається з двох пальчиків, притиснутих до нерухомого контакту пружиною. Рухомий перемикальний контакт і дугогасильні контакти являють собою ролики, які рухаються зверху ножеподібних нерухомих контактів. див. рис. 2. Переривання відбувається між нерухомим і рухомим перемикальним контактом.
Перемикальні контакти виготовлені зі сплаву міді/вольфраму або, у разі роботи РПН на низькі струми, з міді. У процесі роботи струм проводиться по чистій поверхні міді або срібла, які не схильні до дуги.
Рисунок 2 – Конструкція РПН на прикладі типу «UBBRT» фірми «АВВ»
1 – реле тиску, 2 – клапан спуску повітря, 3 – віконце покажчика положення, 4 – клема струмознімача, 5 – струмообмежувальний реактор, 6 – Екрануючі кільця, 7 – дно пристрою, 8 – гвинт нижнього клапану спуску оливи, 9 – вал селекторного перемикача, 10 – рухомі контакти селектора, 11 – нерухомі контакти селектора, 12 – нерухомі контакти обирача, 13 –рухомі контакти обирача, 14 – циліндр, 15 – фланець, 16 – кришка, 17 – конічний редуктор, 18 – оливний клапан, 19 – патрубок маслорозширювача.
Обирач призначений для реверсу регулювальної обмотки або для зміни з'єднання під час регулювання. Одна фаза обирача складається з рухомого контакту і трьох нерухомих контактів. Рухомий контакт закріплений зверху на осі приводного вала ізольованого циліндра див. рис.2. Струм проводиться за допомогою чотирьох контактних пальців рухомого контакту. Обирач не бере участі в перериванні струму під час перемикання. [2]
Р
озглянемо детальніше роботу РПН з струмообмежувальним реактором та з резистором. Конструкція РПН зі струмообмежувальними реакторами охоплює один реактор, два контактори і два обирача. Контактори приєднані до кожної з двох обмоток реактора. Під час нормальної роботи, два контактори і два обирача замкнуті і через них протікає струм.
Рисунок 3 - Робота РПН реакторного типу
Коли відбуваються перемикання, контактор К2 розмикає електричний ланцюг (Рис. 3-б). У цей час обмотка частково замкнута, а струм буде обмежений реактором Р. Потім відбувається перемикання контакту оюирача П з боку розімкнутого контактора К2 (рис. 3-в). На рис. 3г обидва контактори К1 і К2 замкнуті. Наступним кроком під час перемикань є розмикання контактора К1. Струм протікає через контактор К2 і реактор (рис. 3-д). На малюнку 3-е обирач перемикається на потрібне відгалуження обмотки трансформатора. На малюнку 3-ж обидва контактори замкнуті і струм протікає через них. Це положення аналогічне малюнку 3-а з тією різницею, що обирачі перебувають на інших відгалуженнях обмоток трансформатора. Перемикання витків обмоток на цьому завершується. [1]
Рисунок 4 - Робота РПН резисторного типу
Послідовність роботи РПН резисторного типу включає такі етапи. На рис. 4-а показано робоче положення пристрою. Контактори К1, К3 і два контакти обирачів замкнуті. Резистор R1 зашунтований і струм протікає через контактор К1. Контактори К2 і К4 розімкнуті. На рис. 4-б правий виборець перемикає контакти відгалужень обмоток. Потім розмикається контактор К1. (Малюнок 4-в). На малюнку 4-г контактори К3 і К4 замкнуті і струм протікає через резистори R1 і R2. Потім, як показано на малюнку 4-д, розмикається контактор К3. Наступний етап - увімкнення контактора К2, що показано на малюнку 4-е. Струм протікає через нього, а резистор R2 залишається зашунтованим. Перемикання завершено.
РПН зі струмообмежувальними резисторами і РПН реакторного типу мають різні конструкції, які краще підходять для перемикання струмів з високими значеннями і високими напругами відповідно. РПН реакторного типу зазвичай розташовують з боку обмоток низької напруги, тоді як РПН зі струмообмежувальними резисторами розташовують з боку обмотки високої напруги.
Протягом багатьох років у конструкцію і технологію пристроїв РПН було впроваджено кілька інновацій, спрямованих на підвищення їхньої продуктивності, надійності та ефективності. Ось кілька прикладів:
Сенсорна технологія: Сучасні РПН можуть містити датчики для моніторингу стану і температури трансформатора, а також положення перемикача РПН. Ці дані можна використовувати для оптимізації роботи трансформатора та раннього виявлення будь-яких несправностей або проблем.
РПН, що не потребують технічного обслуговування: Деякі виробники розробили РПН, які не потребують технічного обслуговування протягом 30 років. У таких пристроях використовуються спеціальні матеріали та покриття для зменшення зносу та корозії, а також вони герметичні, щоб запобігти потраплянню вологи та інших забруднювачів у систему.
Розумні РПН використовують передові алгоритми та методи аналізу даних для оптимізації продуктивності трансформатора та раннього виявлення будь-яких проблем. Вони також можуть дистанційно контролюватися і управлятися, що дозволяє пришвидшити час реагування і скоротити час простою.
Одним із прикладів інтелектуального пристрою РПН є MR Tapcon® 230 від Maschinenfabrik Reinhausen (MR). Цей пристрій має розширені можливості цифрового керування та моніторингу, які дозволяють підвищити ефективність і надійність трансформатора.
MR Tapcon® 230 є електронним блоком управління, який забезпечує моніторинг трансформатора в режимі реального часу, включаючи положення РПН, температуру, рівень масла та температуру обмоток. Ця інформація передається в центральну систему управління, що дозволяє здійснювати дистанційний моніторинг і аналіз стану трансформатора.
Цей пристрій також включає в себе вдосконалені алгоритми керування, які можуть оптимізувати положення перемикача залежно від навантаження та вхідної напруги, що дозволяє покращити регулювання напруги та зменшити втрати електроенергії. MR Tapcon® 230 можна запрограмувати на автоматичне регулювання положення перемикача у відповідь на зміни напруги або частоти мережі. Крім того, цей блок має систему самодіагностики, яка може виявити потенційні несправності або збої та забезпечити раннє попередження про проблеми. Це може допомогти зменшити ризик відмов трансформатора та простоїв.
Загалом, MR Tapcon® 230 є прикладом інтелектуального РПН, який використовує передові технології цифрового керування та моніторингу для підвищення ефективності та надійності трансформатора. [3]
Ці інновації спрямовані на підвищення продуктивності, надійності та стійкості пристроїв РПН, що робить їх все більш актуальним компонентом сучасних енергосистем.
Список використаних джерел
Яндульський О.С., Труніна Г.О., Нестерко А.Б. Регулювання напруги в розподільних електричних мережах з відновлюваними джерелами енергії: монографія. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. 191 с.
Пристрій регулювання напруги під навантаженням (РПН), тип UBB: Технічний посібник. Ел. Ресурс. URL: https://library.e.abb.com/public/50a0f24a7daa4108839e22cc0f211c61/106_ru4.pdf (дата звернення: 22.03.2023).
Voltage regulator TAPCON® 230 pro/expert: Operating Instructions 2136339/04. URL: https://www.highvolt.de/en/PortalData/1/Resources/tc/products/electronics/tapcon/tapcon_230pro_expert/BA2136339_04_EN_TAPCON230_pro_expert.pdf (дата звернення: 25.03.2023).