Подключение трансформатора треугольником. Силовые трансформаторы. Схема силового трансформатораПодключение трансформатора треугольником. Силовые трансформаторыТрансформаторы являются одними из главных электрических устройств, которые используются на производстве и в бытовых условиях. Предлагаем рассмотреть, что такое сухие, масляные силовые трансформаторы (ТС) напряжения и мощности, где используются однофазные, понижающие и высоковольтные электрические устройства, а также их технические характеристики и монтаж. Трансформатор – это электрическое устройство, передающее энергию между контурами, используя законы магнитной индукции. Трансформаторы могут применяться как приборы, которые повышают или понижают напряжение, чтобы преобразовать поступающий ток переменного напряжения в выходящий ток постоянного напряжения. Эта уникальная способность трансформаторов может быть использована для импеданса между несогласованными электрическими цепями, чтобы обеспечить максимальную передачу мощности между схемами. Фото – Параметры напряжения Трансформатор обычно состоит из двух обмоток проволоки с изоляцией, намотанных вокруг общего якоря, чтобы вызвать тесный электромагнитный контакт между обмотками. Материал сердечника чаще всего выполнен из железа. Катушка, которая получает электрический входной ток, называется катушкой первичной обмотки, а выходная катушка, соответственно – вторичной. У тороидального трансформатора пассивными электронными компонентами являются катушки индуктивности, они состоят из круглого кольцевого магнитного сердечника с высокой магнитной проницаемостью материала – это железный порошок или феррит, вокруг которого намотана проволока. Тороидальные катушки и фильтры используются для высокочастотных катушек и трансформаторов, их помощью проводят испытания мощности. Фото – Силовой трансформатор Если переменный электрический ток протекает через первичную обмотку (обмотки) трансформатора, электромагнитное поле генерируется и развивается в магнитном потоке в сердечнике трансформатора. При помощи электромагнитной индукции, этот магнитный поток генерирует переменное ЭДС во вторичной обмотке, который индуцирует напряжение на выходных клеммах. Если сопротивление нагрузки подключается через вторичную обмотку, электрический ток протекает через неё от первичной обмотки и источника питания. Мощные двухобмоточные трансформаторы (до 110 кВ) не могут работать с постоянным током, хотя, когда они подключены к источнику постоянного тока, передают краткий выходной импульс о том, как поднимается напряжение. Фото – Уличный трансформатор Функционирование трансформатора холостого хода основано на двух принципах закона электромагнитной индукции: электрический ток через проводник, например, провод производит магнитное поле вокруг провода, происходят изменения магнитного поля в непосредственной близости от проволоки, индуцируется напряжение на её концах. Как видите, устройство силового трансформатора практически не отличается от обычного бытового прибора. Магнитное поле возбуждается в первичной катушке, что приводит к самоиндукции, а также ко взаимной индукции между катушками. Эти самоиндукционные счетчики возбуждают поле до такой степени, что в результате ток, проходящий через первичную обмотку, очень мал. Если нагрузка отсуствует – прибор питается о вторичной обмотки. Фото – Трансформатор Виды силовых трансформаторовВ зависимости от области применения, бывают такие типы силовых трансформаторов:
Переменный ток через обмотку производит постоянно меняющийся поток или переменные потоки, окружающие обмотку. Этот поток постоянно меняется в амплитуде и направлении, но должно быть изменение потокосцепления согласно функции обмоток. По закону Фарадея электромагнитной индукции, ЭДС должно индуцироваться в секунду. Если цепь последней обмотки закрыта – через неё протекает электрический ток. Это основа из принципа работы трансформатора. levevg.ru Области применения разных схем соединения обмотокСИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ 10(6)/0,4 КВ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗНЫХ СХЕМ СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТОК Отсутствие у изготовителей и заказчиков четкого представления о принципиальных отличиях свойств силовых трансформаторов малой мощности с разными схемами соединения обмоток приводит к ошибкам в их применении. Причем неправильный выбор схемы соединения трансформаторных обмоток не только ухудшает технические показатели электроустановок и снижает качество электроэнергии, но и приводит к серьезным авариям.Об этом напоминают нижегородские проектировщики Алевтина Ивановна Федоровская и Владимир Семенович Фишман, которые в своем материале акцентируют внимание на разнице в реакции трансформаторов на несимметричные токи, содержащие составляющую нулевой последовательности. СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТОК И СВОЙСТВА ТРАНСФОРМАТОРОВ В соответствии с ГОСТ 11677-85 [1] силовые трансформаторы 10(6)/0,4 кВ мощностью от 25 до 250 кВА могут изготавливаться со следующими схемами соединения обмоток: «звезда/звезда» – Y/Yн; «треугольник–звезда» – Д/Yн; «звезда–зигзаг» – Y/Zн. Принципиальное отличие технических характеристик трансформаторов с различными схемами соединений обмоток заключается в разной реакции на несимметричные токи, содержащие составляющую нулевой последовательности. Это прежде всего однофазные сквозные короткие замыкания, а также рабочие режимы с неравномерной загрузкой фаз. Как известно, силовые трансформаторы 6(10)/0,4 кВ имеют трехстержневой стальной сердечник, на каждом стержне которого располагаются первичная и вторичная обмотки соответствующей фазы – А, В и С. Магнитные потоки трех фаз в симметричных режимах работы циркулируют в стальном сердечнике трансформатора и за его пределы не выходят. Что происходит при нарушении симметрии с преобладанием нагрузки одной из фаз на стороне 0,4 кВ? Такие режимы работы исследуются с использованием теории симметричных составляющих [2]. Согласно этой теории любой несимметричный режим работы трехфазной сети представляется в виде геометрической суммы трех симметричных составляющих тока и напряжения: это составляющие прямой, обратной и нулевой последовательностей.Рассмотрим режим максимальной однофазной несимметрии – режим однофазного короткого замыкания (ОКЗ) на стороне 0,4 кВ трансформатора со схемой соединения обмоток Д/Yн. Картина токов симметричных составляющих в обмотках в этом режиме представлена на рис. 1. В неповрежденных фазах на стороне 0,4 кВ геометрическая сумма трех симметричных составляющих тока равна нулю (рабочей нагрузкой фаз пренебрегаем), а в поврежденной фазе эта сумма максимальна и равна току ОКЗ. Его величина определяется известной формулой:
где Uл – линейное напряжение;R1, R0, X1, Х0 – соответственно активные и реактивные сопротивления прямой и нулевой последовательности. СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРЯМОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ Сопротивления прямой последовательности R1 и X1 трансформаторов с разными схемами соединения обмоток определяются одними и теми же формулами и отличаются незначительно: Заглянув в каталоги, нетрудно убедиться, что входящие в эти формулы известные величины Ркз и Uк от схем соединения обмоток трансформатора практически не зависят, а следовательно, от них не зависят и сопротивления прямой последовательности. В отличие от этих сопротивлений, сопротивления нулевой последовательности трансформаторов с разными схемами соединения обмоток отличаются принципиально. СОПРОТИВЛЕНИЯ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ Рассмотрим картину векторов токов и магнитных потоков в трансформаторе со схемой соединения обмоток Д/Yн (рис. 2).В таких трансформаторах токи прямой, обратной и нулевой последовательностей протекают как в первичной, так и во вторичной обмотках. При этом токи нулевой последовательности в первичной обмотке замыкаются внутри нее и в сеть не выходят. Создаваемые токами нулевой последовательности первичных и вторичных обмоток намагничивающие силы (ампер-витки) направлены встречно и почти полностью компенсируют друг друга, что обуславливает небольшую величину реактивных сопротивлений трансформатора. При этом сопротивления прямой и нулевой последовательностей приблизительно равны: R1 = R0; Х1 = Х0.В трансформаторах со схемой соединения обмоток Y/Zн в аналогичном режиме ОКЗ токи нулевой последовательности протекают лишь по вторичной обмотке трансформатора, однако магнитного потока нулевой последовательности они не создают, что объясняется особенностью схемы Zн – «зигзаг». Эта особенность состоит в том, что на каждом стержне трансформатора расположено по одной вторичной полуобмотке двух разных фаз (рис. 3). В режиме ОКЗ намагничивающие силы, создаваемые токами нулевой последовательности в этих полуобмотках, направлены встречно и друг друга взаимно компенсируют. При этом токи нулевой последовательности в первичной обмотке отсутствуют. В таких трансформаторах сопротивления нулевой последовательности оказываются меньше сопротивлений прямой последовательности: R0 < R1; Х0 < Х1. Рис. 1. Токи симметричных составляющих в обмотках трансформатора в режиме однофазного короткого замыкания IA21, IA22, IA20, IB21, IB22, IB20, IC21, IC22, IC20 – токи фаз А, В, С прямой, обратной и нулевой последовательностей вторичной обмотки;IA11, IA12, IA10, IB11, IB12, IB10, IC11, IC12, IC10 – токи фаз А, В, С прямой, обратной и нулевой последовательностей первичной обмотки. Рис. 2. Направления токов и магнитных потоков нулевой последовательности в трансформаторе со схемой соединения обмоток Д/Yн Рис. 3. Направления токов и магнитных потоков нулевой последовательности в трансформаторе со схемой соединения обмоток Y/Zн Как следует из формулы (1), это обеспечивает большую величину тока ОКЗ у трансформаторов со схемами Y/Zн по сравнению с трансформаторами со схемами Д/Yн.Теперь обратимся к трансформаторам со схемой соединения обмоток Y/Yн. Как известно, в обмотках, соединенных в звезду без выведенной нулевой точки, токи нулевой последовательности протекать не могут. Поэтому в режиме ОКЗ токи этой последовательности протекают только во вторичной обмотке трансформатора.Совпадающие по фазе магнитные потоки нулевой последовательности, создаваемые токами вторичной обмотки, выходят за пределы магнитного сердечника и замыкаются через металлический кожух трансформатора (рис. 4). Это определяет значительно большую величину сопротивлений нулевой последовательности таких трансформаторов: R0 >> R1; X0 >> X1. Рис. 4. Направления токов и магнитных потоков нулевой последовательности в трансформаторе со схемой соединения обмоток Y/Yн Следует отметить, что в отличие от сопротивлений прямой последовательности трансформаторов, которые можно рассчитать, сопротивления нулевой последовательности трансформаторов со схемами соединения обмоток Y/Yн расчету не поддаются. Их можно определить только экспериментально. Величина этих сопротивлений во многом зависит от конструкции кожуха трансформатора, от величины зазоров между сердечником и кожухом и т.п. Схема замера сопротивлений нулевой последовательности приведена в ГОСТ 3484.1-88 [3]. К сожалению, в этом документе указано, что такие замеры предприятия-производители проводят по просьбе заказчиков. Вероятно, в последние годы таких просьб от заказчиков не поступает, а изготовители эти замеры самостоятельно не производят, считая, что в них нет необходимости. В результате проектировщики при выполнении расчетов пользуются старыми справочными данными. Однако использовать устаревшую информацию надо чрезвычайно осторожно, ведь конструкции современных трансформаторов, в частности кожухов, а также материалы, из которых они изготовлены, существенно изменились.Кроме того, имеющиеся на сегодня данные по сопротивлениям нулевой последовательности трансформаторов крайне скудны и противоречивы. Так, согласно замерам Минского трансформаторного завода, выполненным много лет назад, реактивные сопротивления нулевой последовательности трансформаторов со схемами соединения обмоток Y/Yн превышают сопротивления прямой последовательности в среднем в 10 раз. В то же время в ГОСТ 3484.1-88 имеется фраза о том, что эти сопротивления могут отличаться на два порядка. И этим сегодня противоречия не исчерпываются[4]. ПОЧЕМУ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ РЕАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЙ Реальные значения сопротивлений нулевой последовательности знать необходимо, поскольку они определяют величину тока ОКЗ. Чем больше эти сопротивления, тем меньше ток ОКЗ, соответственно труднее осуществить защиту трансформатора. В нормальных режимах работы большие сопротивления нулевой последовательности при неравномерной загрузке фаз трансформатора на стороне 0,4 кВ приводят к ухудшению качества электроэнергии у потребителя. Так, если принять R1 = R0, X1 = X0, что характерно для трансформаторов со схемами соединения обмоток Д/Yн, то получим: Таким образом, при этих условиях ток ОКЗ на выводах 0,4 кВ трансформатора будет равен току трехфазного КЗ.