Несимметричная нагрузка трехфазных трансформаторов

При эксплуатации трансформаторов в энергосистемах часто нагрузка по фазам может быть неодинаковой. Э го связано обычно с подключением к трехфазным трансформаторам однофазной нагрузки: тяговых подстанций, электротермических печей, осветительной нагрузки и других однофазных потребителей. Неравномерность токов по фазам искажает напряжения трансформаторов, что приводит к неблагоприятным последствиям для потребителя — уменьшается мощность электродвигателей, повышается напряжение на лампах накаливания, что снижает срок их службы.

Несимметричные режимы имеют место при авариях — одно- и двухфазном коротких замыканиях. При несимметричных режимах может наступить режим перевозбуждения трансформатора или автотрансформатора, когда индукция в магнитопроводе превышает номинальную индукцию холостого хода. Действующие стандарты допускают 10%-нос превышение номинального напряжения. Более глубокие перевозбуждения в эксплуатации недопустимы. При индукциях больше 1,9 Тл значительно растет намагничивающий ток и деформируется магнитное поле вне магнитопровода, что приводит к увеличению добавочных потерь и нагреву нажимных плит стержней и стяжных шпилек.

Для исследования несимметричных режимов применяется метод симметричных составляющих. При этом считается, что первичные напряжения симметричны и трансформатор подключен к сети бесконечной мощности, а вторичные токи определяются несимметричной нагрузкой. По методу сим-

Рис. 2.80. Разложение несимметричной системы токов 1_а, //,, /_с (а) на симметричные составляющие (б)

метричных составляющих несимметричная система токов I_a,IbJc (рис. 2.80, а) разлагается на симметричные системы токов прямой, обратной и нулевой последовательностей (рис. 2.80, б):

ГДС /ftl ~ О, I_a, I_b2 — dig2’ L ~ &ia’ ^с2 ~ & 1_а2, 1_ао ^— /ftо ^— /<:0>

.2л .4л

а = e^J*; а² = е⁷^; 1 + а + а² = 0.

Тогда

откуда

Аналогично можно вычислить симметричные последовательности напряжений несимметричной системы напряжений U_a, U/, и U_c.

Составляющие прямой, обратной и нулевой последовательностей определяются аналитически по уравнениям (2.122)— (2.124) или при геометрическом построении. После разложения на симметричные составляющие применяют принцип наложения и анализируют работу трансформатора отдельно для прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Сопротивления прямой и обратной последовательностей в трансформаторах равны друг другу. При изменении порядка чередования фаз на выводах трансформатора сопротивление трансформатора не изменяется. Изменение порядка следования фаз приводит лишь к изменению последовательности перемещения максимума потока по стержням. Схемы замещения трансформатора для прямой и обратной последовательностей одинаковы. Сопротивление короткого замыкания трансформатора для прямой и обратной последователыюстей одно и то же и равно z_x + z'₂ = z_K = r_K +jx_K, а сопротивление холостого хода равно z₁₂.

Токи нулевой последовательности имеют ту же частоту, что и токи прямой и обратной последовательностей, и совпадают по фазе во всех трех обмотках. Токи нулевой последовательности могут замыкаться в обмотках, соединенных в треугольник и в звезду с нулевым проводом. В нулевом проводе протекает ток

Токи нулевой последовательности создают потоки нулевой последовательности, которые совпадают по фазе. Потоки и токи нулевой последовательности аналогичны потокам и токам 3-й гармоники и отличаются частотой и «происхождением». Потоки и токи 3-й гармоники появляются в трансформаторе из-за насыщения, а потоки и токи нулевой последовательности возникают из-за нссиммстрии нагрузки в трансформаторах, выполненных в конструктивном отношении симметричными. В общем случае напряжения и токи нулевой последовательности (как и обратной) возникают в несимметричных трансформаторах при симметричной нагрузке и в симметричных трансформаторах при несимметричной нагрузке.

Для нулевой последовательности может быть предложена схема замещения. Если рассматривать приведенный трансформатор, то, как и для прямой последовательности, может быть составлена Т-образная схема замещения (рис. 2.81). Параметры схемы замещения нулевой последовательности зависят от конструкции магнитопровода и обмоток трансформатора.

Так как потоки нулевой последовательности совпадают во всех трех фазах трехфазного трансформатора, в трех-

шие. 2.81. Схема замещения нулевой последовательности:

стержневом трансформаторе поток нулевой последовательности замыкается по воздуху и стенкам бака (рис. 2.82).

/ц₀ — ток нулевой последовательности в намагничивающем контуре; z_Mo — сопротивление намагничивающего контура для нулевой последовательности

В броневых трехфазных трансформаторах и в трехфазной группе однофазных трансформаторов потоки нулевой последовательности замыкаются но стали. Естественно, индуктивное сопротивление в таких трансформаторах боль-

Рис. 2.82. Пути замыкания потоков нулевой

последовательности

Рис. 2.83. Схемы для определения опытным путем параметров схемы замещения нулевой последовательности

ше, чем в трехстержневом трансформаторе, в котором индуктивное сопротивление нулевой последовательности примерно равно z₀ ~ (5h-8)z_k. Когда поток нулевой последовательности замыкается но стали, индуктивное сопротивление нулевой последовательности равно сопротивлению взаимной индукции.

