Автоматическое поддержание на необходимом уровне напряжения и уменьшение реактивной мощности – задачи, без решения которых сложно обеспечить качественную работу электрических сетей.

     Основным фактором, мешающим привести на зажимы потребителей номинальное напряжение в разрешенных пределах, являются сами линии 6-10 кВ и 0,4 кВ, а точнее, падения напряжений в них в виду их значительной протяженности и дополнительные падения напряжений с завышенным ростом нагрузки.

    Известны трансформаторы с плавным бесконтактным регулированием напряжения под нагрузкой работающие на принципах:

     а) механического перемещения обмоток или частей сердечника;

     б) изменения магнитной проницаемости сердечника путем его подмагничивания постоянным током;

     в)  использования силовых транзисторов и тиристоров.    

     Желаемый результат в них достигается привнесением в трансформатор того, чего в естественном виде в нем нет и регулирование напряжения основано на стороннем воздействии на работу трансформатора, поэтому изначально ведет к конструктивным, техническим и эксплуатационным издержкам.  Все это и привело к результатам не устраивающим большую энергетику.      

     В настоящее время регулирование напряжения осуществляют трансформаторами с РПН с питающих подстанций. Эти трансформаторы достаточно сложны по своей конструкции и потому не дешевы. Их эксплуатация – постоянная головная боль сетевых инженеров и обслуживающего персонала. Работа такого трансформатора в автоматическом режиме, какой бы безопасной она не декларировалась, всегда связана с определенным риском. А для работы в ручном режиме, трансформатор вообще должен быть обесточен.

     Для работы трансформатора с РПН нужна автоматика, которая следит за его выходным напряжением. Напряжение регулируется ступенчато. Каждая регулировка есть внешнее вмешательство в работу трансформатора.

     Существующая подстанция с трансформатором с РПН может быть преобразована в подстанцию с автоматически изменяющимися при изменении нагрузки выходным напряжением и входной реактивной мощностью путем установки на ней обычного силового трансформатора (без РПН), статического электромагнитного аппарата, условно называемого дополнительным трансформатором и конденсаторной батареи. Основной трансформатор вместе с дополнительным трансформатором и конденсаторной батареей образуют единый статический электромагнитный аппарат, называемый нами составным трансформатором.

     Дополнительный трансформатор выполняется на сердечнике стандартного трансформатора в 5-10 раз меньшей мощности по сравнению с мощностью основного трансформатора подстанции. Его обмотки содержат, примерно, 10-20%  количества витков соответствующих обмоток основного трансформатора.

     Затраты на его изготовление выражаются в дополнительных 17–40 %  массы стали и 12–18 %  массы меди по отношению к исходному основному трансформатору. Большие цифры соответствуют трансформатору 63 кВА, меньшие – 630 кВА. Для трансформаторов больших мощностей процентные соотношения будут еще меньше.

     Емкость конденсаторной батареи составляет 50–70 мкф для трансформаторов класса 10/0,4 кВ и  130–200 мкф для трансформаторов класса  6/0,4 кВ.

     Если говорить о регулирующих трансформаторах питающих подстанций класса напряжений  110/10  или  110/6 кВ, то затраты на изготоление дополнительного трансформатора, в этом случае, будут выражаться в менее 10% массы стали и в менее 12% массы меди по отношению к исходному основному трансформатору начиная с мощности 6300 кВА. Емкостная часть составит 3–5 мкф для трансформаторов класса 110/6 кВ и 6–10 мкф для трансформаторов класса  110/10 кВ.

     Наличие конденсаторной батареи большой ёмкости объясняется малым сопротивлением индуктивной составляющей входного сопротивления дополнительного трансформатора. Однако, с увеличением первичного напряжения основного трансформатора, ёмкость батареи быстро уменьшается и у составных трансформаторов класса напряжения 110 кВ она составляет единицы микрофарад.

     Вообще, «размеры» дополнительного трансформатора (сердечник и число витков в обмотках) и емкости конденсаторных батарей находятся в естественной обратной зависимости. Чем больше «размеры» дополнительного трансформатора, тем меньше емкость конденсаторных батарей и  наоборот.