Однако, если R0>>R1 и X0>>X1, что характерно для трансформаторов со схемами соединения обмоток Y/Yн, то величина тока ОКЗ оказывается значительно меньше тока трехфазного КЗ, то есть Iокз << I3фкз. Какие при этом могут возникнуть трудности с защитой, особенно если она выполнена со стороны обмотки ВН предохранителями 6(10) кВ, можно показать на конкретном примере. На рис. 5 изображена схема подключения трансформатора 100 кВА, 6/0,4 кВ питания собственных нужд (ТСН) ПС 110/35/6 кВ. На ПС с переменным оперативным током такие трансформаторы устанавливаются на ОРУ и подключаются к воздушному вводу, идущему от силового трансформатора к вводной ячейке ЗРУ-6(10) кВ. Защита трансформатора, включая кабель 0,4 кВ до щита 0,4 кВ, выполняется предохранителями 6 кВ. Токи КЗ в конце защищаемой предохранителями зоны – при вводе на щит 0,4 кВ приведены в табл. 1. Как из нее видно, минимальное значение тока КЗ через предохранители 6 кВ имеет место при однофазном замыкании на стороне 0,4 кВ. Таблица 1. Токи короткого замыкания в конце защищаемой предохранителями зоны за трансформатором 100 кВА, 6/0,4 кВ, Д/Yн при вводе на щит 0,4 кВ Рис. 5. Схема подключения трансформатора 100 кВА, 6/0,4 кВ для питания собственных нужд ПС 110/35/6 кВ Согласно существующим рекомендациям по условиям отстройки от броска тока намагничивания трансформатора мощностью 100 кВА номинальный ток предохранителей принимается равным Iн.пр = (2 ÷ 3) Iн.тр. В данном случае Iн.пр 2 ·10 А 20. Принимаем Iн.пр = 20 А. Минимальный отключаемый ток предохранителем типа ПКТ-6 кВ, 20 А согласно каталожным данным составляет Iмин.откл.пр = 240 А, что значительно больше токов КЗ, приведенных в табл. 1.Таким образом, защита предохранителями типа ПКТ 6 кВ оказывается нечувствительной. Более того, при протекании тока КЗ ниже минимально отключаемого, предохранитель не только не защищает оборудование, но и разрушается сам, вызывая аварию. В качестве защитного аппарата можно рассмотреть возможность использования предохранителей зарубежных фирм, например марки Merlin Gerin. Номинальный ток предохранителя специалисты компании рекомендуют выбирать из условия Iпр. 0,1с 12 Iном.тр.Пользуясь времятоковой зависимостью, приведенной в [5], определяем, что этому условию удовлетворяет предохранитель Fusarc c номинальным током 20 А, минимальный ток отключения которого равен 55 А. Казалось бы, этот предохранитель надежно защищает электрооборудование, т.к. минимально отключаемый им ток меньше минимального тока КЗ: 62 А 55 А. Однако время отключения данным предохранителем тока КЗ, равного 62 А, составляет 7 с. При таком длительном времени необходимо учитывать эффект спада тока, вызванный увеличением активного сопротивления кабеля вследствие его нагрева [6]. В результате спада тока его значение приближается к минимальному току отключения предохранителя –55 А, что делает защиту ненадежной.Улучшить надежность защиты можно путем применения силового трансформатора 6/0,4 кВ со схемой соединения обмоток Y/Zн. В этом случае минимальный ток короткого замыкания через предохранители увеличивается до 80 А, а время его отключения предохранителем сокращается до 0,6 с и защита становится достаточно надежной.Если же в рассмотренном примере будет применен трансформатор со схемой соединения обмоток Y/Yн, то минимальный ток КЗ через предохранители составит лишь 22 А. Очевидно, что защитить электрооборудование предохранителями 6 кВ при таком токе невозможно. Недостатки трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/Yн проявляются и в нормальных режимах работы при неравномерной загрузке фаз. Потери напряжения в более загруженной фазе могут резко возрасти по сравнению с менее за-груженными фазами, особенно при большой загрузке трансформатора и низком cos f нагрузки.Однако означает ли всё вышесказанное, что трансформаторы со схемой соединения обмоток Y/Yн не должны изготавливаться вообще? Представляется, что это не так. Не всегда большая величина сопротивления нулевой последовательности трансформатора является недостатком. Например, при применении трансформаторов более 1000 кВА может возникнуть проблема устойчивости однофазной коммутационной аппаратуры 0,4 кВ к току ОКЗ. В этом случае большая величина сопротивления нулевой последовательности трансформатора со схемой Y/Yн поможет решить эту проблему.Что же касается защиты таких трансформаторов, то она решается с помощью релейной защиты и выключателя 6(10) кВ, а с низкой стороны – с помощью вводного автомата. ВЫВОДЫ Для трансформаторов малой мощности (от 25 до 250 кВА), защищаемых предохранителями со стороны ВН, безусловное преимущество имеет схема соединения обмоток Y/Zн. Несколько меньший эффект дает схема Д/Yн. Схему Y/Yн для таких трансформаторов применять не следует.Схема соединения обмоток трансформаторов Y/Yн может применяться в сравнительно редких случаях для более мощных трансформаторов при необходимости ограничения тока однофазного КЗ с целью повышения устойчивости коммутационной аппаратуры.Предприятиям-изготовителям силовых трансформаторов следует в обязательном порядке производить замеры их сопротивлений нулевой последовательности. ЛИТЕРАТУРА 1. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.2. Ульянов С.А. Короткие замыкания в электрических системах. – М.: Госэнергоиздат, 1952. – 280 с.3. ГОСТ 3484.1-88 (СТ СЭВ 1070-78). Трансформаторы силовые. Методы электромагнитных испытаний.4. Справочник по проектированию электроснабжения, линий электропередачи и сетей / Под ред. Большама Я.М., Круповича В.И., Самовера М.Л. и др. – М.: Энергия, 1975. – 696 с.5. Каталог на предохранители Fusarc Merlin Gerin (стандарт DIN).6. ГОСТ 28249-93. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ. По данным: http://www.news.elteh.ru/arh/2006/41/09.php nomek.ru Схема силового трансформатораДля транспортировки электрической энергии на большие расстояния используются силовые трансформаторы, которые позволят снизить потери при электропередаче. Это осуществляется за счет передачи вырабатываемого генераторами электричества на электрическую подстанцию. На этой подстанции амплитуда напряжения, что поступает в линию электропередач, будет повышаться. Если вам необходимо купить трансформатор сухой силовой, вы можете сделать это в компании «Терра-Ток». Для уточнения подробностей позвоните нам.
