Соединение обмоток трансформатора: Группы соединений обмоток трансформаторов

понятие, схемы и таблицы, чем определяется

Автор Andrey Ku На чтение 8 мин Опубликовано 13.08.2019

Любой трансформатор, за исключением автотрансформатора, имеет минимум две обмотки: высокого и низкого напряжений. Также у трехфазных устройств каждая из обмоток состоит из трех частей (по числу фаз). Большое количество частей дает возможность множества вариантов включения. Чтобы избежать путаницы, все группы соединения обмоток трансформатора для трехфазных устройств стандартизированы и приведены к единой системе для безошибочного подключения устройств и возможности параллельной работы.

Содержание

1. Понятие группы соединение обмоток трехфазного трансформатора
2. Условные обозначения и расшифровка
3. Как строятся векторные диаграммы
4. Таблица групп соединений
5. Определение методом гальванометра
6. Проверка
7. Примеры групповых соединений обмоток
8. Ошибочные обозначения

Понятие группы соединение обмоток трехфазного трансформатора

В трехфазных сетях используется два вида соединений: звезда и треугольник. При изготовлении  конструкций может показаться, что существует всего четыре вида расположения обмоток:

1. Звезда-звезда.
2. Звезда-треугольник.
3. Треугольник-звезда.
4. Треугольник-треугольник.

На деле все обстоит сложнее, поскольку в каждом виде соединений (звезде или треугольники) части обмоток могут быть соединены по-разному. В качестве примера можно привести обычных двухобмоточный трансформатор. Если у такого устройства совпадают начала и концы обмоток, то сдвиг фаз будет равен 0. Разворот одной из обмоток даст сдвиг фаз 180⁰.

Также встречаются z-образные соединения обмоток (зигзаг). В таких конструкциях каждая из обмоток состоит из двух частей, расположенных на различных стержнях магнитопровода трансформатора.

Трехфазная сеть характеризуется сдвигом фаз одна относительно другой на 120⁰

. Поэтому всего насчитывается 12 групп соединения. Каждая группа характеризуется определенным сдвигом одноименных фаз на входе и выходе трансформатора.

Условные обозначения и расшифровка

Группы маркируются числами от 0 до 11. Для удобства и стандартизации принято следующее:

• однотипные соединения (∆/∆, Y/Y) имеют четные номера;
• разнотипные соединения (∆/Y, Y/∆) – нечетные.

Трехфазные трансформаторы выполняются на стержневых магнитопроводах. Каждая из фаз располагается на отдельном стержне. Это во многом упрощает дальнейшую работу и согласование устройств между собой.

Если у трансформатора одинаковые фазы намотаны на одних стержнях, то группы соединений при этом называются основными (0, 6, 11, 5). Остальные группы – производные.

Так как минимальный сдвиг фаз может составлять 30⁰, то количество вариантов равно 12, что соответствует положениям стрелок часов. 0-е и 12-е положения совпадают.  На основании этого говорят, что номер группы совпадает с положением часовой и минутной стрелок. Сдвиг фаз вычисляется просто:

Номер группы*30⁰.

Приняты следующие обозначения на электросхемах и устройствах:

• Y, У – звезда;
• Yн, Ун – звезда на стороне низкого напряжения;
• Yо, Уо – звезда с нулевой точкой;
• ∆, Д, D – треугольник;
• ∆н, Дн, Dн – треугольник на стороне низкого напряжения.

Пример маркировки двухобмоточного трансформатора:

• ∆/Yн – 11. Первичная обмотка треугольник, вторичная (понижающая) звезда. Сдвиг фаз 330⁰;
• Y/Yо -0. Обе обмотки соединены звездой, вторичная с выведенной нулевой точкой. Сдвиг фаз отсутствует.

Также на электрических схемах обмотки высокого напряжения (ВН) обозначают символами:

• A,B, C – начало обмотки;
• X, Y, Z – конец обмотки.

Аналогично для стороны низкого напряжения:

• a, b, c;
• x, y, z.

Подобным образом маркируются многообмоточные устройства, например:

Yо/Y/∆ – 0 – 11.