     Исходя из приведенных цифр нетрудно подсчитать общую себестоимость составного трансформатора и сравнить ее с себестоимостью трансформатора с РПН, если известно, что наличие РПН увеличивает стоимость трансформатора на 100-150%.

     Выходное напряжение составного трансформатора никак не контролируется, оно автоматически регулируется с изменением нагрузки в режиме реального времени, а значит нет никаких переключений, дополнительной автоматики или необходимости присутствия человека.  Отсюда можно сравнить стоимость составного трансформатора с трансформатором с РПН при эксплуатации. Явно видно на сколько уменьшаются эксплуатационные и моральные потери!

     Анализ каталогов производителей трансформаторов показывает, что цена трансформатора кратна его мощности, т.е. трансформатор в три раза меньшей мощности и стоит, примерно, в три раза меньше. Если же учесть, что основной трансформатор без РПН будет стоить в 2-2,5  раза меньше такого же трансформатора с РПН, то в оставшуюся разность цены вполне укладывается стоимость дополнительного трансформатора и конденсаторных батарей.

     Применение составного трансформатора на потребительских подстанциях 10/0,4 и 6/0,4 кВ, естественно, дороже одного трансформатора с ПБВ. Но, если осуществить цепочку составных трансформаторов на питающей и потребительских подстанциях, то можно получить саморегулируемую сеть. А это уже новый взгляд и новые возможности в распределении электроэнергии. В любой момент времени, без дополнительного контроля, мы точно будем знать, что напряжение на зажимах потребителей соответствует номинальному или находится в разрешенных пределах при любой подключенной нагрузке.

     Современная электроника вещь безусловно нужная, но в настоящее время необходимо применяемая как элемент контроля и регулирования процессов в сетях. Составной же трансформатор позволяет без всякой «помощи» преобразовать существующие распределительные сети в саморегулируемые.

     Принципиальные схемы однофазного (рис.1) и трехфазного составных трансформаторов (рис.2-3) показаны ниже.

Схемы трехфазных составных трансформаторов на рис.2 и 3 отличаются исполнением дополнительного трансформатора. На рис.3 он выполнен на трех отдельных сердечниках. Это необходимо при достаточно несимметричной нагрузке.

     В общем виде это может выглядеть так:

Оба трансформатора находятся в одном баке (масляный трансформатор) или выполнены в виде единой конструкции (сухой трансформатор). Это экономично при производстве и облегчает ошиновку при монтаже.

     Принцип регулирования напряжения составным трансформатором заключается в использовании вторичного тока и нагрузочной составляющей первичного тока для получения в сердечнике дополнительного трансформатора магнитного потока, а в его вторичной обмотке электродвижущей силы, изменяющихся при изменении нагрузки. При этом первичный и вторичный токи создаются основным трансформатором и пропускаются через обмотки дополнительного трансформатора, имеющие значительно меньшее количество витков по сравнению с соответствующими обмотками основного трансформатора. Режим изменения магнитного потока и э.д.с. вторичной обмотки дополнительного трансформатора устанавливается витковым коэффициентом трансформации, который делается большим, чем у основного.

     Саморегулирование напряжения при изменении нагрузки достигается за счет изменения электродвижущей силы  вторичной обмотки дополнительного трансформатора, соединенной последовательно с вторичной обмоткой основного трансформатора. Э.д.с. вторичной обмотки изменяется за счет изменения результирующей магнитодвижущей силы  действующей в сердечнике дополнительного трансформатора. При увеличении нагрузки эта м.д.с. растет, при уменьшении нагрузки она уменьшается. Соответственно этому изменяется магнитный поток в сердечнике дополнительного трансформатора и э.д.с. его вторичной обмотки. Причиной изменения результирующей м.д.с. является отличие виткового коэффициента трансформации дополнительного трансформатора от виткового коэффициента трансформации основного трансформатора.

     В сердечнике основного трансформатора  результирующая м.д.с. является величиной практически постоянной и равной м.д.с. создаваемой током холостого хода. В сердечнике дополнительного  трансформатора сумма векторов м.д.с. первичной и вторичной обмоток не равняется вектору м.д.с. создаваемой током холостого хода, т.к. количество витков первичной обмотки превосходит количество витков вторичной обмотки в большее число раз чем в основном трансформаторе, поэтому с ростом нагрузки результирующая м.д.с. в сердечнике дополнительного трансформатора  плавно увеличивается, а при уменьшении нагрузки она плавно уменьшается.

