Магнитные системы трехфазных трансформаторов.

Трехфазный трансформатор может быть образован из трех однофазных, если их обмотки определенным образом соединены между собой (например, обе обмотки соединены звездой). Такой трансформатор называют трансформаторной группой или групповым трансформатором (Рис. 2.15). Однако можно выполнить трансформатор с общей магнитной системой для трех фаз с тремя стержнями, или так называемый трехстержневой трансформатор (Рис. 2.16).

Рисунок 2.15 Принципиальная схема трехфазной трансформаторной группы.

Рисунок 2.16 Магнитная цепь трехстержневого трансформатора: с - стержень; я - ярмо.

Группа из трех однофазных трансформаторов несколько дороже трехфазного трансформатора на ту же мощность, имеет несколько более низкий КПД и занимает больше места, хотя каждый однофазный трансформатор группы (так называемая «фаза») меньше но габаритам и по весу, чем трехстержневой трансформатор на полную мощность группы, что имеет большое значение при установке и перевозке мощных единиц. Кроме того, при группе однофазных трансформаторов в качестве резерва обычно достаточно иметь всего одну фазу (треть мощности группы), т.к. повреждение одновременно двух фаз трансформатора маловероятно. При трехстерженевом трансформаторе приходиться иметь в резерве другой трансформатор на полную мощность. Таким образом, групповой трансформатор имеет преимущество при больших мощностях, где условие перевозки и надежность при эксплуатации имеют особенно важное значение. Наоборот, трансформаторы средней и особенно малой мощности выполняются главным образом, как трехстержневые. В РФ трехстержневые трансформаторы стандартизованы на мощность до 60000кВА, а групповые – начиная с мощности 3 х 600 кВА и выше.

2.10 Схемы и группы соединений трёхфазных трансформаторов.

Каждая из обмоток трансформатора как первичная, так и вторичная может быть соединена звездой или треугольником. Кроме того, обмотки низшего напряжения масляных трансформаторов средней мощности может иметь соединение зигзаг при котором каждая фаза вторичной обмотки располагается на двух различных стержнях, по половине общего количества витков на каждом стержне.

Соединение обмоток в звезду обозначают - соединение треугольником – знаком , соединение зигзаг – знаком .

Схему соединения пишут в виде дроби, ставя над чертой знак, указывающую соединение фаз высшего напряжения, например: / . Для обозначения обмотки, соединённой в звезду с выведенной нулевой точкой, применяется знак ,для вывода нулевой точки обмоток – 0. Этого обозначения для магнитно – связанных трансформаторов недостаточно, в особенности, если трансформатор масляный, т.к. тогда изменение схемы соединений (находятся внутри бака) сопряжено с большими трудностями, а не все схемы при одинаковом их написании в виде дроби (как указано выше) могут быть включены на параллельную работу. Это обстоятельство побудило, во – первых, определённые условные обозначения зажимов и ответвлений трансформаторов, во – вторых ограничить заводы в свободе выборов схем некоторым числом общеупотребительных соединений и, в – третьих, ввести в обозначение схемы, наряду с вышеупомянутым условным символом, ещё угловое смещение обмоток. При соединении звездой концы обмоток образуют общую точку. При соединении треугольником начало первой фазной обмотки соединяется с концом третьей, начало второй с концом первой, а начало третье с концом второй. В первом случае все начала, а во втором случае общие точки обмоток присоединяются к сети. Следует отметить, что понятия начала и концы обмоток условны, однако они необходимы для правильного соединения фазных обмоток. В трёхфазных трансформаторах положительному направлению тока от начала к концу обмотки должно соответствовать определённое направление магнитного потока в стержнях; в трёхстержневых трансформаторах это направление должно быть одинаковым. На рисунке 2.17 представлена одна фаза трансформатора в которой А, – обмотка высшего напряжения, а вторичная а, – низшего напряжения. По условию обе обмотки намотаны в одну и ту же сторону, а их верхние зажимы «А» и «а» приняты за начала, а нижние зажимы «Х» и « » – за концы обмоток.