Вместо нулевой группы может указываться двенадцатая, что совершенно равнозначно.

Как строятся векторные диаграммы

При построении векторных диаграмм надо запомнить правило, что сдвиг фаз меду фазами равняется 120⁰, то есть, при равенстве напряжений, концы векторов всегда будут образовывать равносторонний треугольник.

Наиболее просто составляется диаграмм для соединения звезда. В центре диаграммы ставится точка, которая соответствует объединенным концам обмоток. Из центра под углами 120⁰ проводятся векторы фаз. Вертикально проводят вектор средней фазы.

Для треугольника начерно проводят линию, параллельную соответствующей фазы звезды, а от ее концов, соответственно, подсоединенные к ней оставшиеся две фазы. Должно соблюдаться условие – все стороны треугольника должны быть параллельны соответствующим фазам звезды. Искомыми векторами будут проведенные линии из центра треугольника к его вершинам.

Векторные диаграммы рисуются для высокой и низкой сторон, а затем совмещаются с единым центром. Угол между одинаковыми фазами будет показывать номер группы соединения, выраженный в часах.

Отсчет нужно брать от вектора высокого напряжения к низкому.

Таблица групп соединений

В таблице ниже представлены обозначения групп соединения и чередование фаз низкой и высокой сторон.

Группа соединения	Обозначение	Чередование фаз
0	Y/Y-0	C, B, A
		c, b, a
	∆/∆-0	C, B, A
		c, b, a
1	Y/∆-1	C, B, A
		c, b, a
	∆/Y-1	C, B, A
		c, b, a
2	Y/Y-2	C, B, A
		c, b, a
	∆/∆-2	C, B, A
		а, c, b
3	Y/∆-3	C, B, A
		b, a, с
	∆/Y-3	C, B, A
		b, a, с
4	Y/Y-4	C, B, A
		b, a, с
	∆/∆-4	C, B, A
		b, a, с
5	Y/∆-5	C, B, A
		c, b, a
	∆/Y-5	C, B, A
		c, b, a
6	Y/Y-6	C, B, A
		c, b, a
	∆/∆-6	C, B, A
		c, b, a
7	Y/∆-7	C, B, A
		c, b, a
	∆/Y-7	C, B, A
		c, b, a
8	Y/Y-8	C, B, A
		а, c, b
	∆/∆-8	C, B, A
		c, b, a
9	Y/∆-9	C, B, A
		b, a, с
	∆/Y-9	C, B, A
		b, a, с
10	Y/Y-10	C, B, A
		c, b, a
	∆/∆-10	C, B, A
		b, a, с
11	Y/∆-11	C, B, A
		c, b, a
	∆/Y-11	C, B, A
		c, b, a

Определение методом гальванометра

Существует несколько способов определить правильность подсоединения обмоток. Самый простой способ – использование вольтметра магнитоэлектрической системы. Его еще называют методом постоянного тока.

Для этого к концам проверяемой обмотки подключают измерительный прибор, а на другую обмотку подают постоянное напряжение. Отклонение стрелки в момент  замыкания ключа покажет полярность подключения обмотки. Такие действия производятся для каждой обмотки.

Также можно воспользоваться простым вольтметром при подключении переменного напряжения. Для этого на одну из обмоток подают пониженное переменное напряжение, а остальные две обмотки соединяют последовательно и  подключают к вольтметру. Отсутствие или слишком малые показания говорят о том, что обмотки включены встречно.

Проверка

Если известен коэффициент трансформации, то при помощи вольтметра можно определить номер основной группы соединения. Для этой цели подают напряжение на концы А и а или x и y и измеряют напряжения на выводах В-в и С-с при соединении звездой или B-y и C-z при соединении треугольником. Для проверки используют следующие соотношения:

U_Bb = U_Cc = U_Aa(k-1)                                              Группа  Y/Y-0

U_By = U_Cz = U_xy(k+1)                                                       Y/Y-6

U_Bb = U_Cc = U_Aa(√(1-√3k+k²))                                     Y/∆-11

U_By = U_Cz = U_xy(√(1+√3k+k²))                                     Y/∆-5

Для исключения повреждения оборудования,  возникновения аварийных ситуаций и травмирования, все измерения следует производить при низком напряжении, не включая оборудование в основную сеть предприятия.