     Т.е. основной трансформатор работает в режиме обычного силового трансформатора и в его сердечнике м.д.с. постоянна и равна м.д.с. создаваемой током холостого хода. Регулирующим элементом является только дополнительный трансформатор.

     Конденсаторные батареи  предназначены   для  компенсации   падения    напряжения   на индуктивном сопротивлении первичных обмоток дополнительного трансформатора.

     В режиме холостого хода на выходе составного трансформатора присутствует номинальное напряжение, которое плавно увеличивается по мере  роста  нагрузки.

     При определенном коэффициенте трансформации дополнительного трансформатора регулирование может иметь вид стабилизации напряжения.                             

     Размеры дополнительного трансформатора (сердечник и число витков в обмотках) определяются выбранной величиной приращения напряжения.

     Дополнительный трансформатор может быть добавлен к находящемуся в эксплуатации трансформатору.

     При отношении чисел витков первичной и вторичной обмоток у дополнительного трансформатора большем, чем у основного, и соответствующем выборе ёмкости конденсаторной батареи, составной трансформатор при возрастании активно-индуктивной нагрузки плавно увеличивает свое выходное напряжение и уменьшает потребляемую реактивную мощность, хотя отдаваемая растет. При уменьшении нагрузки – наоборот. В этом заключается автоматическое изменение при изменении нагрузки выходного напряжения и входной реактивной мощности.

     Пределы изменения выходного напряжения и входной реактивной мощности устанавливаются расчетом характеристик дополнительного трансформатора и ёмкости конденсаторной батареи.

     В общем виде график зависимости выходного напряжения от  тока нагрузки имеет более продолжительный горизонтальный участок или даже некоторый подъем до него.

При этом при разных «исполнениях» дополнительного трансформатора и разных значениях емкостей график может иметь тот характер, который необходим для конкретной сети. Так же из рисунка видно, что напряжение на выходе составного трансформатора не падает ниже номинального даже при значительных перегрузках, в то время, когда при использовании обычного трансформатора с ПБВ, его выходное напряжение уже ниже 0,95Unom, или у трансформатора с РПН до обнаружения его автоматикой пониженного напряжения.

     Помимо решения проблемы пониженного питающего напряжения сглаживаются его «провалы» при подключении достаточно мощных потребителей, т.к. «суть» составного трансформатора - автоматически увеличивать выходное напряжение с ростом нагрузки. 

     Принципиальное отличие составного трансформатора заключается в его классической элементной базе, схемном решении и определенных количественных соотношениях между характеристиками его трех составных частей. Классическая элементная база и схемное решение делают его фактически простым аппаратом, решающим задачу одновременного плавного бесконтакного регулирования напряжения и реактивной мощности.

     Лабораторные испытания проводились с однофазным трансформатором и с активно-индуктивной нагрузкой с разными коэффициентами мощности, Cos(j) нагрузки. Были исследованы режимы работы трех основных вариантов с разными конструктивными данными.

    Входное напряжение 220 В.

     Ток нагрузки задавался в пределах  Iх.х. – 1,2 Imax.

     К _ТР-ЦИИ (U₁/U₂)   =  1,63.

     Расчетное выходное напряжение                                   220 / 1,63 = 135 В.

     Полученные выходные напряжения  при  Iх.х.                          133,5 – 136 В.

     Полученные выходные напряжения  при  1,2 Imax.                  140,5 – 154 В.

     Приращение напряжения с ростом  нагрузки составило            5,2 – 13,4 %.

Последние цифры будут справедливы и в трехфазных сетях.

     Основным энергетическим элементом составного трансформатора является основной силовой трехфазный трансформатор. Регулирующим элементом – дополнительный трансформатор. Расчет первого производится по известным формулам и хорошо знаком специалистам. Расчет второго несколько отличается от него, но, если взглянуть на приведенные формулы, опуская не сложные математические выкладки

видно, что они имеют только одну новую составляющую b_W. Эта величина и отличает дополнительный трансформатор от основного и именно в ней скрыт весь смысл регулирования величины выходного напряжения от подключаемой нагрузки.