Краткое описание принципа работыЕсли схематично описать данное устройство, представьте стальной сердечник с двумя катушками, которые имеют обмотки. Одна из них – первичная, другая – вторичная. Когда переменный ток начинает прохождение по первичной обмотке, в магнитопроводе (сердечнике) образуется магнитный поток, возбуждающий электродвижущую силу во вторичной обмотке. Если она (вторичная обмотка) не присоединена к цепи, которая потребляет энергию, то сила ее тока равна нулю. При подсоединении к цепи электроэнергия потребляется, и сила тока в первичной обмотке возрастает пропорционально, согласно с законом сохранения. Так происходит процесс преобразования и распределения энергии. Электрическая схема силового трансформатораКонструкция силового сухого трансформатора включает в себя:
Обмотки трансформаторных фаз пропускают через себя ток нагрузки, а изготавливаются они из таких металлов, как алюминий или медь. Намотанные концентрические обмотки выполняются цилиндрами, которые располагаются один в другом. Для низкого напряжения (НН) обмотка бывает винтовой и цилиндрической. Она располагается вблизи стержня, чтобы изоляционный слой было проще сделать. Далее на нее устанавливается цилиндр, что обеспечивает изоляцию между сторонами низкого и высокого напряжений. На этот цилиндр монтируется обмотка высокого напряжения (ВН), которая может быть многослойной или непрерывной. Регулирование выходного напряженияЕсть два способа для регулирования выходного напряжения. Они зависят от типа переключателя, которые могут изменять количество на обмотке витков либо с отключением нагрузки, либо под нагрузкой. Наиболее востребован второй способ. terra-tok.ru Силовые трансформаторы 10(6)/0,4 кв области применения разных схем соединения обмотокОтсутствие у изготовителей и заказчиков определенного представления принципиальных отличий свойств силовых трансформаторов с малой мощностью и разными схемами соединения обмоток ведет к их неправильному использованию. При этом некорректный выбор схемы соединения обмоток ухудшает технические показатели электрических установок и понижает качество электроэнергии, а также приводит к возникновению серьезных аварий. Это отмечают проектировщики из Нижнего Новгорода Алевтина Ивановна Федоровская и Владимир Семенович Фишман. Они в своем материале делают акцент на разнице в реакции трансформаторов на несимметричные токи, которые содержат составляющую нулевой последовательности. Схемы соединения обмоток и свойства трансформаторов В соответствии с ГОСТ 11677-85 [1] силовые трансформаторы 10(6)/0,4 кВ мощностью от 25 до 250 кВА могут изготавливать с такими схемами соединения обмоток:
Известно, что силовые трансформаторы 6(10)/0,4 кВ имеют трехстержневой стальной сердечник, с расположенными там первичной и вторичной обмотки фазы А, В и С. Магнитные потоки трех фаз в симметричных режимах циркулируют в сердечнике трансформатора и не выходят за его пределы. Что происходит во время нарушения симметрии с преимуществом нагрузки одной фазы на стороне 0,4 кВ? Подобные режимы работы исследуются с применением теории симметричных составляющих [2]. По ней каждый несимметричный режим работы трехфазной сети представлен как геометрическая сумма 3 симметричных составляющих тока и напряжения: составляющие прямой, нулевой и обратной последовательностей. Максимальная однофазная несимметрия достигается в режиме однофазного короткого замыкания на стороне 0,4 кВ трансформатора со схемой соединения обмоток D/Yн. Картина токов симметричных составляющих в обмотках в таком режиме показана на рис. 1. В неповрежденных фазах на стороне 0,4 кВ геометрическая сумма трех симметричных составляющих тока приравнена нулю (не учитываем рабочую нагрузку фаз). В поврежденной фазе она достигает максимума и равняется току ОКЗ. Определяется она по формуле:
R1, R0, X1, Х0 – соответственно активные и реактивные сопротивления прямой и нулевой последовательности. Сопротивления прямой последовательности Сопротивления прямой последовательности R1 и X1 трансформаторов с разными схемами соединения обмоток определяются теми же формулами и имеют несущественные различия:
В каталогах видно, что известные величины в этих формулах Ркз и Uк почти не зависят от схем соединения обмоток трансформатора, а значит, не влияют на сопротивление прямой последовательности. Сопротивления же нулевой последовательности трансформаторов с различными схемами соединения обмоток имеют принципиальные отличия. Сопротивления нулевой последовательностивекторов токов и магнитных потоков в трансформаторе со схемой соединения обмоток D/Yн (рис. 2). В таких трансформаторах токи прямой, обратной и нулевой последовательностей текут и в первичной, и во вторичной обмотках. В то время как токи нулевой последовательности в первичной обмотке замыкаются внутри нее, не выходя при этом в сеть. Намагничивающие силы или ампер-витки, которые создают токи нулевой последовательности первичных и вторичных обмоток, имеют встречное направление и практически полностью компенсируют друг друга, обуславливая тем самым небольшую величину реактивных сопротивлений трансформатора. А сопротивления прямой и нулевой последовательностей приблизительно равны: R1 = R0; Х1 = Х0. В трансформаторах со схемой соединения обмоток Y/Zн в аналогичном режиме ОКЗ токи нулевой последовательности протекают лишь по вторичной обмотке трансформатора, однако магнитного потока нулевой последовательности они не создают, что объясняется особенностью схемы Zн – «зигзаг». Эта особенность состоит в том, что на каждом стержне трансформатора расположено по одной вторичной полуобмотке двух разных фаз (рис. 3). В режиме ОКЗ намагничивающие силы, создаваемые токами нулевой последовательности в этих полуобмотках, направлены встречно и друг друга взаимно компенсируют. При этом токи нулевой последовательности в первичной обмотке отсутствуют. В таких трансформаторах сопротивления нулевой последовательности оказываются меньше сопротивлений прямой последовательности: R0 < R1; Х0 < Х1. Рис. 1. Токи симметричных составляющих в обмотках трансформатора в режиме однофазного короткого замыкания IA21, IA22, IA20, IB21, IB22, IB20, IC21, IC22, IC20 – токи фаз А, В, С прямой, обратной и нулевой последовательностей вторичной обмотки; IA11, IA12, IA10, IB11, IB12, IB10, IC11, IC12, IC10 – токи фаз А, В, С прямой, обратной и нулевой последовательностей первичной обмотки.
