Схемы и группы соединений обмоток трансформаторов. Параллельная работа трансформаторов. Несимметричная нагрузка трехфазных трансформаторов

Маркировка начал и концов обмоток трансформаторов выполняется следующим образом. В однофазном трансформаторе обмотка ВН обозначается прописными латинскими буквами: А - начало, X - конец. Обмотка НН -строчными латинскими буквами: а - начало, х - конец. При наличии третьей обмотки с промежуточным (средним) напряжением начало и конец ее

4п И

обозначают соответственно

В трехфазном трансформаторе обмотка ВН обозначается прописными латинскими буквами: А, В, С - начала, X, Y,Z- концы. Обмотка НН - строчными латинскими буквами: а, Ь, с - начала, х, у, z - концы. Чередование фаз А, В, С принято считать слева направо, если смотреть на трансформатор со стороны отводов обмотки ВН.

В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяются либо в «звезду» (Y), либо в «треугольник» ( ? ) и реже в «зиг-заг» (Z). Первые две схемы соединения трехфазных обмоток обозначаются прописными русскими буквами, соответственно У, Д.

Клеммы нулевой точки при соединении трехфазной обмотки в «звезду» или «зигзаг» обозначаются в обмотке ВН прописной буквой Дав обмотке НН строчной буквой о. При этом к буквенным обозначениям схем соединения обмоток добавляют индекс «н» (Y„, Z„).

ri riz

Для включения трансформатора на параллельную работу с другими трансформаторами особое значение имеет сдвиг фаз между ЭДС первичной и вторичной обмоток. Для характеристики этого сдвига используется понятие о группе соединения обмоток.

Изобразим фрагмент стержневого магнитопровода однофазного двухобмоточного трансформатора (рис. 1.16). Обе обмотки намотаны по левой винтовой линии, имеют одинаковое направление намотки. У обеих обмоток начала А и а находятся сверху, а концы X и х - снизу, т. е. одинаково промаркированы.

Рис. 1.17

Рис. 1.16 Рис. 1.17

Будем считать ЭДС наводимую в обмотке положительной, если она действует от конца обмотки к ее началу. В обеих обмотках ЭДС наводит один и тот же основной магнитный поток. А одинаковые направления намотки и одинаковая маркировка позволяют утверждать, что названные ЭДС этих обмоток в каждый момент времени действуют в одинаковом направлении, т. е. одновременно положительны или отрицательны.

ЭДС Ё и Ё

1 а совпадают по фазе. Угол между векторами ЭДС первичной и вторичной обмоток равен нулю. Условное обозначение (нулевая

группа).

Если в одной из обмоток сменить маркировку на обратную (рис. 1.17) или изменить направление намотки, то в каждый момент времени в обмотках будут действовать ЭДС, противоположные по знаку. Угол между векторами ЭДС первичной и вторичной обмоток равен 180°. Для определения группы соединения обмоток этот угол необходимо раз делить на 30. Условное обозначение I' (шестая группа).

Таким образом, в однофазных трансформаторах можно получить только две группы соединения обмоток: нулевую и шестую.

Рассмотрим теперь трехфазный двухобмоточный трансформатор с соединением обмоток ВН и НН в «звезду» при выполнении следующих условий:

  • 1. Обмотки имеют одинаковое направление намотки.
  • 2. Обмотки одинаково промаркированы.
  • 3. Одноименные фазы обмоток находятся на общих стержнях.

Сначала строится векторная диаграмма для обмотки ВН, произвольно выбрав направление первой из фазных ЭДС, соблюдая для остальных фазных ЭДС чередование фаз. При построении векторной диаграммы для обмотки НН направление каждого из векторов зависит от векторной диаграммы обмотки ВН.

Тогда все вектора фазных ЭДС попарно Ёл и Ёв и Еь, Ес н

Ёс, а также все вектора линейных ЭДС попарно Ё и ЁаЬ, Ёвс и Ё^, Ёсл и Ёсв в каждый момент времени совпадают по фазе. т. е. угол между ними равен нулю (рис. 1.18).