Сопротивление пулевой последовательности определяется опытным путем по схемам рис. 2.83, а, б. Полное сопротивление нулевой последовательности

где /о, д'о — активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности.

Как и в схемах замещения для прямой и обратной последовательностей, активные и индуктивные сопротивления относятся к одной фазе. Активные сопротивления схемы замещения определяются по показанию ваттметра:

Полное сопротивление определяется по показаниям амперметра и вольтметра. Для рис. 2.83, a U~ 3/₀z₀.

В грсхстержнсвом трансформаторе Л'₀ соизмеримо с г₀, а в трехфазной группе однофазных трансформаторов х₀ ~ х₁₂. При соединении обмоток Y/Y₀ (рис. 2.84) токи пулевой последовательности протекают только во вторичной обмотке и не уравновешиваются токами в первичной обмотке. В трансТоки нулевой последовательности в схеме Y/Y₀ смещают геометрическую нейтраль из центра тяжести треугольника линейных напряжений, где была нейтраль при симметричной нагрузке (см. рис. 2.85). Смещение нейтрали приводит к искажению звезды фазных напряжений, что неблагоприятно сказывается на потерях в трансформаторе и искажает напряжение у потребителя. В броневых трансформаторах и в трехфазной группе однофазных трансформаторов даже небольшие токи нулевой последовательности приводят к значительному смещению нейтрали, так как z_m0 ~ z₁₂. Чтобы избежать большого смещения нейтрали в этих схемах, ограничивают ток нулевой последовательности 25% номинального тока трансформатора.

При соединении обмоток трансформатора A/Y₀ токи нулевой последовательности протекают как в первичной, так и во вторичной обмотке. Как токи нагрузки в обычной схеме, так и токи нулевой последовательности в схеме A/Y₍₎ компенсируют друг друга и не создают потока в трансформаторе. Поэтому в схеме A/Y₀ отсутствует смещение нейтрали.

Рис. 2.85. Смещение нейтрали в схеме Y/Y₀

Рис. 2.84. Токи нулевой последовательности в схеме Y/Y₀

форматоре возникает поле, созданное МДС токов нулевой последовательности. Из выражения (2.125)

Схема соединения A/Y₀ применяется там, где ожидается несимметричная нагрузка.

В высоковольтных трансформаторах желательно применять соединение обмоток в звезду, так как при этом фазные напряжения, на которые рассчитывается изоляция обмоток трансформатора, в Уз~ меньше, чем при соединении в треугольник. В трехобмоточных трансформаторах широко применяется соединение Y/Y₀/A. Обмотка, соединенная в треугольник, обычно рассчитывается на часть мощности обмоток, соединенных в звезду. В этом случае ее называют компенсационной обмоткой. При несимметрии нагрузки токи нулевой последовательности протекают в компенсационной обмотке и в обмотке, соединенной по схеме Y₀, и ноток нулевой последовательности в трансформаторе отсутствует.

Если в трансформаторе имеется два или несколько контуров, в которых могут протекать либо токи нагрузки, либо токи высших гармоник, либо токи нулевой последовательности, вызванные несимметрией нагрузки, то при этом токи компенсируют друг друга и поток от этих токов в трансформаторе отсутствует. Любые некомпенсированные токи создают в магнитонроводе трансформатора поток.

В эксплуатации часто встречаются режимы работы трансформаторов при коротких замыканиях одной или двух фаз при различных соединениях обмоток или замыкании одной или двух фаз трансформатора на землю, а также при обрыве фазы. Расчет токов при несимметричных режимах имеет важное значение для эксплуатации силового оборудования энергосистем, настройки релейной защиты и автоматики.

Наибольшая несимметрия токов имеет место при однофазном коротком замыкании (рис. 2.86, а и в). Это крайний случай несимметричной нагрузки. Для схемы рис. 2.86, а

Рис. 2.86. Однофазные короткие замыкания в схемах A/Y и Y/Y

для схемы рис. 2.86, б

где U_A — фазное напряжение.

Из-за наличия нескомпенсироваиных токов пулевой последовательности при однофазном коротком замыкании в схеме Y/Y имеет место смещение нейтрали, что приводит к искажению звезды фазных напряжений за счет напряжения нулевой последовательности U_A0 (рис. 2.87). В схеме Д/Y смещения нейтрали при однофазном коротком замыкании нет, если короткое замыкание — на стороне обмотки, соединенной в звезду.

К несимметричным режимам работы трансформаторов относятся режимы работы при обрыве фазы. Как правило, это аварийные режимы, и трансформаторы отключаются от энергосистемы. Однако в трехфазной группе Yq/Д при обрыве фазы (рис. 2.88) возможна временная передача энергии двумя фазами. Неполнофазный режим в этом случае при холостом ходе обеспечивает равенство линейных напряжений на вторичной стороне трансформатора U_a/„ Uf_)C, U_ca, которые образуют равносторонний треугольник. При этом ток /₍, = 1_В + 1с может быть достаточно большим. Это необходимо учитывать при эксплуатации, так как заземление нулевой точки не рассчитывается на протекание больших токов.

Выше были рассмотрены лишь наиболее типичные примеры несимметричных режимов работы трансформаторов. Более подробно несимметричные режимы рассматриваются в спецкурсах.

Рис. 2.87. Смещение нейтрали при однофазном коротком замыкании

Рис. 2.88. Неполнофазный режим в схеме Y₀/A

Автор: Копылов Игорь