трехфазных трансформаторов

4.1.Группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов.

4.2Условия включения трансформаторов на параллельную работу

При построении векторных диаграмм трансформатора считалось, что ЭДС фазы обмотки ВН Ė_АХ и обмотки НН Ė_ах совпадают по фазе. Но это справедливо лишь при условии намотки первич­ной и вторичной обмоток трансформатора в одном направлении и одноименной маркировке выводов этих обмоток, рис. 4.1, а. Если же в трансформаторе изменить направление обмотки НН или же переставить обозначения ее выводов, то ЭДС Ė_ах окажется сдвинутой по фазе относительно ЭДС Ė_АХ на 180° (рис. 4.1, б). Сдвиг фаз между ЭДС Ė_АХ и Ė_ах принято выражать группой соединения. Так как этот сдвиг фаз может изменяться от 0 до 360°, а кратность сдвига составляет 30°, то для обозначения группы соединения принят ряд чисел: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 0.

Угол смещения вектора линейной ЭДС обмотки НН по отношению к вектору линейной ЭДС обмотки ВН определяют умножением числа, обозначающего группу соединения, на 30°. Угол смещения отсчиты­вают от вектора ЭДС обмотки ВН по часовой стрел­ке до вектора ЭДС обмотки НН. Например, группа соединения 5 указывает, что вектор ЭДС НН отстает по фазе от вектора ЭДС ВН на угол 5×30° = 150°.

Для лучшего понимания принятого обозначения групп соединения пользуются сравнением с часами. При этом вектор ЭДС обмотки ВН соответствует минутной стрелке, установленной на цифре 12, а вектор ЭДС обмотки НН – часовой стрелке (рис. 4.2). Так же необходимо иметь в виду, что совпадение по фазе векторов ЭДС Ė_АХ и Ė_ах эквивалентное сов­падению стрелок часов на циферблате, обозначается группой 0 (а не 12). Кроме того, следует помнить, что за положительное направление вращения векто­ров ЭДС принято их вращение против часовой стрелки.

Таким образом, в однофазном трансформаторе возможны лишь две группы соединения: группа 0, соответствующая совпа­дению по фазе Ė_АХ и Ė_ах,и группа 6, соответствующая сдвигу фаз между Ė_АХ и Ė_ах на 180°. Из этих групп ГОСТ предусматри­вает лишь группу 0, она обозначается I/I - 0.

Применением разных способов соединения обмоток в трех­фазных трансформаторах можно создать 12 различных групп со­единения. Рассмотрим в качестве примера схему соединений «звезда–звезда» (рис. 4.3, а). Векторные диаграммы ЭДС показы­вают, что сдвиг между линейными ЭДС Ė_АВ и Ė_ab в данном слу­чае равен нулю. В этом можно убедиться, совместив точки А и а при наложении векторных диаграмм ЭДС обмоток ВН и НН. Сле­довательно, при указанных схемах соединения обмоток имеет ме­сто группа 0; обозначается Y/Y - 0. Если же на стороне НН в ну­левую точку соединить зажимы а, b и с, а снимать ЭДС с зажимов х, у и z, то ЭДС Ė_ab изменит фазу на 180° и трансформатор будет принадлежать группе 6 (Y/Y - 6) (рис. 4.3, б).

Рис. 4.1. Группы соединения обмоток однофазных транс­форматоров:

а – группа I/I – 0; б – группа I/I – 6

Рис. 4.2. Сравнение положения стрелок часов с обозначением групп соединения

При соединении обмоток «звезда–треугольник», показанном на(рис. 4.4, а,) имеет место группа 11 (Y/D - 11). Если же поменять местами начала и концы фазных обмоток НН, то вектор Ė_ab по­вернется на 180° и трансформатор будет относиться к группе 5 (Y/D - 5) (рис. 4.4, б).

Рис. 4.3. Схемы соединения обмоток и векторные диаграммы:

а – для группы Y/Y – 0; б – для группы Y/Y – 6

Рис. 4.4. Схемы соединения обмоток и векторные диаграммы:

а – для группы Y/D – 11; б – для группы Y/D – 5

При одинаковых схемах соединения обмоток ВН и НН, на­пример Y/Y и D/D, получают четные группы соединения, а при неодинаковых схемах, например Y/D или D/Y, – нечетные.