В трехфазиых трансформаторах группа соединения обмоток определяется по углу между одноименными линейными ЭДС. В рассматриваемом случае условное обозначение У / Y ? 0 (нулевая группа).

К каким изменениям приведет, например, смена маркировки обмотки НН вкруговую на один шаг? Векторную диаграмму ЭДС для обмотки ВН оставляем изображенной без изменения. Векторная диаграмма ЭДС обмотки НН будет иной. Фаза а-х обмотки НН расположена теперь на общем стержне с фазой B-Y обмотки ВН и, вследствие того что фазы имеют одинаковое направление намотки и одинаково промаркированы, магнитный поток стержня наводит в

Г этих фазах одинаковые по направлению ЭДС. Вектор “ обмотки НН

Ё

необходимо изобразить совпадающим по фазе с вектором 3 обмотки ВН.

Y/Y-4

Рис. 1.19

Подобными будут рассуждения при обосновании направлений векторов Ё w. Ё

ь с' В итоге векторная диаграмма ЭДС обмотки НН повернулась по часовой стрелке на 120° по сравнению с предыдущей векторной диаграммой. Угол между одноименными линейными ЭДС определяется по часовой стрелке от вектора ЭДС обмотки ВН до вектора ЭДС обмотки НН. Угол равен 120°, группа четвертая. Условное обозначение У / УП 4.

Таким образом, при смене маркировки одной из обмоток вкруговую на один шаг группа соединения обмоток изменяется на четыре, т. к. вектора линейных ЭДС поворачиваются на 120° по часовой стрелке.

Подобные результаты будут получены, если обмотки ВН и НН имеют другую, но также одинаковую схему соединения обмоток - «треугольник».

Итак, если схемы соединения обмоток ВН и НН трехфазного трансформатора одинаковые, то, изменяя маркировку одной из обмоток, можно получить шесть четных групп: 0, 4, 8, 6, 10, 2.

Рассмотрим теперь трехфазный двухобмоточный трансформатор при разных схемах соединения обмоток (рис. 1.20) с соблюдением тех же трех условий, как и при рассмотрении исходной ситуации в случае одинаковых схем соединения обмоток. Обмотка НН соединена по схеме «треугольник». Векторная диаграмма ЭДС обмотки ВН строится, как и в предыдущих случаях.

Рис. 1.20

Векторная диаграмма ЭДС обмотки НН представляет собой треугольник, каждая из сторон которого по величине и фазе равна одновременно фазной и линейной ЭДС. Угол между одноименными линейными ЭДС равен 330° группа одиннадцатая. Условное обозначение Y / ? ? 11.

Изменение маркировки обмотки НН вкруговую на один шаг изменит группу соединения обмоток на четыре, будет получена третья группа. Если вновь сменить маркировку обмотки НН вкруговую на один шаг, то группа соединения обмоток вновь изменится на четыре, будет получена седьмая группа.

Нетрудно предположить и подтвердить, что у трехфазного трансформатора при различных схемах соединения обмоток изменение маркировки одной из обмоток позволяет получить шесть нечетных групп: 11,3, 7, 5,9, 1.

ГОСТом предусматривается изготовление трансформаторов со следующими схемами и группами соединения обмоток: 1)Г/1н-0; 2) Д/Гн-11; 3) Г/Д-11: 4) Гн/Д-11; 5) F/ZH-U.

При схеме соединения «зигзаг» каждая фаза обмотки разделяется на две части, которые располагаются на разных стержнях (одна на основном, а вторая на стержне соседней, в порядке чередования, фазы). При этом вторая половина каждой фазы подключается по отношению к первой половине встречно. Это позволяет получить ЭДС фазы в 3 раз больше, чем при согласном включении.

Однако при встречном включении половин фаз ЭДС каждой фазы будет все же меньше в 1,15 раза, чем при расположении половин фаз на одном стержне. Поэтому расход обмоточного провода при соединении по схеме «зигзаг» увеличивается на 15%. Это соединение используется только в случае, когда возможна несимметричная нагрузка фаз с наличием токов нулевой последовательности.