Рис. 2. Направления токов и магнитных потоков нулевой последовательности в трансформаторе со схемой соединения обмоток D/Yн
Рис. 3. Направления токов и магнитных потоков нулевой последовательности в трансформаторе со схемой соединения обмоток Y/Zн
Из формулы (1) следует, что это обеспечивает большую величину тока ОКЗ у трансформаторов со схемами Y/Zн по сравнению с трансформаторами со схемами D/Yн. Альтернативой трансформаторам со схемой Y/Z являются трансформаторы ТМГсу со схемой Y/Yn-0 со специальной встроенной симметрирующей обмоткой (СУ). Устройство было разработано кафедрой электроснабжения сельского хозяйства БАТУ, УП МЭТЗ им. В.И. Козлова и Минскэнерго, и теперь является неотъемлемой частью трансформатора со схемой У/Ун. Симметрирующее устройство представляет собой отдельную обмотку, уложенную в виде бандажа поверх обмоток высшего напряжения трансформатора со схемой соединения обмоток У/Ун. Обмотка симметрирующего устройства рассчитана на длительное по ней протекание номинального тока трансформатора, т.е. на полную номинальную однофазную нагрузку. Обмотка симметрирующего устройства включена в рассечку нулевого провода трансформатора из расчета того, что при несимметричной нагрузке и появлении тока в нулевом проводе трансформатора, а также связанного с ним потока нулевой последовательности, поток, создаваемый симметрирующим устройством равный по величине и направленный в противоположном направлении, компенсирует действие потока нулевой последовательности, предотвращая этим самым перекос фазных напряжений. Схема подсоединения обмотки симметрирующего устройства (СУ) к обмоткам НН:
Трансформаторы с СУ улучшают работу защиты, повышают безопасность электрической сети. В них резко снижено разрушающее воздействие на обмотки токов при однофазных коротких замыканиях. СУ значительно улучшает синусоидальность напряжения при наличии в сети нелинейных нагрузок, что крайне важно при питании многих чувствительных приборов, например, эвм, автоматики, телевизоров. Трансформаторы ТМГ с симметрирующим устройством ТМГсу. Теперь обратимся к трансформаторам со схемой соединения обмоток Y/Yн. Как известно, в обмотках, соединенных в звезду без выведенной нулевой точки, токи нулевой последовательности протекать не могут. Поэтому в режиме ОКЗ токи этой последовательности протекают только во вторичной обмотке трансформатора. Совпадающие по фазе магнитные потоки нулевой последовательности, создаваемые токами вторичной обмотки, выходят за пределы магнитного сердечника и замыкаются через металлический кожух трансформатора (рис. 4). Это определяет значительно большую величину сопротивлений нулевой последовательности таких трансформаторов: R0 >> R1; X0 >> X1.Рис. 4. Направления токов и магнитных потоков нулевой последовательности в трансформаторе со схемой соединения обмоток Y/Yн
Схема замера сопротивлений нулевой последовательности приведена в ГОСТ 3484.1-88 [3]. К сожалению, в этом документе указано, что такие замеры предприятия-производители проводят по просьбе заказчиков. Вероятно, в последние годы таких просьб от заказчиков не поступает, а изготовители эти замеры самостоятельно не производят, считая, что в них нет необходимости. В результате проектировщики при выполнении расчетов пользуются старыми справочными данными. Однако использовать устаревшую информацию надо чрезвычайно осторожно, ведь конструкции современных силовых трансформаторов, в частности кожухов, а также материалы, из которых они изготовлены, существенно изменились. Кроме того, имеющиеся на сегодня данные по сопротивлениям нулевой последовательности трансформаторов крайне скудны и противоречивы. Так, согласно замерам УП МЭТЗ им. В.И. Козлова, выполненным много лет назад, реактивные сопротивления нулевой последовательности трансформаторов со схемами соединения обмоток Y/Yн превышают сопротивления прямой последовательности в среднем в 10 раз. В то же время в ГОСТ 3484.1-88 имеется фраза о том, что эти сопротивления могут отличаться на два порядка. И этим сегодня противоречия не исчерпываются[4]. Почему необходимо знать реальные значения сопротивлений? Реальные значения сопротивлений нулевой последовательности знать необходимо, поскольку они определяют величину тока ОКЗ. Чем больше эти сопротивления, тем меньше ток ОКЗ, соответственно труднее осуществить защиту трансформатора. В нормальных режимах работы большие сопротивления нулевой последовательности при неравномерной загрузке фаз трансформатора на стороне 0,4 кВ приводят к ухудшению качества электроэнергии у потребителя. Так, если принять R1 = R0, X1 = X0, что характерно для трансформаторов со схемами соединения обмоток D/Yн, то получим:
Таблица 1. Токи короткого замыкания в конце защищаемой предохранителями зоны за трансформатором 100 кВА, 6/0,4 кВ, D/Yн при вводе на щит 0,4 кВ
Рис. 5. Схема подключения трансформатора 100 кВА, 6/0,4 кВ для питания собственных нужд ПС 110/35/6 кВ
 2 ·10 А 20. Принимаем Iн.пр = 20 А.