Рассмотренные четыре группы соединения (0, 6, 11 и 5) назы­вают основными. Из каждой основной группы соединения мето­дом круговой перемаркировки выводов на одной стороне транс­форматора, например на стороне НН (без изменения схемы соединения), можно получить по две производные группы. На­пример, если в трансформаторе с группой соединения Y/Y – 0 (рис. 48, а) выводы обмотки НН перемаркировать и вместо после­довательности abc принять последовательность cab, то вектор ЭДС Ė_ab повернется на 120°, при этом получим группу соедине­ния Y/Y – 4. Если же выводы обмоток НН перемаркировать в по­следовательность bca, то вектор Ė_ab повернется еще на 120°, а всего на 240°; получим группу Y/Y - 8.

Рис.4. 5. Схемы и группы соединения обмоток трехфазных

двухобмоточных трансформаторов

Аналогично от основной группы 6 путем круговой перемаркировки получают производные группы 10 и 2, от основной группы 11 – производные группы 3 и 7, от основной группы 5 – произ­водные группы 9 и 1.

ГОСТ определяет схемы и группы соединения, применяемые для силовых двухобмоточных транса форматоров общепромышленного назначения (рис. 4.5).

4.2. Условия включения трансформаторов на параллельную работу.

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 зажимы трансформаторов присоединя­ют к одному и тому же проводу сети (рис. 4.6, а).

Рис. 4.6. Включение трансформаторов на параллельную работу

Применение нескольких параллельно включенных трансфор­маторов вместо одного трансформатора суммарной мощности не­обходимо для обеспечения бесперебойного энергоснабжения в случае аварии в каком-либо трансформаторе или отключения его для ремонта. Это также целесообразно при работе трансформа­торной подстанции с переменным графиком нагрузки, например когда мощность нагрузки значительно меняется в различные часы суток. В этом случае при уменьшении мощности нагрузки можно отключить один или несколько трансформаторов для того, чтобы нагрузка трансформаторов, оставшихся включенными, была близ­ка к номинальной. В итоге эксплуатационные показатели работы трансформаторов (КПД и cosφ₂) будут достаточно высокими.

Для того чтобы нагрузка между параллельно работающими трансформаторами распределялась пропорционально их номи­нальным мощностям, допускается параллельная работа двухобмоточных трансформаторов при следующих условиях:

1. При одинаковом первичном напряжении вторичные на­пряжения должны быть равны. Другими словами, трансформа­торы должны иметь одинаковые коэффициенты трансформации: k_I=k_II=k_III=... При несоблюдении этого условия, даже в режиме х.х., между параллельно включенными трансформаторами возни­кает уравнительный ток, обусловленный разностью вторичных напряжений трансформаторов D Ù (рис. 4.7, а):

(4.1)

где Z_kI и Z_kII – внутренние сопротивления трансформаторов.

При нагрузке трансформаторов уравнительный ток наклады­вается на нагрузочный. При этом трансформатор с более высоким вторичным напряжением х.х. (с меньшим коэффициентом транс­формации) оказывается перегруженным, а трансформатор равной мощности, но с большим коэффициентом трансформации - не­догруженным. Так как перегрузка трансформаторов недопустима, то приходится снижать общую нагрузку. При значительной разнице коэффициентов транс­формации нормальная работа трансформато­ров становится практически невозможной. Однако ГОСТ допускает включение на па­раллельную работу трансформаторов с раз­личными коэффициентами трансформации, если разница коэффициентов трансформации не превышает ±0,5% их среднего значения:

(4.2)

где – среднее геометрическое значение коэффициентов трансформации.

2. Трансформаторы должны принадлежать к одной группе соединения. При несоблюдении этого условия вторичные ли­нейные напряжения трансформаторов окажутся сдвинутыми по фа­зе относительно друг друга и в цепи трансформаторов появится раз­ностное напряжение D U, под действием которого возникнет значи­тельный уравнительный ток. Так, если включить на параллельную работу два трансформатора с одинаковыми коэффициентами транс­формации, но один из них принадлежит к нулевой (Y/Y – 0), а дру­гой - к одиннадцатой (Y/D – 11) группам соединения, то линейное напряжение U _2Iпервого трансформатора будет больше линейного напряжения U _2IIвторого трансформатора в раз (U _2I/ U _2II = ). Кроме того, векторы этих напряжений окажутся сдвинутыми по фа­зе относительно друг друга на угол 30° (рис. 4.7, б). В этих условиях во вторичной цепи трансформаторов появится разностное напряже­ние D U. Для определения величины D U воспользуемся построения­ми рис. 28, б: отрезок ОА равен U _2II/2 или, учитывая, что U _2II= U _2I/ , получим ОА = 0,5/ U _2I. Следовательно, треугольник, образованный векторами напряжений Ù _2I, Ù _2II и D Ù – равнобед­ренный, а поэтому разностное напряжение D U = U _2II. Появление такого разностного напряжения привело бы к возникновению во вторичной цепи трансформаторов уравнительного тока, в 15 - 20 раз превышающего номинальный ток нагрузки, т.е. возникла бы аварийная ситуация. Величина D U становится еще большей, если трансформаторы принадлежат нулевой и шестой группам соедине­ния (D U = 2 U ₂), так как в этом случае векторы линейных вторич­ных напряжений окажутся в противофазе (см. рис. 48, б).