Параллельная работа трансформаторов

Параллельной работой двух или нескольких трансформаторов называется работа при параллельном соединении их обмоток как на первичной, так и на вторичной сторонах. При параллельном соединении одноименные клеммы обмоток трансформаторов присоединяют к одному и тому же проводу сети (рис. 1.21).

Рис. 1.21

Параллельная работа трансформаторов вместо одного трансформатора суммарной мощности нужна по следующим соображениям:

  • 1. Для обеспечения бесперебойного энергоснабжения потребителей в случае аварии в каком-либо трансформаторе или отключения его для ремонта.
  • 2. Обеспечение работы трансформаторов с высокими эксплуатационными показателями (КПД и cosZL^), варьируя количество работающих трансформаторов, чтобы каждый из них был нагружен оптимально.

Для того, чтобы нагрузка между параллельно работающими однофазными трансформаторами распределялась пропорционально их номинальным мощностям, нужно выполнить следующих три условия:

  • 1. Первичные и вторичные напряжения трансформаторов должны быть соответственно равны, т. е. трансформаторы должны иметь равные
  • (k -к =к = )

коэффициенты трансформации 41 - 3

  • 2. Трансформаторы должны иметь одну и ту же группу соединения обмоток.
  • 3. Номинальные напряжения короткого замыкания трансформаторов

должны оыть равными 4 К1 к- 7

При несоблюдении первого условия, даже в режиме холостого хода, между параллельно включенными трансформаторами возникает уравнительный ток обусловленный разностью вторичных ЭДС трансформаторов

(рис. 1.22):

” ZKI+ZK, ’

где ^кі’^к2 ? сопротивления короткого замыкания трансформаторов.

Рис. 1.22

При подключении нагрузки уравнительный ток накладывается на нагрузочный. У трансформатора с более высокой вторичной ЭДС (у понижающих трансформаторов - трансформатор с меньшим коэффициентом трансформации) уравнительный ток суммируется с током нагрузки. Трансформатор равной мощности, но с большим коэффициентом трансформации окажется недогруженным, так как уравнительный ток направлен встречно нагрузочному.

Длительная перегрузка трансформаторов недопустима, поэтому приходится при неравных коэффициентах трансформации снижать общую нагрузку. При значительной разнице коэффициентов трансформации нормальная работа трансформаторов будет практически невозможной. Поэтому ГОСТ допускает включение на параллельную работу трансформаторов с различными і к л ±0.5%

коэффициентами трансформации, если их разница не превышает среднего геометрического значения:

При несоблюдении второго условия вторичные линейные напряжения трансформаторов окажутся сдвинутыми по фазе относительно друг друга.

В цепи трансформаторов появится разностное напряжение под

действием которого возникнет значительный уравнительный ток.

Рис. 1.23

Например, рассмотрим включение на параллельную работу двух трансформаторов с равными коэффициентами трансформации, один из которых имеет нулевую (У / У ? 0), а другой - одиннадцатую (У / ? П11) группу соединения обмоток. Во-первых, линейное напряжение ^^21 первого трансформатора будет больше линейного напряжения д^22 второго трансформатора в раз. Во-вторых, векторы этих напряжений окажутся сдвинутыми по фазе относительно друг друга на угол 30° (рис. 1.23).

ОА /3 —-Т. к. и ДС=С„.

2 V3 2

Появление такого разностного напряжения приведет к возникновению во вторичной цепи трансформаторов уравнительного тока, в 15-20 раз превышающего номинальный ток нагрузки, т. е. возникает аварийная ситуация. Наибольшее значение появится при включении на параллельную работу трансформаторов с нулевой и шестой группами соединения обмоток - -^2). т. к. в этом случае векторы линейных вторичных напряжений окажутся в противофазе.

При несоблюдении третьего условия с некоторым приближением, пренебрегая токами холостого хода, можно параллельно включенные трансформаторы (рис. 1.24, а) заменить их сопротивлениями короткого замыкания н (рис. 1.24, б).

