ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ ТРЕХФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Описание рабочих процессов относится как к однофазным, так и к трехфазным трансформаторам, в последнем случае—к одной фазе трансформатора, нагруженного симметрично. Трансформирование трехфазной системы токов может осуществляться трансформаторной группой — тремя однофазными трансформаторами, работающими как одни агрегат. Но можно объединить три однофазных трансформатора в один трехфазный аппарат и при этом достигнуть экономии материалов. Это было сделано изобретателем трехфазного трансформатора М. О. Доливо-Добровольским в 1891 г. Покажем наглядно, как создается экономия материала при построении трехфазного трансформатора. Представим себе три однофазных трансформатора (рис. 4.6а). Составляя сердечник для трехфазного трансформатора, оставим без изменения те части сердечников однофазных трансформаторов, на которых расположены обмотки, а свободные части этих трех сердечников соединим в один общий магнитопровод (рис. 4.6б). Такое построение магнитной системы можно сопоставить с соединением трех электрических цепей звездой. Но в трехфазной системе при равномерной на грузке нейтральный провод не нужен; отказываясь от него, получаем экономию меди.

Рис. 4.6 Схема преобразования трех однофазных трансформаторов в один трехфазный

Рис. 4.7 Кривые мгновенных значений магнитных потоков трехфазного трансформатора и распределение потоков в сердечнике

Нейтральному проводу в магнитной системе трехфазного трансформатора соответствует средний общий стержень. При наличии симметричной трехфазной системы магнитных потоков этот стержень не нужен и может быть удален (рис. 4.6в), так как алгебраическая сумма этих магнитных потоков всегда равна нулю. Магнитный поток в стальном сердечнике трансформатора можно считать прямо пропорциональным напряжению и отстающим от него по фазе почти на 90°. Три первичных напряжения трехфазной системы, следовательно, должны обусловливать три потока одинаковой амплитуды, сдвинутых по фазе по отношению друг к другу на одну треть периода (120°).

Показанный на рис. 4.6в симметричный сердечник неудобен для изготовления и в настоящее время заменен несимметричным магнитопроводом (рис. 4.6г), который, можно мыслить как выпрямленный вариант магнитопровода (рис. 4.6в) Симметричная трехфазная система первичных напряжений трансформатора возбуждает и в таком несимметричном магнитопроводе симметричную систему магнитных потоков. Но из-за неравенства магнитных сопротивлений намагничивающие токи отдельных фаз между собой не равны. Однако эта несимметрия намагничивающих токов для основных соотношений существенного значения не имеет. Физически в каждый данный момент магнитный поток одного стержня замыкается через два других стержня магнитопровода (рис. 4.7).

Отметим, что для фазных напряжений и токов при симметричной нагрузке справедливы те же отношения, что и для однофазного трансформатора. Эти условия нарушаются лишь в некоторых случаях при несимметричной нагрузке трехфазных трансформаторов.

Рис. 4.8.Трехфазный масляный трансформатор с трубчатым баком в частичном разрезе:

1 — катки, 2 — спускной кран для масла, 3 - изолирующий цилиндр, 4 — обмотка высшего напряжения, 5 — обмотка низшего напряжения, 6 — сердечник, 7 — термометр, 8, 9 — выводы низшего напряжения, 10 — выводы обмотки высшего напряжения. 11 — расширитель для масла, 12 — указатель уровня масла, 13 — радиаторы

Группа из трех однофазных трансформаторов дороже, чем трехфазный трансформатор той же мощности, занимает больше места, а кпд несколько ниже. Зато в качестве резерва на случай аварии или ремонта при такой группе достаточно иметь один однофазный трансформатор, так как маловероятно одновременное повреждение всех трех фаз трансформатора, а периодический ремонт их может осуществляться поочередно. Но при трехфазном трансформаторе в качестве резерва необходим второй трехфазный трансформатор. Таким образом, трехфазная группа обеспечивает большую надежность при эксплуатации; наконец, перевозка и установка трех однофазных трансформаторов при больших мощностях значительно проще перевозки и установки трехфазного трансформатора большой мощности.

Практически большинство трансформаторов малой и средней мощности выполняют трехфазными (рис. 4.8), а больших мощностей — с учетом конкретных условий установки. Трехфазные трансформаторы изготовляют мощностью до 60 000 кВ × А, но уже начиная с мощности 3 х 600 = 1800 кВ × А допускается применять трехфазные группы трехфазных трансформаторов.

