Несимметричные режимы трехфазных трансформаторов

Несимметричные режимы работы трехфазных трансформаторов возникают при подключении к ним мощной однофазной нагрузки: тяговых подстанций, электротермических печей, осветительной нагрузки и т. п., а также при однофазных и двухфазных коротких замыканиях. В этих режимах вследствие неравномерного распределения токов по фазам трансформатора происходит искажение его напряжений, что приводит к ухудшению работы смежных потребителей. Особенно опасным является повышение напряжения. Действующие стандарты допускают только 10%-е превышение номинального напряжения.

Для расчета несимметричных режимов применяют метод симметричных составляющих, представляя токи и напряжения отдельных фаз в виде суммы составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей. В частности, для фазных токов имеем

На рис. 2.43 показано разложение фазных токов трансформатора , , на симметричные составляющие. Симметричные составляющие различных фаз связаны между собой соотношениями

; ;

; ;

,

где ; .

С учетом этих соотношений выражения для фазных токов приобретают вид

Отсюда, учитывая, что , получаем выражения для определения симметричных составляющих фазы «а»

Аналогичные выражения имеют место и для напряжений.

Если принять допущение о линейности магнитной цепи трансформатора, то каждую симметричную составляющую можно рассчитать отдельно, пользуясь упрощенными схемами замещения трансформатора. Схемы замещения для токов прямой и обратной последовательностей одинаковы (рис. 2.44), так как процессы в трансформаторе не зависят от чередования фаз.

Для токов нулевой последовательности необходимо использовать полную схему замещения (рис. 2.45). Величина сопротивления намагничивающего контура в этой схеме зависит от конструкции магнитопровода. В трансформаторах с групповым магнитопроводом потоки нулевой последовательности замыкаются полностью по магнитопроводу, поэтому .

В трехстержневом трансформаторе потоки нулевой последовательности замыкаются по воздуху и стенкам бака аналогично потокам третьей гармоники, поэтому .

При соединении обмоток по схеме Y/Y_н (рис. 2.46, а) токи нулевой последовательности протекают только во вторичной обмотке и не уравновешиваются токами первичной обмотки. Протекая по сопротивлению , токи нулевой последовательности смещают геометрическую нейтраль треугольника линейных напряжений (рис. 2.46, б) и создают несимметрию фазных напряжений. Особенно существенным смещение нейтрали будет в трансформаторе с групповым магнитопроводом, так как . Чтобы избежать больших смещений нейтрали в таких трансформаторах, ток нулевой составляющей ограничивают величиной 25% от номинального тока.

При соединении обмоток трансформатора по схеме D/Y_н токи нулевой последовательности будут протекать в обеих обмотках. Поля, созданные этими токами, компенсируют друг друга, поэтому нейтраль фазных напряжений первичной обмотки не смещается. Фазные напряжения остаются симметричными.

Наиболее тяжелым несимметричным режимом является режим однофазного короткого замыкания. Рассмотрим короткое замыкание фазы «а» в схеме (рис. 2.46) при разомкнутых фазах «b» и «с». В соответствии с условиями данного режима ( , ) симметричные составляющие вторичной обмотки связаны следующими соотношениями:

(2.27)

Из схем замещения (рис. 2.44 и рис. 2.45) имеем

Складывая первые два уравнения и учитывая соотношения (2.27), получим

.

Сумма напряжений в левой части этого уравнения равна напряжению фазы «А» первичной обмотки при отсутствии токов нулевой последовательности:

.

Следовательно, ток однофазного короткого замыкания

.

Составляющая нулевой последовательности этого тока

вызывает смещение нейтрали на величину

.

При этом система фазных напряжений будет сильно искажена.

Для схемы D/Y_н сопротивление нулевой последовательности , поэтому ток однофазного короткого замыкания

.

Этот ток не отличается от тока при симметричном трехфазном коротком замыкании, но протекать он будет лишь по короткозамкнутой фазе вторичной обмотки и соответствующей ей фазе первичной обмотки.