Примеры групповых соединений обмоток

Государственным стандартом предусмотрены только две группы соединения обмоток:

1. Y/Y-0 или ∆/∆-0
2. Y/∆-11 и ∆/Y-11

Жесткая стандартизация позволяет исключить аварии и повреждения в результате неправильных подключений.

К тому же, для трансформаторов одинаковой мощности и коэффициента трансформации становится возможным параллельное включение устройств.

Остальное количество соединений используется крайне редко в отдельных случаях при невозможности использования стандартного варианта.

Тип подключения должен быть оговорен в сопроводительной документации и продублирован на шильдике устройства.

Ошибочные обозначения

Ошибочные включения возникают при несоблюдении правил подключения концов. Это происходит в результате неправильной намотки или неправильном обозначении. В результате при включении устройства в трехфазную сеть, обмотки, включенные встречно, компенсируют магнитные потоки друг у друга, поэтому через них начинает протекать ток, ограниченный лишь активным сопротивлением обмоточного провода, что равносильно короткому замыканию.

Чтобы исключить случаи неправильного включения, рекомендуется после ремонта оборудования или перед включением неизвестных устройств тщательно проверить фазировку каждой обмотки несколькими методами для исключения возможных ошибок.

Уменьшить вероятность ошибки поможет предварительный расчет напряжений для измерений по методу вольтметра. Полученные данные служат ориентировочными значениями, на которые нужно обращать внимание при проведении последующих измерений.

Области применения разных схем соединения обмоток

СИЛОВЫЕ 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

Соединения трехфазного трансформатора

Соединение первичной и вторичной обмотки трехфазного трансформатора может быть спроектировано по-разному в зависимости от желаемого применения и доступных клемм.

Преимущественно обмотка трансформатора размещена на одном сердечнике, что обеспечивает экономичную связь между железным сердечником и медной обмоткой.

Содержание

1. Дельта-Дельта (Δ-Δ)
2. Звезда-Звезда (Г-Г)
3. Дельта-звезда (Δ-Δ)
4. Звезда-треугольник (Y-Δ)

 

Соединения трехфазного трансформатора

В трехфазном трансформаторе имеются две трехфазные обмотки; первичная обмотка и вторичная обмотка.

Соединение первичной и вторичной обмотки может быть выполнено по схеме «звезда» или «треугольник». В зависимости от применения трансформатора первичная и вторичная обмотки могут быть соединены в четырех возможных конфигурациях следующим образом:

•           Дельта-Дельта (Δ-Δ)

•           Звезда-Звезда (Y-Y)

•           Дельта-Звезда ( Δ-Δ)

•           Звезда-треугольник (Y-Δ)

 

При соединении трансформатора по схеме «треугольник-треугольник» первичная и вторичная обмотки соединяются по схеме «треугольник». Схема подключения данной конфигурации показана на рисунке ниже.

Это соединение обычно используется, даже если нагрузка несимметрична и для больших низковольтных трансформаторов. Количество необходимых фаз/витков относительно больше, чем при соединении звезда-звезда.

Отношение линейных напряжений на первичной и вторичной сторонах равно коэффициенту трансформации трансформаторов.

Кроме того, это соединение заключается в том, что даже если один трансформатор отключен, система может продолжать работать в режиме открытого треугольника, но с уменьшенной доступной мощностью.

Преимущества соединения треугольник-треугольник:

• Основным преимуществом этой системы является то, что если одна фаза выйдет из строя, трансформатор будет работать на двух других фазах. Эта система известна как открытое дельта-соединение или соединение V-V.
• Это соединение можно использовать как для сбалансированных, так и для несбалансированных условий нагрузки.
• В этой системе присутствует третья гармоника, но она циркулирует в ближнем тракте и не проявляется в выходном напряжении.
• Недостаток соединения треугольник-треугольник в том, что в системе отсутствует нейтральная точка. Следовательно, соединение треугольник-треугольник полезно, когда первичная или вторичная обмотка не требует нейтральной клеммы.