Рис. 4.7. Появление напряжения D U при несоблюдении условий включения

трансформаторов на параллельную работу

3. Трансформаторы должны иметь одинаковые напряже­ния к. з.: u _kI= u _kII= u _kIII... Соблюдение этого условия необхо­димо для того, чтобы общая нагрузка распределялась между трансформаторами пропорционально их номинальным мощно­стям.

С некоторым приближением, пренебрегая токами х.х., можно параллельно включенные трансформаторы заменить их сопротив­лениями к.з. Z_kI и Z_kII и тогда от схемы, показанной на рис. 53, а, можно перейти к эквивалентной схеме (рис. 53, б). Известно, что токи в параллельных ветвях распределяются обратно пропорцио­нально их сопротивлениям:

(4.3)

Умножим обе части равенства (4.3) на , левую часть – на , а правую часть - на 100/100, полу­чим

Затем преобразуем полученное равенство, имея в виду сле­дующее: и – фактическая нагрузка пер­вого и второго трансформаторов соответственно, В×А;

и – номинальные мощности этих трансформаторов, ВА; и – напряжения к.з. трансформаторов, %.

В результате получим

(4.4)

или

(4.5)

где , – соответственно относительные мощности (нагрузки) первого и второго трансформаторов.

Из соотношения (4.5) следует, что относительные мощности (нагрузки) параллельно работающих трансформаторов обратно пропорциональны их напряжениям к.з. Другими словами, при не­равенстве напряжений к.з. параллельно работающих трансформа­торов больше нагружается трансформатор с меньшим напряжени­ем к.з. В итоге это ведет к перегрузке одного трансформатора (с меньшим и _к)и недогрузке другого (с большим и _к). Чтобы не до­пустить перегрузки трансформатора, необходимо снизить общую нагрузку. Таким образом, неравенство напряжений к.з. не допус­кает полного использования по мощности параллельно работаю­щих трансформаторов.

Учитывая, что практически не всегда можно подобрать транс­форматоры с одинаковыми напряжениями к.з., ГОСТ допускает включение трансформаторов на параллельную работу при разнице напряжений к.з. не более чем 10% от их среднего арифметиче­ского значения. Разница в напряжениях к.з. трансформаторов тем больше, чем больше эти трансформаторы отличаются друг от друга по мощности. Поэтому ГОСТ рекомендует, чтобы от­ношение номинальных мощностей трансформаторов, включен­ных параллельно, было не бо­лее чем 3:1.

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

Рис. 4.8. К понятию о распределении нагрузки при параллельной работе трансформаторов

Соблюдение всех перечисленных условий проверяется фазировкой трансформаторов, сущность которой состоит в том, что одну пару, противоположно расположенных зажимов на рубиль­нике, соединяют проводом с вольтметром V ₀(ну­левой вольтметр) измеряют напряжение между оставшимися несо­единенными парами зажимов рубильника. Если вторичные напряжения трансформаторов равны, их группы соединения оди­наковы и порядок следования фаз у них один и тот же, то показа­ния вольтметра V ₀равны нулю. В этом случае трансформаторы можно подключать на параллельную работу. Если вольтметр V ₀покажет некоторое напряжение, то необходимо выяснить, какое из условий параллельной работы нарушено. Необходимо устранить это нарушение и вновь провести фазировку трансформаторов. Следует отметить, что при нарушении порядка следования фаз вольтметр V ₀покажет двойное линейное напряжение. Это необхо­димо учитывать при подборе вольтметра, предел измерения кото­рого должен быть не менее двойного линейного напряжения на вторичной стороне трансформаторов.

Контрольные вопросы

1.Что такое группа соединения и как она обозначается?

2. Какие группы соединения предусмотрены ГОСТом?

3. Как из основной группы соединения можно получить производную?

4. Как изменится отношение линейных напряжений трансформатора, если ну­левую группу соединения изменить на 11-ю?

5. Какие условия необходимо соблюдать при включении трансформаторов на параллельную работу?

6. Что такое фазировка трансформатора и как она выполняется?