Некоторые причины, по которым пользователи трансформаторов запрашивают преобразование напряжения ответвления, заключаются в следующем: компенсировать изменения в источнике питания системы и внешнем напряжении, подаваемом другими трансформаторами; Используется для компенсации корректировки напряжения, возникающей внутри самого трансформатора, и поддержания выходного напряжения трансформатора неизменным; Используется для управления направлением потока реактивной мощности генераторных трансформаторов и соединительных трансформаторных систем; Используется для компенсации некоторых факторов, которые еще не ясны на этапе планирования энергосистемы; Допускайте некоторое развитие и изменения в условиях системы.
Вышеупомянутое является основными причинами запроса на замену отпайки обмотки. Действительно, использование переключателей ответвлений в настоящее время настолько широко распространено, что большинство пользователей не задумываются, могут ли они избежать использования переключателей ответвлений или им необходимо ограничить диапазон переключателей ответвлений. Однако трансформаторы без переключателей ответвлений имеют простую конструкцию, низкую стоимость изготовления и относительно высокую надежность. Само по себе использование РПН увеличивает стоимость и конструктивную сложность трансформаторов, а также снижает эксплуатационную надежность. Поэтому желательно по возможности избегать использования конструкций переключателей ответвлений. Даже если это неизбежно, диапазон и количество переключений должны быть сведены к минимуму.
Недостатки применения конструкции РПН на трансформаторах: использование РПН практически неизбежно приводит к изменению плотности магнитного потока в железном сердечнике, поэтому выбор значения индукции магнитного потока должен быть ниже оптимального значения, чтобы компенсировать возможное увеличение плотности магнитного потока в ряде случаев; Импеданс трансформатора меняется в зависимости от положения отвода, поэтому конструкция системы должна учитывать эти изменения импеданса; Потери в трансформаторе будут различаться в зависимости от положения ответвлений, поэтому система охлаждения должна иметь достаточную охлаждающую способность, чтобы соответствовать максимально возможным требованиям к потерям; Неизбежно возникает ситуация, когда определенные сегменты обмотки отключаются от цепи, что приведет к ухудшению электромагнитного баланса внутри трансформатора, тем самым увеличивая несбалансированную электромагнитную силу в условиях короткого-замыкания; Увеличение количества отводов внутри трансформаторов повысит сложность конструкции изделия и вероятность возникновения внутренних неисправностей; Сам переключатель ответвлений, особенно переключатель ответвлений под нагрузкой, является источником неисправности трансформатора.
Хотя проблемы с регулированием напряжения возникают внутри многих силовых трансформаторов и кабелей, а значение скорости регулирования напряжения сильно варьируется в условиях низкой и полной нагрузки, одним из основных требований к энергосистеме является то, что она должна быть способна обеспечивать стабильное напряжение для пользователей и не допускать его слишком сильного изменения в зависимости от нагрузки системы. Хотя во многих промышленных системах, особенно в тех, которые требуют достаточно высокого напряжения питания для обеспечения удовлетворительного приведения в движение крупного моторного оборудования, требуется высокое напряжение питания. Но напряжение источника питания не должно быть слишком высоким, чтобы избежать опасности перенапряжения таких устройств, как электронные системы защиты, во время демонтажа системы. Если напряжение будет недостаточным, некоторые промышленные процессы не смогут протекать нормально. Даже в некоторых промышленных процессах обработки для защиты используются реле пониженного напряжения, и когда напряжение источника питания слишком низкое, процесс обработки необходимо полностью остановить. Большинство гражданских потребителей также надеются на обеспечение высокого напряжения в любое время суток (будь то день или ночь) для обеспечения нормальной работы бытовой техники. Однако напряжение не должно быть слишком высоким, чтобы избежать сокращения срока службы осветительного оборудования. При слишком высоком напряжении питания именно эти осветительные приборы выходят из строя первыми.
В этой ситуации, несмотря на некоторые опасения по поводу неблагоприятных факторов, связанных с использованием переключателей ответвлений, по-прежнему требуется, чтобы многие трансформаторы в гражданской электросети были оснащены переключателями ответвлений под нагрузкой. Без устройств РПН практически невозможно экономично спроектировать эти электросети. В промышленной сфере трансформаторы с устройствами РПН обычно используются в качестве силового оборудования для таких отраслей, как дуговые печи, электролизные и химические заводы. Если трансформатор не имеет возможности регулирования напряжения нагрузки, вышеуказанные требования не могут быть выполнены. Однако помимо того, что генератор должен передавать активную мощность, он также должен иметь возможность передавать или поглощать некоторые реактивные нагрузки в соответствии с условиями системы, и эти реактивные нагрузки должны меняться из-за определенных факторов. На реактивную мощность, вырабатываемую генератором, влияет повышение напряжения трансформатора генератора. Если трансформатор снизит напряжение, генератору придется поглощать реактивную нагрузку. Этот режим работы необходимо учитывать при проектировании трансформатора, чтобы вызвать значительные изменения плотности магнитного потока в железном сердечнике.