Минимальный отключаемый ток предохранителем типа ПКТ-6 кВ, 20 А согласно каталожным данным составляет Iмин.откл.пр = 240 А, что значительно больше токов КЗ, приведенных в табл. 1.
Таким образом, защита предохранителями типа ПКТ 6 кВ оказывается нечувствительной. Более того, при протекании тока КЗ ниже минимально отключаемого, предохранитель не только не защищает оборудование, но и разрушается сам, вызывая аварию.
В качестве защитного аппарата можно рассмотреть возможность использования предохранителей зарубежных фирм, например марки Merlin Gerin. Номинальный ток предохранителя специалисты компании рекомендуют выбирать из условия Iпр. 0,1с Выводы Для трансформаторов малой мощности (от 25 до 250 кВА), защищаемых предохранителями со стороны ВН, безусловное преимущество имеет схема соединения обмоток Y/Zн. Несколько меньший эффект дает схема D/Yн. Схему Y/Yн для таких трансформаторов применять не следует. Схема соединения обмоток трансформаторов Y/Yн может применяться в сравнительно редких случаях для более мощных трансформаторов при необходимости ограничения тока однофазного КЗ с целью повышения устойчивости коммутационной аппаратуры. Предприятиям-изготовителям силовых трансформаторов следует в обязательном порядке производить замеры их сопротивлений нулевой последовательности. ЛИТЕРАТУРА 1. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия. 2. Ульянов С.А. Короткие замыкания в электрических системах. – М.: Госэнергоиздат, 1952. – 280 с. 3. ГОСТ 3484.1-88 (СТ СЭВ 1070-78). Трансформаторы силовые. Методы электромагнитных испытаний 4. Справочник по проектированию электроснабжения, линий электропередачи и сетей / Под ред. Большама Я.М., Круповича В.И., Самовера М.Л. и др. – М.: Энергия, 1975. – 696 с. 5. Каталог на предохранители Fusarc Merlin Gerin (стандарт DIN). 6. ГОСТ 28249-93. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ. _________________________________________________________________________________ Компания ООО Энетра Текнолоджиз на правах дилера ОАО МЭТЗ им. В. И. Козлова осуществляет продажу трансформаторов средней мощности. В нашем каталоге вы найдете сухие трансформаторы ТС, ТСЗ и ТСГЛ, масляные трансформаторы ТМ и ТМГ, а также специализированные трансформаторы различного назначения. Мы рады доставить выбранные вами трансформаторы по всей Сибири и СФО. Доставка трансформаторов осуществляется нами не только по СФО, но и по Дальнему Востоку. www.enetra.ru Устройство трансформатора | Схема трансформатораМагнитопровод. Трансформаторы могут быть трех видов: стержневые, броневые и тороидальные, принадлежность к одной из групп определяет конфигурация магнитопровода. На рис. 1а изображен стержневой трансформатор. Стержни магнитопровода 1 охватывают обмотки 2. В броневом трансформаторе, который изображен на рис. 1б, наоборот, обмотки 2 частично охвачены магнитопроводом 1, который как бы служит броней обмоткам. Обмотки в трансформаторе тороидального типа (рис. 1в) равномерно распределены по окружности магнитопровода 1.
Рис. 1. Устройство стержневого (а), броневого (б) и тороидального (в) трансформаторов Трансформаторы, имеющие среднюю и большую мощность, как правило, изготавливают стержневыми. Их конструкция наиболее простая, что облегчает процессы осуществления изоляции и ремонтные работы на обмотках. Их плюсами можно назвать лучшее охлаждение, поэтому обмоточных проводов расходуется меньше. Маломощные однофазные трансформаторы изготавливают броневого или тороидального типа, их вес и стоимость меньше, по сравнению со стержневыми, так как уменьшается число катушек и упрощается их изготовление и сборка. Тяговые трансформаторы, в которых регулировка осуществляется на той стороне, где сопротивление меньше, делают стержневыми, если же регулировка осуществляется на стороне большего напряжения — броневыми. Для изготовления магнитопроводов трансформаторов используется листовая электротехническая сталь с целью уменьшения потерь, вызываемых вихревыми токами (рис. 2). Берут лист, толщина которого не превышает 0,35-0,5 мм.