Рисунок 2.17 Направления ЭДС одной фазы трансформатора в зависимости от направления намотки и обозначения начала и конца обмоток.

Так как обе обмотки располагаются на одном и том же стержне и пронизываются одним и тем же потоком, то наводимые в этом случае в обмотках эдс имеют в любой момент времени одинаковые относительно зажимов обмоток направление, например от конца «Х» к началу «А» в одной обмотке и от конца «х» к началу «а» – в другой. Соответственно этому эдс на зажимах и совпадают по фазе и изображаются двумя векторами «ХА» и «ха», одинакового направления.

Если обмотки намотаны в разные стороны, но сохраняют то же обозначение зажимов, то эдс и относительно начала обмоток направлены в разные стороны, например от «Х» к «А» и от «а» к «х». Соответственно этому, эдс и должны быть изображены векторами «ХА» и «ха», направленными в противоположные стороны.

Такое же расположение векторов может быть получено путём изменения обозначения концов и при одинаковом направлении намотки катушек. Таким образом, угол сдвига фазной вторичной эдс относительно первичной зависит от направления намотки обмоток и от принятого обозначения зажимов обмоток (маркировки). При расположении обмоток на одном стержне этот угол может быть равным нулю или 180˚.

Угол сдвига линейной эдс будет зависеть ещё от способа соединения фазных обмоток.

Пусть обе обмотки трансформатора соединены звездой, намотаны в одну и ту же сторону и имеют одинаковые обозначения зажимов. Обмотка высшего напряжения по-прежнему принята первичной, а обмотка низшего напряжения – вторичной. Системы линейных и фазных первичных и вторичных эдс предполагаются симметричными. Так как вторичная обмотка как бы повторяет собой первичную. Углы сдвига фаз линейных эдс и фазных эдс вторичной обмотки относительно первичной равен нулю (Рис.2.18).

Рисунок 2.18 Углы сдвига фаз линейных и фазных ЭДС первичной и вторичной обмоток трансформатора

При обмотках, намотанных в противоположные стороны (противоположных направлениях), векторы вторичных фазных и линейных эдс должны быть повёрнуты на 180˚ относительно предыдущего их положения (Рис.2.19).

Рисунок 2.19 Углы сдвига фаз линейных и фазных ЭДС первичной и вторичной обмоток трансформатора намотанных в противоположные стороны.

На практике принято этот угол выражать не в градусах, а в условных угловых единицах, равных 30˚ каждая. Совпадающим по фазе векторам соответствует угол равный нулю и в условных угловых единицах. Полученная группа соединения обмоток в первом случае обозначается следующим образом / - 0. (Рис.2.18)

Тогда для второго примера угол между вторичными и первичными линейными эдс равен шести условным угловым единицам. Полученная группа соединения обмоток обозначается / - 6. (Рис.2.19)

Угловое смещение векторов линейных эдс обмотки НН по отношению к векторам соответствующих линейных эдс обмотки ВН называется группой соединения обмоток двухобмоточного трансформатора.

Принято сдвиг между линейными напряжениями обмоток характеризовать положением стрелок на циферблате часов. Электродвижущую силу обмотки высшего напряжения совмещать с минутной стрелкой и устанавливать на цифре 12. Часовая (малая) стрелка совмещается с напряжением обмотки низшего напряжения и покажет группу соединения обмоток трансформатора.

Продолжим рассмотрение схемы соединения обмоток двух обмоточного трёхфазного трансформатора / .Учитывая что обмотки имеют одинаковое направление намотки, причём принимается за положительное направление эдс в обмотках направление от конца обмотки к началу. В том случае, если маркировка зажимов выбрана произвольно без учёта согласного направления токов в обмотках, расположенных на одних и тех же стержнях, то возможно несколько групп соединения обмоток. При этом положительное графическое направление эдс в обмотках может совпадать и не совпадать с физическим положительным направлением эдс.

При произвольной маркировки зажимов вторичной обмотки, то можно получать ряд других групп: / - 2, / -4 и т.д., но так как эти группы не имеют практического применения, то мы их не рассматриваем.