В соединительных трансформаторах, соединяющих системы напряжением 400 кВ, 275 кВ и 132 кВ, чаще всего используются автотрансформаторные конструкции. Коэффициент напряжения этого трансформатора нелегко регулировать, поскольку добавление или удаление витков отвода в нейтральной точке приведет к изменению количества витков как последовательной, так и общей обмотки. Конечно, если эти трансформаторы не оснащены оборудованием для регулирования напряжения, это может не только сэкономить на высокой стоимости переключателей ответвлений, но и избежать некоторых недостатков, связанных с переключателями ответвлений. «Стоимость», вызванная упрощением конструкции трансформатора, в некоторой степени снизила гибкость работы систем 275 кВ и 132 кВ, но это можно компенсировать установкой переключателей ответвлений на нижнем уровне трансформаторов 275 кВ/33 кВ или 132 кВ/33 кВ.
В Великобритании рабочее напряжение системы 400 кВ обычно поддерживается в пределах ± 5% от ее номинального напряжения. Если соединительные трансформаторы между системами 2751 В и 132 кВ не имеют переключателей ответвлений, изменение напряжения в этих системах будет превышать ± 5% от их номинального напряжения, поскольку сюда также входят коэффициенты регулировки напряжения внутри соединительных трансформаторов. Поэтому рабочее напряжение систем 275 кВ и 132 кВ обычно следует поддерживать в пределах ± 10% от их номинального напряжения. Для этого необходимо, чтобы сетевой силовой трансформатор 275 кВ/33 кВ (чаще 132 кВ/33 кВ) был оборудован переключателем ответвлений для адаптации к упомянутым выше изменениям напряжения. Кроме того, если эти трансформаторы необходимы для повышения напряжения на стороне 33 кВ в условиях высокой нагрузки системы (т. е. напряжение системы 275 кВ или 132 кВ ниже соответствующего номинального напряжения), то нижний предел диапазона отводов, требуемого для этих трансформаторов, должен достигать -10%. Таким образом, обычно предусматривается, что диапазон ответвлений этих трансформаторов составляет +10%~-20%. Это противоречит цели ограничения диапазона отводов трансформаторов с целью повышения их надежности, как упоминалось ранее. Но с другой стороны, это отражает то, что отсутствие переключателей ответвлений на трансформаторах 400 кВ/132 кВ снижает эксплуатационную гибкость системы, что приводит к усложнению конструкции трансформаторов 132 кВ/33 кВ. Очевидно, что по сравнению с линейными зажимами 275 кВ или 132 кВ трансформаторов 400 кВ/275 кВ или 400 кВ/132 кВ размещение сегментов переключателя ответвлений на стороне заземленной нейтрали соединения обмотки звездой 275 кВ или 132 кВ будет иметь более высокую надежность и меньшие производственные затраты.
По сравнению с системой 132 кВ поддержание уровня управления в более широком диапазоне напряжения для системы 33 кВ означает, что трансформаторам 33 кВ/11 кВ обычно требуется диапазон регулирования напряжения только ± 10%. Однако, как и в случае с трансформаторами 132 кВ/33 кВ, отвод высокого напряжения на трансформаторах 33 кВ/11 кВ по-прежнему настроен для увеличения выходного напряжения низкого напряжения и компенсации регулировки напряжения системы. В этом случае коэффициент напряжения холостого хода трансформатора обычно рассчитывается равным 33 кВ/11,5 кВ, что означает, что в условиях отсутствия-нагрузки, когда номинальное напряжение прикладывается к стороне высокого-напряжения трансформатора, его выходное напряжение низкого-напряжения будет выше, чем номинальное напряжение системы низкого-напряжения.
Номинальная мощность трансформатора последней ступени в сети (предполагается, что это трансформатор 11 кВ/0,433 кВ) обычно составляет 1600 кВ·А или ниже. На этих недорогих-трансформаторах малой мощности использовать дорогостоящее и конструктивно сложное оборудование регулирования напряжения нагрузки. Обычно они оснащены переключателями ответвлений без возбуждения, и их диапазон отводов обычно составляет ± 2,5% или ± 5%. Использование этой настройки отвода позволяет добиться изменения коэффициента напряжения для адаптации к условиям работы местной электросети. Хотя эти устройства могут работать в любой момент во время работы трансформатора, их обычно необходимо адаптировать к условиям нагрузки местной системы при вводе трансформатора в эксплуатацию.