Рис. 2. Магнитопроводы однофазного тягового (а) и силового трехфазного (б) трансформаторов: 1 — стержень; 2 — ярмовые балки; 3 — стяжные шпильки; 4 — основание для установки катушек; 5 — ярмо В основном, используют горячекатаную сталь с большим содержанием кремния, также может использоваться холоднокатаная сталь. Листы изолируются с использованием лака или тонкой бумаги. У среднемощного трансформатора стержни магнитопровода могут иметь сечение в виде квадрата или креста, у самых мощных сечение ступенчатое, почти круглой формы (рис. 3, а). Такое сечение позволяет сделать периметр стержня минимальным при заданной величине площади поперечного сечения, это дает возможность уменьшить длину витков обмоток и, соответственно, минимизировать расход обмоточных проводов. В наиболее мощных трансформаторах делают каналы между стальными пакетами, из которых состоят стержни. Ширина таких каналов варьируется в пределах 5—6 мм, в них происходит циркуляция охлаждающего масла. Сечение ярма, соединяющего стержни, обычно имеет прямоугольную форму, а его площадь должна быть на 10—15% больше, чем площадь сечения стержней. Благодаря этому сталь нагревается меньше, минимизируются потери мощности. Собирается магнитопровод для силовых трансформаторов из листов, имеющих прямоугольную форму. Ярмо и стержни сочленяются так, чтобы их листы перекрывались внахлест. Для этого листы смежных слоев сердечника собирают таким образом (рис. 3, б, г): листами ярма 3, 4 и стержней 1, 3 последующих слоев перекрываются стыки в соответствующих листах слоя предыдущего. Тем самым в местах сочленения магнитное сопротивление значительно снижается. Финишная сборка магнитопровода осуществляется после того, как катушки установлены на стержни (рис. 3 в). В маломощных устройствах сборочный процесс магнитопроводов производится из штампованных стальных листов, имеющих Ш- и П-образную форму, либо берут штампованные кольца (рис. 4 а—в). Широко распространены и магнитопроводы (рис. 4, г—ж), навивка которых осуществляется узкой лентой из электротехнической стали (холоднокатаной) либо из сплавов железа и никеля. Обе обмотки, первичная и вторичная, с целью улучшить магнитную связь, располагают на самом малом допустимом расстоянии друг от друга, при этом на каждый стержень магнитопровода ставят одну или две обмотки 2 и 3.
Рис. 3 Формы поперечного сечения (а) и последовательность сборки магнитопровода (б — г)
Рис. 4. Сердечники однофазных трансформаторов малой мощности, собранные из штампованных листов (о, б), колец (в) и стальной ленты (г—ж) Обмотки размещаются концентрически одна сверху другой (рис. 5, а). Возможно и выполнение обмоток 2 и 3 как перемежающихся секций из дисков — катушек (рис. 5, б). Для первого случая обмотки именуются концентрическими, во втором варианте — чередующимися (дисковыми). В основном, в силовых трансформаторах применяются концентрические обмотки, ближе к стержням расположена низковольная обмотка, которой требуется меньшая изоляция от магнитопровода трансформатора, высоковольтная обмотка расположена снаружи. Бывает и так, что в трансформаторах броневого вида применяются дисковые обмотки. Тогда по краям стержня ставят катушки от низковольтной обмотки. Соединяться отдельные катушки могут последовательно или параллельно. В трансформаторах ЭПС у вторичной обмотки имеется несколько выводов, служащих для изменения напряжения, которое подается к тяговым двигателям, тогда на каждый стержень ставятся по три концентрические обмотки (рис. 5, в). Нерегулируемую часть 4 обмотки вторичной размещают ближе к стержню, а в центре размещают первичную обмотку 5 большего напряжения, над ней располагается регулируемая часть 6 вторичной обмотки. Так как регулируемая часть данной обмотки размещена снаружи, выполнение выводов от ее витков значительно упрощается. В трансформаторах небольшой мощности применяют многослойные обмотки, провод имеет сечение круглой формы, изоляция может быть эмалевой или хлопчатобумажной. Провод накручивают на каркас, сделанный из электрокартона. Изоляция слоев производится прокладками, сделанными из специальной бумаги, также используется пропитанная лаком ткань.
Рис. 5. Расположение концентрических (а), дисковых (б) и концентрических трехслойных (в) обмоток трансформатора В мощных трансформаторах, стоящих на ЭПС, тяговых подстанциях и т.п., применяют обмотки спиральные непрерывные (рис. 6, а) и параллельные винтовые (рис. 6, б), характеризующиеся высокой надежностью и большой механической прочностью. Непрерывная обмотка в виде спирали служит первичной (высокого напряжения) и регулируемой частью вторичной обмотки (низкого напряжения). Составляет такую обмотку ряд плоских катушек, имеющих один и тот же размер и соединенных последовательно между собой. При этом расположены они одна над другой. Разделяют их прокладки и рейки, сделанные из электрокартона. Этими деталями образованы каналы (горизонтальные и вертикальные), по каналам идет масло (охлаждающая жидкость). Чтобы повысить электрическую прочность при воздействиях атмосферного напряжения, первые и последние пары катушек первичной (высоковольтной) обмотки изготавливают с усиленной изоляцией. Фактор усиленной изоляции ухудшает охлаждение. Чтобы избежать этого, провода этих катушек должны иметь площадь сечения больше, чем у иных катушек высоковольтной обмотки (первичной). Винтовую параллельную обмотку применяют как нерегулируемую часть вторичной обмотки. Витки этой обмотки наматывают в направлении оси аналогично винтовой резьбе. Обмотка делается из определенного числа параллельных проводов, сечением прямоугольной формы. Эти провода друг к другу прилегают в радиальном направлении. Разделяют отдельные витки и целые группы проводов каналы с циркулирующей по ним охлаждающей жидкостью.