Так как токи в параллельных ветвях распределяются обратно пропорционально их сопротивлениям, то и относительные мощности (нагрузки) параллельно работающих трансформаторов обратно пропорциональны их напряжениям короткого замыкания. В итоге это ведет к перегрузке трансформатора с меньшим t/Q и недогрузке трансформатора с большим C/Q.

Рис. 1.24

Поэтому ГОСТ допускает включение трансформаторов на параллельную работу с различными напряжениями короткого замыкания, если их разница не превышает ±10% среднего арифметического значения:

Д[/ -—^"^2--100 < ±10.%.

0,5-(Ск1к2)

Рис. 1.25

Разница в напряжениях короткого замыкания тем больше, чем больше трансформаторы отличаются друг от друга по мощности, поэтому ГОСТ рекомендует, чтобы отношение номинальных мощностей трансформаторов, включаемых параллельно, было не более 3:1.

Кроме соблюдения названных трех условий необходимо перед включением трехфазных трансформаторов на параллельную работу проверить порядок чередования фаз, который должен быть одинаковым у всех трансформаторов.

Соблюдение всех перечисленных условий проверяется фазировкой трансформаторов (рис. 1.25). При этом любую пару противоположно расположенных клемм рубильника соединяют проводом (на рис. 1.25 не изображен), а между оставшимися парами клемм измеряют напряжение нулевым вольтметром. Если вторичные напряжения трансформаторов равны и одинаковы их группы соединения обмоток, то при одинаковом порядке следования фаз показание нулевого вольтметра равно нулю. В этом случае трансформаторы можно подключать на параллельную работу. Если вольтметр покажет некоторое напряжение, то необходимо выяснить, какое из условий параллельной работы нарушено, и устранить это нарушение.

Несимметричная нагрузка трехфазных трансформаторов

В качестве причин несимметричной нагрузки могут быть названы: неравномерное распределение однофазных приемников нагрузки; аварийные режимы, возникающие при 1-, 2-фазных коротких замыканиях или при обрыве одной из фаз ЛЭП.

Несимметрия вторичных напряжений трансформатора неблагоприятно отражается как на потребителях, так и на самом трансформаторе. Например, у двигателей переменного тока снижается допустимая мощность нагрузки, у ламп накаливания при повышенном напряжении резко уменьшается срок службы, а при пониженном напряжении уменьшается сила света. У трансформатора происходит перегрузка отдельных его фаз, чрезмерное повышение фазных напряжений и насыщение магнитопровода. Для исследования работы трансформаторов при несимметричной нагрузке широко используется метод симметричных составляющих, изучаемый в дисциплине «ТОЭ». При рассмотрении трехфазного понижающего трансформатора несимметричная система токов обмотки НН может быть представлена в виде суммы трех симметричных систем прямой, обратной и нулевой последовательностей, отличающихся друг от друга последовательностью прохождения токов через максимум.

  • 4 = 41 + Ze2 + 4
  • 4 = 41+ Z»2+До ’ (*)
  • 4 = 41 +41+По

токи, образующие систему прямой последовательности, достигают максимумов последовательно в фазах а, Ь, с. Токи, образующие систему обратной последовательности, достигают максимумов последовательно в фазах а, с, Ь. Токи нулевой последовательности во всех трех фазах имеют одно направление (нулевой сдвиг).

2

После введения в уравнения (*) коэффициентов а, а они будут записаны в следующем виде:

  • 4 = 41+ 4з + 4»
  • 4=° Лі+^-^+А

Умножение любого вектора на коэффициент а не изменяет его абсолютного значения, но изменяет его аргумент на 2/J / 3, т. е. поворачивает вектор на 120° в сторону вращения векторов.

Из (**) токи прямой, обратной и нулевой последовательностей могут быть получены через несимметричные:

  • 4={(4+« 4+«Ч);
  • 4=|(4+
  • 4»=|(4 + 4+4)-

На основании последнего равенства в (***) следует, что при наличии токов нулевой последовательности сумма токов трех фаз не равна нулю.