При этом первичная и вторичная обмотки соединены звездой. Схема соединения звезда-звезда показана на рисунке ниже.

Это соединение обычно используется, только если подключенная нагрузка сбалансирована для небольших высоковольтных трансформаторов. Из-за соединения звездой количество необходимых витков на фазу уменьшается (поскольку фазное напряжение при соединении звездой составляет только 1/√3 линейного напряжения). Следовательно, количество требуемой изоляции также уменьшается.

Отношение линейных напряжений на первичной и вторичной сторонах равно коэффициенту трансформации трансформаторов.

Линейные напряжения как на первичной, так и на вторичной стороне находятся в фазе друг с другом.

При соединении трехфазного трансформатора по схеме «треугольник-звезда» первичная обмотка соединяется по схеме «треугольник», а вторичная обмотка — по схеме «звезда».

Схема подключения конфигурации «треугольник-звезда» показана на рисунке ниже.

Первичная обмотка соединена треугольником. Поэтому в первичной обмотке фазное напряжение равно линейному.

Вторичная обмотка соединена звездой. Следовательно, во вторичной обмотке линейное напряжение в √3 раза больше фазного.

Первичная обмотка соединена треугольником, а вторичная обмотка соединена звездой с нейтралью. Следовательно, его можно использовать для предоставления 3-фазной 4-проводной сети.

Это соединение в основном используется в повышающем трансформаторе в начале линии передачи.

Отношение вторичного напряжения к первичному линейному напряжению в √3 раза превышает коэффициент трансформации.

Существует сдвиг на 30° между первичным и вторичным линейным напряжением.

При соединении звезда-треугольник вторичная обмотка соединяется по схеме треугольник, а первичная обмотка соединяется по схеме звезда. Схема подключения по схеме звезда-треугольник показана на рисунке ниже.

Вторичная обмотка соединена треугольником, а первичная обмотка соединена звездой-звездой (Y) с заземленной нейтралью.

Это соединение звезда-треугольник в основном используется в понижающих трансформаторах на конце линии электропередачи на подстанции.

Отношение вторичного напряжения к первичному линейному напряжению составляет 1/√3 коэффициента трансформации.

Существует сдвиг на 30° между вторичным и первичным линейным напряжением.

Практическая реализация соединения обмоток трансформатора — 3 важных шага, которые необходимо учитывать

Чтобы понять, как выполняются соединения обмоток трансформатора, в этой статье я соберу трехфазный трансформатор треугольник-треугольник (со сдвигом фаз на 180 градусов) с использованием трех (3) однофазных трансформаторов. Хотя это упражнение кажется спорным для проектирования подстанции, существуют практические применения однофазных трансформаторов. Например, как источник обслуживания станции.

Однофазный трансформатор, настроенный для трехфазной сети.

Кроме того, чтобы помочь вам шаг за шагом, я подготовил приведенный ниже рабочий лист (бесплатно для загрузки), который использовался в этом упражнении.

Соединения обмоток вспомогательного силового трансформатораСкачать PDF бесплатно

Наконец, прежде чем приступить к упражнению, посмотрите видео ниже. И видео, и статья работают вместе, заполняя все пробелы в рабочем листе.

Шаг 1. Разработайте векторы для обмоток ВН трансформатора

Чтобы выяснить, связаны ли первичные обмотки звездой или треугольником, необходимо знать номинальное первичное напряжение и напряжение катушки трансформатора.

Номинальное напряжение первичной сети

Во-первых, давайте посмотрим на номинальное напряжение и количество проводов источника.

В 4-проводных системах можно выбрать два номинала напряжения: между фазами (большее число) или между фазами и землей. В 3-х проводных системах номинал только один – междуфазный.

Для этого упражнения предположим, что 12,470Y/7200V 3-фазная 4-проводная система переменного тока питает трансформаторы.

Примечание: при среднем напряжении количество проводов показывает, какая у вас первичная система: звезда или треугольник (другими словами, это указывает, как соединены вторичные обмотки трансформатора источника).