Обмотки трансформатора имеют соединение первичной обмотки звездой, а вторичная – треугольником. Обмотки намотаны в одну и ту же сторону. В этом случае имеем следующую систему эдс обмоток (рис. 2.20).

Рисунок 2.20 Векторная диаграмма обмотки трансформатора имеют намотку, первичная , вторичная

Из составления треугольников АВС и авс видно, что угол между векторами соответствующих вторичных и первичных эдс равен 330˚, т.е. 11 условных угловых единиц, следовательно данная группа соединения обмоток должна иметь обозначение - / -11.

Если бы обмотки были намотаны в противоположные стороны, но маркировка зажимов осталась прежняя, то треугольник авс повернётся относительно положения (предыдущего) на 180˚. В этом случае угол между векторами «АВ» и вектором «ав» был бы 150˚, соответственно чему группа соединения обозначалась бы: / - 5. Если вторичная обмотка соединена треугольником по схеме ax - by – cz, то при одинаковом направлении получается группа соединений / - 1.

Всего существует 12 возможных вариантов групп при круговой перестановке обозначений зажимов. Чётные группы 0,2,4,6,8,10 будут в том случае, когда схемы соединения обмоток одинаковы, и нечётные группы 1,3,5,7,9,11 когда схемы соединения различны. ГОСТ 11677 предусматривает изготовление силовых трансформаторов только с группами соединения обмоток 0 и 11, т.к. в эксплуатации вполне достаточно иметь две группы.

Опытным путём группа соединений определяется следующим образом. Соединяют одноимённые выводы обмоток высшего и низшего напряжений, например «А» и «а». Присоединяют трансформатор к сети с симметричным напряжением и измеряют напряжение между выводами трансформатора. По измеренным напряжениям строят векторную диаграмму, которая должна совпасть с одной из диаграмм таблицы групп соединений трёхфазных трансформаторов.

Выбор схемы соединения обмоток определяется экономическими соображениями с учётом явлений в трансформаторе и нагрузке.

Для двухобмоточных трёхфазных трансформаторов рекомендуются схемы: / ; / ; / ; / .

Схемы соединения / и / применяют в трансформаторах распределительных сетей небольшой мощности. Обмотка ВН имеет соединение . В это случае фазное напряжение меньше в раза, чем при соединении , следовательно, и меньше расход изоляционных материалов. Обмотки НН имеет смеху соединения или для создания четырех проводных линий питающих осветительную и силовую нагрузку.

Схему соединения / применяют в трансформаторах распределительных сетей при значительно большем диапазоне мощностей и напряжений, чем / . Эта схема используется главным образом для питания силовой нагрузки.

Схему соединения обмоток / применяют в повышающих и понижающих трансформаторах большой мощности для передачи и распределения электрической энергии. Эта схема повсеместно используется в трансформаторах, установленных на обоих концах линии электропередач, причем обмотка ВН соединяется по схеме .

Соединения вторичной обмотки в зигзаг ( ) при _2н= 0,4 кВ предусматривается для трехфазных трансформаторов мощностью 0,25 до 250 кВА. Положительной особенностью трансформатора с соединением вторичной обмотки по сравнению со схемой соединения является то, что при несимметричной нагрузке практически не нарушается симметрия фазных напряжений. Такие трансформаторы целесообразно применять в сельской электрификации, где наиболее вероятна несимметричная нагрузка фаз однофазными потребителями.

Недостаток трансформатора изготовленного по схеме / - дополнительный расход меди для вторичной обмотки, так как соединение ее получается путем разбивки каждой фазы на две половины и размещения этих половин на различных стержнях по принципу кругового перемещения. При одинаковом числе витков во вторичной обмотке отношение эдс фаз при соединении и будет = 0,866. При заданном фазном напряжении соответственно в 2/ раза должно быть увеличено число витков. Общий расход меди на трансформатор повышается в среднем на 8%. Вследствие увеличенного числа витков вторичной обмотки, а также размещения на одном стержне полуобмоток, по котором протекают различные по фазе токи, потоки рассеяния таких обмоток больше, следовательно и больше индуктивные сопротивления, чем при схемах соединения фаз / .