Преимущество метода симметричных составляющих состоит в том, что с симметричной системой каждой последовательности можно оперировать независимо от систем других последовательностей обычными методами математического и графического анализа. Однако метод симметричных составляющих предполагает использование принципа наложения, справедливого только для линейных систем. Поэтому применительно к трансформатору необходимо сделать допущение, приняв отсутствие насыщения электротехнической стали магнитопровода (ZQ ? const) или пренебречь током холостого хода (Z[J ? ?).

Кроме того, несимметрично нагруженный трансформатор рассматривается с равными числами витков первичной и вторичной обмоток (ид ? и>2)> что позволяет не использовать процедуру приведения.

Для случая симметричной нагрузки, когда токи фаз трансформатора составляют симметричную систему, можно сделать следующую запись:

ь~а а' с~а а' Подставив эти значения в (***), получим

  • 4-|(4+«4 4' 4)=<>;
  • 4п = |(4 ' -4 Л) = 0- Т. к. а =1; 1 + а +

Таким образом, в случае симметричной нагрузки существуют токи только прямой последовательности. Поэтому все рассмотренное ранее для симметричной нагрузки соответствует работе трансформатора с токами прямой последовательности.

Что произойдет, если у трансформатора, работающего с симметричной нагрузкой, поменять местами две клеммы обмотки высшего напряжения (например, В и С) и низшего напряжения (Л и с)? Чередование векторов токов фаз трансформатора изменится на обратное, т. е. будет соответствовать чередованию токов обратной последовательности. Режим работы самого трансформатора и потребителей при этом не изменится.

Таким образом, токи обратной последовательности трансформируются из одной обмотки в другую, так же как и токи прямой последовательности. Поведение трансформатора по отношению к токам прямой и обратной последовательностей одинаково. Ранее рассмотренные схемы замещения действительны для токов как прямой, так и для токов обратной последовательностей, сопротивление трансформатора по отношению к токам так же одинаково и равно сопротивлению короткого замыкания ZfJ.

Токи нулевой последовательности в обмотках, соединенных по схеме «звезда», могут возникать только при наличии нулевого провода. В обмотках, соединенных по схеме «треугольник», токи нулевой последовательности составляют ток, циркулирующий по замкнутому контуру, и линейные токи, как разности токов смежных фаз, не содержат токов нулевой последовательности. Поэтому токи нулевой последовательности в обмотке, соединенной по схеме «треугольник», могут возникать только в результате индуктирования их другой обмоткой трансформатора.

Потоки нулевой последовательности создаются токами нулевой последовательности и поэтому во времени совпадают по фазе. Рассмотрим, как будет сказываться наличие потоков нулевой последовательности на трансформаторах с различными типами магнитопроводов.

В трехфазных трансформаторах с броневыми, бронестержневыми магнитопроводами и в групповом трансформаторе потоки нулевой

Ф последовательности ог: замыкаются по магнитопроводу. Магнитное

Ф сопротивление для потоков оп мало, и поэтому уже небольшие токи нулевой

7 =І =І Ф

последовательности а0 40 г0 способны создавать большие потоки оп. Если ток в0 равен току холостого хода трансформатора, то создается поток ^оп’ равный номинальному рабочему потоку трансформатора. Подобное относится и ф * к ЭДС, наведенной потоком оп'

В трехфазном трансформаторе со стержневым магнитопроводом потоки нулевой последовательности всех фаз вынуждены замыкаться от одного ярма к другому (например, в трансформаторе с масляным охлаждением) через масло и

Ф бак трансформатора. В этом случае магнитное сопротивление для потока оп относительно велико, а в стенках бака индуктируются вихревые токи и возникают потери. Поэтому поток ^>оп и наводимая им ЭДС малы.

Физические условия работы трансформаторов при несимметричной нагрузке

Случай 1. Токи нулевой последовательности отсутствуют. При несимметричной нагрузке падения напряжения ?(/ в фазах трансформатора различны. Если токи отдельных фаз не превышают номинальных значений, то ? С относительно малы вследствие малости сопротивления ZQ трансформатора.