Напряжение катушки трансформатора

Ниже приведены два возможных трансформатора, которые работают с указанными выше номиналами источника.

• Трансформатор № 1
• Трансформатор № 2

Если вы посмотрите на паспортные таблички, то увидите, что номинальное напряжение высокого напряжения указано иначе.

Один 3760X12000X12470V , а другой 7200/12470Y . Итак, какой номинал можно применить к клеммам трансформатора h2-h3?

Эмпирическое правило:

Когда вы видите ‘/’ косой знак , меньшее число представляет напряжение катушки. Вы можете применить меньший номер только к клеммам h2-h3. Ни при каких обстоятельствах нельзя подавать более высокое напряжение. Что касается трансформатора №2, не подавайте 12470 В через h2-h3 этого трансформатора.

Когда вы видите знак «X» крестик , вы можете применить любое из перечисленных напряжений . Что касается трансформатора №1, вы можете применить 3760, 12000 или 12470 к клеммам h2-h3. Просто убедитесь, что вы выбрали этот кран с помощью предоставленного рычага.

Рычаг настройки отвода трансформатора № 1

Чтобы лучше понять значение напряжения катушки, посмотрите видео ниже.

Давайте выберем количество три трансформатора № 1 для нашего упражнения.

Тип вектора выбора для обмоток ВН

Поскольку мы предположили 3-фазную 4-проводную систему 12470Y/7200В, существует только один способ соединения клемм h2-h3 наших 3 однофазных трансформаторов – треугольник .

При соединении треугольником вы подаете полное межфазное напряжение, что нормально, поскольку вы можете установить рычаг на значение 12470 В (см. изображение выше).

Если соединить их звездой, то напряжение 7200 В подается только на клеммы h2-h3 каждого трансформатора. Это не приведет к правильному напряжению на обмотке НН, потому что на обмотке ВН нет настройки 7200 – только 12000 и 3760.

Дополнительная информация: определите полярность трансформатора

ниже) номинальной мощности и 9000В (и ниже) катушка номинального напряжения изготавливается с добавочной полярностью. Трансформеры с высокими баллами в любом рейтинге оказываются вычитающими. Это влияет на физическое расположение клемм X1-X3.

Так как мы выбрали трансформатор 25 кВА 3760X12000X 12470 В -120/240В номинальный трансформатор, он построен вычитающим.

Шаг 2. Разработайте векторы для обмоток НН трансформатора

Чтобы выяснить, связаны ли вторичные обмотки звездой или треугольником, необходимо понять требования к напряжению нагрузки.

Требования к напряжению нагрузки

Вспомогательные нагрузки переменного тока на подстанциях (такие как двигательные нагрузки, отопительные нагрузки, осветительные нагрузки) обычно представляют собой 1-фазное напряжение 120 В, 1-фазное или 3-фазное напряжение 208 В или 1-фазное или 3-фазное напряжение 240 В переменного тока.

Для этого упражнения предположим, что у нас есть все три типа нагрузок: 120 (1 фаза) / 208 (1 фаза) / 240 В переменного тока (3 фазы).

Примечание: на стороне нагрузки количество проводов не показывает, имеете ли вы вторичную обмотку звездой или треугольником. На самом деле, вы можете поставить 4-проводной треугольник (подробнее об этом вы увидите здесь) или 3-проводной треугольник. Единственный факт, который показывает, как подключена обмотка НН, — это коэффициент обмотки: 120/208 (т.е. 1:1,732) или 120/240 (т.е. 1:2) и т. д. Соотношение 1:1,732 требует звездочки соотношение 1:2, дельта.

Определить, какие клеммы НН (X1-X2-X3) используются.

На стороне НН нам нужен полный номинал 240 В переменного тока для питания нагрузки 240 В переменного тока. Для этого обмотки НН связывают в серии .

Теперь давайте создадим сервис 208vac. Есть два способа сделать это.