Рис. 6. Непрерывная спиральная (а) и винтовая (б) обмотки мощных трансформаторов электрического подвижного состава: 1 — выводы; 2,6 — каналы для прохода охлаждающей жидкости; 3 — катушки; 4 — опорные кольца; 5 — рейки; 7 — бакелитовый цилиндр; 8 — проводники обмотки
Рис. 7. Устройство трансформаторов общего назначения (а) и тягового (б) с масляным охлаждением: 1— термометр; 2 — выводы обмотки высшего напряжения; 3—выводы обмотки низшего напряжения; 4, 6 — пробки для заливки масла; 5 — масломерное стекло; 7 — расширитель; 8 — сердечник; 9, 10 — обмотки высшего и низшего напряжений; 11 — пробка для спуска масла; 12 —бак для охлаждения масла; 13 — трубы для охлаждения масла; 14 — теплообменник; 15 — воздуховоды; 16, 18 — стойки для установки переключателя выводов трансформатора; 17 — заводской щиток; 19 — насос для циркуляции масла; 20 — опорные балки Количество параллельных проводов зависит от величины тока, который будет проходить по обмотке. Охлаждающая система. Применяемый способ охлаждения трансформатора определяет его номинальная мощность. Чем она больше, тем интенсивнее должно производиться охлаждение трансформатора. В трансформаторах небольшой мощности обычно применяют естественное охлаждение воздухом, называются такие устройства «сухими». Тепло от нагреваемых поверхностей магнитопровода и обмоток в них отводится прямо в окружающий воздух. Иногда маломощные трансформаторы находятся в корпусе, который заполняют термореактивными компаундами, основа которых - эпоксидные смолы либо подобные материалы. В трансформаторах, мощность которых средняя или большая, сердечник и обмотки полностью погружены в бак с минеральным маслом (трансформаторным), его подвергают тщательной очистке (рис. 7, а). Такой способ теплоотвода называется естественное масляное охлаждение. Трансформаторному маслу свойственна более высокая теплопроводность, чем воздуху, оно лучше отводит тепло к стенкам бака от сердечника и обмоток. Площадь охлаждения у бака больше, нежели у трансформатора. А еще погружение трансформатора в бак, заполненный маслом, позволяет повысить электрическую прочность изоляции обмоток и уменьшить ее старение под воздействием атмосферных явлений. Баки для трансформаторов, имеющих мощность 20-30 кВА, изготавливают с гладкими стенками. Для трансформаторов большей мощности (к примеру, стоящих на тяговых подстанциях), с целью повысить теплоотдачу, площадь охлаждения увеличивают, используя трубчатые баки или баки с ребристыми стенками. Масло, нагревающееся в баке, поднимается вверх, а масло, охлаждающееся в трубах, спускается вниз. Создается естественная циркуляция, которая улучшает охлаждение трансформатора. На ЭПС переменного тока ставят трансформаторы масляного охлаждения, циркуляция масла в них – принудительная, оно идет через теплообменник, который охлаждается воздухом (рис. 7, б). Подобная система охлаждения позволяет увеличить индукцию в сердечнике, в обмотках - плотность тока, таким образом уменьшают массу и размеры трансформатора. В охлаждающую систему обычно ставят струйное реле, чтобы не дать трансформатору включиться, когда в нем нет циркуляции масла. При работающем трансформаторе масло нагревается, его объем увеличивается. Когда нагрузка уменьшается, оно остывает, и объем становится прежним. Из-за этого масляные трансформаторы комплектуют дополнительным баком — это расширитель, который соединен с внутренней частью основного бака. Как только трансформатор нагревается, масло переходит в расширитель. Использование расширителя ведет к уменьшению площади соприкосновения масла с воздухом, уменьшается загрязнение и увлажнение масла. Когда трансформатор работает, нагретое масло разлагается и загрязняется, поэтому оно требует периодической очистки и замены. Чтобы избежать взрыва и пожара, масляные трансформаторы стоят в огражденных помещениях. Максимум допустимой температуры для обмоток - 105°С, сердечника — 110°С, верхнего слоя масла - 95°С. Чтобы предотвратить аварийные ситуации, устройства большой и средней мощности оснащают газовыми реле, их ставят прямо в трубопроводе, между расширителем и главным баком. Если взрывоопасные газы, которые образуются при разложении масла, собираются в большом количестве, такое газовое реле выключит трансформатор в автоматическом режиме, предотвращая возможность аварии. На трансформаторы, мощность которых составляет более 1000 кВА, ставят и выхлопную трубу, закрываемую мембраной из стекла. Большое количество газов выдавит мембрану и выйдет в атмосферу, это исключает деформирование бака. Трансформаторы многообмоточные. Самое большое распространение имеют однофазные двухобмоточные трансформаторы (рис. 8, а). Если нужно получить от одного трансформатора не одно, а несколько разных напряжений u21, u22, u23 (рис. 8, б), применяются многообмоточные трансформаторы. Их магнитопровод имеет несколько вторичных обмоток, причем все они имеют разное число витков. Например, у тяговых трансформаторов, используемых в электровозах, есть четыре обмотки: одна - высоковольтная первичная и три - низковольтные вторичные. При этом одна (тяговая) должна питать цепи тяговых двигателей через выпрямитель, в то время как вторая обеспечивает питание собственных электропотребителей (цепи вспомогательных машин, освещение, управление и т.д.), третья предназначена для обеспечения питанием электрических отопительных печей вагонов для пассажиров. Если конструкцией электровоза предусмотрено рекуперативное торможение, то применяется особая вторичная обмотка, которая служит для обеспечения электропитанием возбуждающих обмоток тяговых двигателей, работающих в этом режиме. Есть и такие модели электровозов, в которых питание для всех тяговых двигателей предусмотрено от собственного выпрямителя, при этом трансформатор делается с соответствующим числом вторичных обмоток.
Рис. 8. Схемы двухобмоточного (а) и многообмоточного (б) трансформаторов www.viele-transformatoren.ru |
|
|||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||
|