Таким образом, несимметричная нагрузка трансформатора при отсутствии токов нулевой последовательности не вызывает значительного искажения симметрии фазных и линейных напряжений на клеммах вторичной обмотки.

Для рассматриваемого случая первичные и вторичные токи прямой последовательности в каждой фазе равны по величине и обратны по знаку. Это же справедливо и для токов обратной последовательности, а значит, и для суммы токов прямой и обратной последовательностей.

Поэтому принятые ранее упрощения W2’ пренебрежение намагничивающим током) позволяют сделать следующую запись:

4=4; 4=4; 4=4

В результате можно сказать, что МДС и токи первичных и вторичных обмоток уравновешиваются в каждой фазе и на каждом участке магнитопровода по отдельности.

Случай 2. Имеются токи нулевой последовательности.

Вариант а: токи нулевой последовательности возникают в обеих обмотках трансформатора. Это трансформаторы с соединением обмоток К IY Л / У

н нн’ Намагничивающим током нулевой последовательности можно пренебречь, потому что он составляет небольшую долю полного тока нулевой последовательности, и записать

4о ~ ~ ^CO ~ ~^a0 ~ ~

Таким образом, МДС токов нулевой последовательности обеих обмоток взаимно уравновешиваются в каждой фазе трансформатора. В этой ситуации Z -Z сопротивление нулевой последовательности °п к Нулевые составляющие вторичного напряжения возникают только за счет относительно небольших падений напряжения ^к4о- Поэтому в трансформаторах с соединением обмоток 44’^4 ПрИ несимметричной нагрузке система фазных напряжений искажается относительно слабо.

Вариант б: токи нулевой последовательности возникают только в одной обмотке. Это трансформаторы с соединением обмоток ' 4 Токи нулевой последовательности протекают только во вторичной обмотке и являются чисто намагничивающими, т. к. они не уравновешены токами нулевой последовательности первичной обмотки. ЭДС нулевой последовательности ?°п ^а0где ? сопротивление намагничивающей цепи для токов

Г*

нулевой последовательности. ЭДС оп может достичь больших значений. Например, в трансформаторах с броневыми, бронестержневыми магнитопроводами и в групповом трансформаторе сопротивление намагничивающей цепи для токов нулевой последовательности равно сопротивлению намагничивающей цепи для токов прямой последовательности

Поэтому уже при Ло =Л ss(0.02...0,05)71h ЭДС нулевой

Е &U

последовательности оп " н’ и система фазных ЭДС и напряжений сильно искажается, что неприемлемо и опасно для однофазных потребителей. Направление вектора зависит от фазы токов нулевой последовательности и определяется условиями нагрузки.

На величину линейных напряжений не влияют ЭДС нулевой последовательности, т. к. в разностях фазных напряжений нулевые составляющие исчезают.

Соединение обмоток в трансформаторах с броневыми,

бронестержневыми магнитопроводами и в групповых трансформаторах обычно не применяется, но если все же в таком соединении имеется необходимость, то на каждой фазе выполняется еще третья обмотка, соединяемая по схеме «треугольник». Клеммы этой обмотки наружу не выводятся, если эта обмотка предназначена только для уравновешивания токов нулевой последовательности.

Рис. 1.26

У трансформатора со стержневым магнитопроводом и соединением обмоток искажение системы фазных напряжений при наличии токов

нулевой последовательности меньше, т. к. ^п0 <^к

Вариант в: токи нулевой последовательности возникают только в одной обмотке трансформатора (рис. 1.26) при соединении При несимметричной нагрузке токи нулевой последовательности протекают по обеим частям вторичной обмотки, соединенной по схеме «зигзаг», в противоположных направлениях. При одинаковом числе витков в каждой части вторичной обмотки сумма МДС от токов нулевой последовательности в каждой фазе равна нулю. Токи нулевой последовательности создают только поля рассеяния. На каждом стержне магнитопровода имеет место магнитное равновесие, и смещение нейтрали фазных напряжений будет незначительным. В этом отношении схема соединений Y/ ZQ выгодно отличается от схемы Y/ TQ.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >