Классификация магнитных систем и способов соединения обмоток трёхфазных трансформаторов. Группы соединения обмоток. Параллельная работа трансформаторов

Особенности конструкции.Трехфазные трансформа­торы — это, как правило, силовые трансформаторы мощностью от единиц до сотен тысяч кВА, используемые в электрических сетях и системах. Исключение составляют измерительные трансформаторы, имеющие небольшие мощности и предназ­наченные для подключения измерительных приборов и аппа­ратов релейной защиты и автоматики.

С точки зрения происходящих в трехфазных трансформа­торах физических процессов они ничем не отличаются от рас­смотренных выше однофазных: трехфазный трансформатор легко представить в виде совокупности трех однофазных трансформаторов. Более того, при мощностях более 10 МВА в фазе наряду с трехфазными трансформаторами применяют три высоковольтных однофазных трансформатора, имеющие некоторое преимущество при транспортировке и монтаже.

Трехфазное напряжение обычно преобразуют с помощью трехстержневых трехфазных трансформаторов, в которых первичная и вторичная обмотки каждой фазы расположены на общем стержне (рис. 2.21).

Рис. 2.21. Эскиз трехфазного трехстержневого трансформатора

Трехфазный трехстержневой трансформатор можно пред­ставить в виде трех одно­фазных трансформаторов, имеющих четвертый общий стержень, через который бу­дет проходить сумма пото­ков, создаваемых каждой об­моткой. Однако если на пер­вичные обмотки этих транс­форматоров подать систему симметричных трехфазных напряжений, то сумма пото­ков Ф_А,Ф_B и Ф_C в любой мо­мент времени будет равна

нулю. Следовательно, трехфазный трансформатор можно вы­полнить без общего стержня для замыкания потоков отдель­ных фаз.

Такая конструкция обеспечивает в сравнении с тремя од­нофазными трансформаторами существенную экономию маг­нитных материалов, более компактна, обладает меньшей мас­сой. Расположение обмоток на общем стержне улучшает их магнитную связь и уменьшает потоки рассеяния. Таким обра­зом, при симметричном питающем напряжении и равно­мерной нагрузке (являющейся наиболее распространенной) все фазы трехфазного трансформатора находятся прак­тически в одинаковых условиях. Поэтому выведенные ранее формулы и схемы замещения для однофазного трансформа­тора справедливы и для трехфазного трансформатора. Име­ются, однако, особенности в режиме холостого хода, на кото­рый большое влияние оказывает схема соединения обмоток.

Способы соединения обмоток. Первичная и вторичная обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены следующими способами: в «звезду с изолированной нейтралью» (обозначают значком Y), в «звезду с нулевым проводом» Y₀ или Y, в «треугольник» (значок ∆), в «зигзаг с выведенным нулевым проводом». Наиболее широко используемые схемы соединения обмоток силовых трансформаторов, векторные диаграммы ЭДС на сторонах ВН и НН и условные обозначе­ния схем соединения приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Схема соединения 1 в табл. 2.1 называется звезда — звезда с нулевым проводом; 2 — звезда-треугольник; 3 — звезда с нулевым проводом — треугольник; 4 — звезда-зигзаг с нулевым проводом; 5 — треугольник-звезда с нуле­вым проводом.

Обычно обмотку высшего напряжения соединяют по схе­ме Y, что позволяет при заданном линейном напряжении иметь меньшее число витков в фазе. При соединении в «звезду» различают линейное и фазное напряжения. В симметричной системе линейное напряжение больше фазного в раз. При соединении в «треугольник» фазное напряжение равно ли­нейному. Поэтому трехфазные трансформаторы характеризу­ются двумя коэффициентами трансформации: фазным — рав­ным отношению числа витков фазы обмотки ВН к числу вит­ков фазы обмотки НН или же отношению фазных напряжений этих обмоток в режиме холостого хода, и линейным, равным отношению линейного напряжения обмотки ВН к линейному напряжению обмотки НН. Для схем соединения Y/Y и ∆/∆ линейный и фазный коэффициенты равны, для схемы Y₀/∆ линейный коэффициент в больше фазного, для схемы ∆/Y фазный в больше линейного.

При соединении вторичной обмотки в зигзаг часть обмот­ки располагается на том же стержне, что и обмотка ВН, а другая — на соседнем стержне. Таким образом, фазное на­пряжение есть геометрическая сумма напряжений полуобмо­ток, составляющих катушку фазы. Соединение в зигзаг приме­няется в трансформаторах для вентильных преобразователей.