Одним из способов необходимо соединить обмотки НН трансформатора (он же бак) параллельно . Это дает вам 120 В переменного тока только из одной ванны. Теперь соедините 3 ванны звездой, и вы получите 208 В переменного тока между фазами. См. среднее изображение ниже. При соединении звездой вы получаете 3-фазное питание 208 В переменного тока. Но поскольку обмотки параллельны, вы теряете 240 В переменного тока.

В качестве альтернативы, если вы сохраните полную обмотку низкого напряжения 240 В переменного тока, вы все равно можете получить обслуживание 208 В переменного тока. Только на этот раз вы получите только однофазное питание 208 В переменного тока. Просто заземлите центральную клемму только одного бака и соедините все три бака треугольником. См. последнее изображение ниже.

208 В перем. тока от трансформатора 120/240 В перем. бак и X1-X3 на оставшихся двух баках.

Смещение фаз (между векторами ВН и НН) и направление вращения вектора

Теперь, когда мы знаем, каков вектор обмотки НН, пора повернуть его по часовой стрелке (чтобы векторы высокого напряжения опережали направление нижнего). Если на подстанции есть существующие трансформаторы, и вы подключаете эту новую группу параллельно, то совместите смещение фаз. В противном случае выберите один. Стандартом было бы выбрать наименьшее возможное смещение. Это будет ноль градусов в конфигурации «звезда-звезда/треугольник-треугольник» или 30 градусов в конфигурации «треугольник-звезда/треугольник-треугольник».

Сейчас самое время записать фазы. Запишите A-B-C по часовой стрелке вокруг основного и вторичного векторов (предполагая систему вращения A-B-C). Обозначения трансформаторов T1, T2 и T3 следуют той же схеме по часовой стрелке.

Соотнесение векторов ВН и НН

Обмотки ВН и НН одного и того же (однофазного) трансформатора намотаны на один и тот же сердечник. Таким образом, ассоциированный вектор HV и вектор LV параллельны друг другу. Мы применяем эту концепцию для установления векторов ЛЖ. Обязательно посмотрите видео (в начале статьи), где я это рисую. Вы также можете увидеть изображение ниже, где я нарисовал окончательную настройку. Наблюдали ли вы за векторами HV и LV T1, T2 и T3? Разве они не параллельны? Как и должно быть (обмоток на одном сердечнике).

Шаг 3: Определите полярность и отметьте номера клемм трансформатора на векторах

Когда первичные и вторичные векторы нарисованы, следующие последние штрихи помогут с окончательными соединениями обмоток трансформатора.

• С настройкой треугольник-звезда или звезда-звезда, где векторы LV представляют собой звезду. Начните устанавливать направление полярности с векторов LV, а затем продолжайте отмечать векторы HV.
  • Объедините все X2 и заземлите их.
  • Привязка X1 к фазам.
  • Согласование направлений полярности на векторах HV.

• С помощью Delta-Delta вы можете установить направление полярности на любой обмотке. В идеале вы настроите его так, чтобы h2-h3 соединялись последовательно, как показано ниже.

Я настоятельно рекомендую вам посмотреть видео, чтобы понять смысл этого шага.

Вот так выглядят конечные соединения наших трансформаторов.

Соединения обмотки трансформатора для трехфазного трансформатора треугольник треугольник

Ловушки ошибок

Следите за тем, как вы подключаете клемму X2 к схеме с высокой ветвью треугольника

Не привязывайте все клеммы X2 к земле, как показано на рисунке ниже. Я сделал это один раз, и это перегорело предохранители на стороне высокого напряжения. Теория заключается в том, что, привязывая все X2 к земле, вы уменьшаете противодействующую магнитодвижущую силу (MMF), которая развивается в ядре (закон Ленца). Индуцированный ток (в сердечнике) оказывается более синфазным с напряжением, что приводит к короткому замыканию.

Повторная посадка разных фаз после установления векторов

Обратите внимание, что в этом упражнении мы закончили с фазой C на клемме h2 трансформатора T1. Хотите фазу А на h2? Исправление простое. Держите текст A-B-C и a-b-c фиксированными и вращайте все векторы (HV и LV) одновременно, пока h2 T1 не встретится с буквой A.