Зажимы трехфазного трансформатора размечаются в порядке чередования фаз: на стороне высшего напряжения зажимы А, В, С —начала обмоток, X, У, Z —их концы; на стороне низшего напряжения — соответственно а, Ь, с, и х, у., z (см. рис. 4.6г).

Основными способами соединения обмоток трехфазного трансформатора являются соединения звездой и треугольником.

Самым простым и дешевым из них является соединение обеих обмоток трансформатора звездой, при котором каждая из обмоток и ее изоляция (при глухом заземлении нейтральной точки) должны быть рассчитаны только на фазное напряжение и линейный ток; так как число витков обмотки трансформатора прямо пропорционально напряжению, то, следовательно, соединение обмоток звездой требует в каждой из обмоток меньшего количества витков, но большего сечения проводников с изоляцией, рассчитанной лишь на фазное напряжение. Соединение обеих обмоток звездой широко применяют для трансформаторов небольшой и средней мощности (примерно до 1800 кВ × А). Соединение звездой является наиболее желательным для высокого напряжения, так как при нем изоляция обмоток рассчитывается лишь на фазное напряжение. Чем выше напряжение и меньше ток, тем относительно дороже обходится соединение обмоток треугольником.

Соединение обмоток треугольником конструктивно удобнее при больших токах. По этой причине соединение Y/D широко применяется для трансформаторов большой мощности в тех случаях, когда на стороне низшего напряжения не требуется нейтрального провода.

При трехфазной трансформации только отношение фазных напряжений U_1ф/U_2ф. всегда приближенно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток w₁/w₂, что же касается линейных напряжений, то их отношение зависит от способа соединения обмоток трансформатора. При одинаковом способе соединения (Y/Y или D/D) отношение линейных напряжений также равно коэффициенту трансформации. Однако при различном способе соединения (Y/D и D/Y) отношение линейных напряжений меньше или больше этого коэффициента в ÖЗраз. Это дает возможность регулировать вторичное линейное напряжение трансформатора соответствующим изменением способа соединения его обмоток.

Пример. Трехфазный понижающий трансформатор с номинальной мощностью S_HOM = 20 кВ × А и номинальными линейными напряжениями: U_1НОМ = 6000 В, U_2HOM = 400 В при частоте f = 50 Гц имеет потери мощности холостого хода Р₀ = 180 Вт, потери мощности короткого замыкания Р_к = 600 Вт и напряжение короткого замыкания U_к = 5,5%. Соединение обмоток трансформатора выполнено по схеме «звезда». Определить коэффициент трансформации К трансформатора, токи I_1ном I_2ном в обмотках, фазные напряжения U_lHOM и U_2HOM, сопротивления обмоток: R₁, R₂, X₁, Х₂, а также КПД h при cos j₂ = 0,8 и нагрузке, равной 75% от номинальной (b = 0,75).

Решение. Коэффициент трансформации трансформатора при заданной схеме соединения обмоток К = U_1HOM/U_2HOM = 6000/400 =15.

Номинальные токи, при S_1ном = S_2ном = S_HOM: первичной обмотки: I_1ном = S_HOM /Ö3 U_1HOM = = 1,93 A; вторичной обмотки: I_2HOM = S_HOM/Ö3 U_2HOM = = 29 А.

Номинальные фазные напряжения трансформатора: U_{1ф ном} = U_1НОМ / ÖЗ = 6000/1,73 = 3470 В; U_{2ф ном} = U_2ном /Ö3 = 400/1,73 = 230 В.

Активные сопротивления

короткого замыкания: R_K = R₁, + R'₂ = P_K/3I²_1HOМ = 600/3 × 19,3² = 10,3 Ом;

первичной обмотки R₁ = R '₂ = R_K/2 = 10,35/2 = 5,17 Ом;

вторичной обмотки R₂ = R'₂ = R_K/K² = 5,17/15² = 0,023 Ом.

Коэффициент полезного действия трансформатора при cos j₂ = 0,8 и b = 0,75;

Сопротивления короткого замыкания:

полное

индуктивное Хк = X₁ + Х'₂ = Индуктивные сопротивления:

первичной обмотки X₁ = Х'₂ = Х_к/2 = 98,8/2 = 49,4 Ом;

вторичной обмотки Х₂ = Х'₂ = Х_К/К² = 49,4/15² = 0,22 Ом.

Для определения годового эксплуатационного КПД учитывать время трансформатора под нагрузкой н-р 4200 час. (b × Sн × cos j₂ × 4200), потери Рк (b² × Рк × 4200) и потери холостого хода, которые определяются временем 365 д × 24 ч. = 8760 ч. и равны Ро 8760 ч.