Из-за насыщения магнитной цепи ток холостого хода при синусоидальном магнитном потоке оказывается несинусоидаль­ным. Наряду с основной грамоникой фазные токи содержат и высшие, из которых важное значение имеет третья гармони­ка, причем токи третьей гармоники во всех трех фазах совпа­дают во времени:

i_03A = i_03B = i_03C = I_03m sin3ωt.

Наличие третьей гармоники для некоторых схем соедине­ния обмоток оказывает влияние на форму кривой потока и, соответственно, ЭДС.

От схемы соединения обмоток трехфазного трансформа­тора зависит наличие или отсутствие в них токов высших гармоник. Рассмотрим это явление для некоторых схем со­единения обмоток.

Если используется схема Y₀/Y, то третья гармоника за­мыкается по нулевому проводу, ток холостого хода каждой фазы содержит третью гармонику и поток оказывается сину­соидальным.

При соединении Y/Y пути для замыкания токов третьей гармоники нет, поэтому он синусоидален, тогда как поток, со­держащий третью гармонику, искажается, что приводит к не­синусоидальности ЭДС, индуктированных в фазах. Однако третьи гармоники потоков фаз совпадают по времени, поэтому не могут замыкаться по магнитопроводу, а замыкаются через воздух и конструктивные элементы (бак, стяжные болты и т. д.) и вызывают небольшие дополнительные магнитные потери (5... 10% от основного потока). Эти потери следует учитывать для трансформаторов, мощность которых превосходит 1000 кВА. В силу небольшой амплитуды потоков третьей гармоники по­токи трансформатора близки по форме к синусоидальной.

Если используется схема Y/∆ или ∆/Y, то в обмотке, cоединенной в треугольник третьи гармоники ЭДС вызывают токи третьей гармоники, циркулирующей по обмоткам. Результирующий магнитный поток третьей гармоники незначите­лен, что приводит практически к избавлению от третьих гармо­ник в кривых потока и ЭДС, которые можно считать синусои­дальными. По этой причине обмотки трехстержневых транс­форматоров лучше всего соединять по схемам Y/∆ или Y₀/∆. Силовые трансформаторы средней мощности при НН до 400 В можно без ощутимых потерь соединять по схеме Y/Y.

Группы соединения обмоток. Группа соединения обмо­ток определяется сдвигом по фазе между векторами линей­ных напряжений, измеренных на одноименных зажимах. Груп­пы соединений обозначают целыми числами от 0 до 11. Номер группы определяется величиной угла, на который отстает век­тор НН от вектора ВН, деленной на 30°. Например, углу между ЭДС первичной и вторичной обмоток, равному 180° соответ­ствует группа соединения — 6; углу 330° — группа соедине­ния 11 и т. д.

Проиллюстрируем это на примере соединения обмоток трехфазных трансформаторов по схеме Y/∆ (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Схема соединения обмоток и векторная диаграмма ЭДС при соединении обмоток Y/∆-11

Построим векторную диаграмму ЭДС обмоток высшего Ē_AB, Ē_BC, Ē_AC и низшего Ē_аЬ, Ē_bс, Ē_ас напряжений, совместив начала векторов Ē_AВ и Ē_аЬ (рис. 2.22,6). Группа соединения определяется путем сравнения фаз одноименных векторов ли­нейных ЭДС обмоток высшего и низшего напряжений и со­вмещения их положения с положением соответственно часо­вой и минутной стрелок, при этом часовая стрелка всегда ориентирована на 12 часов. Действительно, в нашем примере вектор Ē_АВ, совпадающий с часовой стрелкой «показывает» 12, а вектор Ē_аЬ, сдвинутый по отношению к вектору Ē_АВ на 330° или —30°, указывает на 11 часов. Таким образом, схема транс­форматора, приведенная на рис. 2.22,a, соответствует одиннад­цатой группе соединения. Если векторы ЭДС совпадают, то говорят о нулевой группе соединения, если они противопо­ложны по направлению, то о шестой группе.

ГОСТ регламентирует основную группу соединения обмо­ток Y/Y_o-0(с нулевым проводом у обмотки НН) для транс­форматоров всех мощностей и другие возможные группы соеди­нений Y/∆-11, У₀/∆-11(с нулевым проводом у обмотки ВН). Отметим еще раз, что первый значок в обозначении группы указывает схему соединения обмоток высшего напряжения, второй — обмоток низшего напряжения, цифра — номер группы.

Для всех трансформаторов мощностью 25...630 кВА стан­дартом предусмотрена также группа соединения ∆/Y₀-11с нулевым проводом обмотки НН.

Отметим особо, что на параллельную работу можно вклю­чать трансформаторы только с одинаковыми группами соеди­нения о чем подробнее изложено в следующем разделе.