2.19. Несимметричная нагрузка трансформаторов. Общая характери­стика

П ри эксплуатации трехфазных трансформаторов часто встречаются случаи, когда нагрузка и напряжения отдельных фаз неодинаковы. Не­симметрия фазных и линейных напряжений неблагоприятно сказывается на потребителях электро­энергии. На практике в сетях, питающихся от трансформато­ров, случаются несимметричные короткие замыкания (однофазные на землю или нулевой провод и двухфазные). При анализе несимметричных режимов работы удобно пользоваться методом симметричных составляющих, полагая, что коэффициент трансформации ( ), а ток намагничивания примерно равен нулю. Применительно к трансформаторам этот метод можно упростить, так как для токов прямой и обратной последовательности активное и ин­дуктивное сопротивления обмоток одинаковы. В данном случае могут быть использованы рассмотренные ранее схемы замещения. Это справедливо, так как сопро­тивление трансформатора по отношению к токам указанных последова­тельностей равно сопротивлению короткого замыкания [1].

2.19.1. Токи и потоки нулевой последовательности в трансформаторах. В обмотках, соединен­ных звездой (рис.2.49,а), токи нулевой последовательности могут возникнуть только при наличии нулевого провода. Токи , , между собой равны по зна­чению и фазе. Их направление в каждый момент времени во всех фазах одинаковы. Следовательно, эти токи могут замыкаться через нулевой провод:

. (2.128)

В обмотках, соединенных треугольником (рис. 2.49,б), токи в фазах составляют ток, циркулирующий по замкнутому контуру. Линейные токи представляют собой разность токов фаз и в данном случае не содер­жат токов нулевой последовательности. Поэтому в обмотках, со­единенных треугольником, эти токи, могут возникать только в результате индукти­рования их другой обмоткой трансформатора. Токи нулевой последовательности создают во всех фазах потоки ну­левой последовательности , которые во времени совпадают по фазе. Они аналогичны третьим гармоникам потока трехфазных трансформаторов, возникающих вследствие насыщения магнитной цепи. В стержневых трансформаторах потоки в стержнях имеют одинаковое на­правление и замыкаются от одного ярма к другому через масло и бак трансформатора. Магнитное сопротивление потоков относи­тельно велико. В результате потери от вихревых токов становятся большими [4].

2.19.2. Схемы замещения и сопротивления трансформаторов для то­ков нулевой последовательности. Потоки , создаваемые токами нулевой последовательности, индукти­руют в первичной и вторичной обмотках эдс самоиндукции и взаимной индукции. От схем соединения обмоток, представленных на рис.2.50, зависит вид схем замещения относительно выходных зажимов и сопротивление нулевой последовательности. При соединении обмоток по схеме Y_о/Y_о (рис.2.50,а) токи нулевой последовательности существуют в первичных и вторичных обмотках и внешних цепях. В этом случае схема замещения нулевой последовательности ничем ни отличается от схемы замещения прямой последовательности.

Когда обмотки соединены по схеме Y/Y_о (рис.2.50,б), то токи нулевой последовательности в обмотке без нулевого провода не будут существо­вать. Схема замещения относительно этой обмотки разомкнута. Од­нако на ее зажимах без нулевого провода существует фазное напря­жение нулевой последовательности , которое индуктируется током нулевой последовательности обмотки Y_о.

У трансформатора с соединением обмоток Y_о/ (рис. 2.50,в) токи ну­левой последовательности могут существовать в обеих обмотках. В случае соединения треугольником обмотка замкнута относительно этих токов накоротко. Токи нулевой последовательности во внешней цепи не могут существовать. Поэтому в схеме замещения зажимы со сто­роны треугольника замкнуты накоротко. Согласно схемам замещения рис. 2.50 сопротивления обмоток

; . (2.129)

О ни состоят активных сопротивлений и сопротивлений рассеивания, которые практически не отличаются от значений аналогичных сопротивлений для токов прямой и обратной последовательности. Сопротивление намагничивающей цепи также практически не отличается от сопротивления намагничивающей цепи для токов прямой последовательности. В этих случаях потоки нулевой последовательности замыкаются по замкнутым стальным магнитопроводам. Если токи нулевой последовательности протекают в обеих обмотках, то намагничивающий ток составляет небольшую долю полного тока нулевой последовательности. Его величиной можно пренебречь. В результате можно использовать упрощенную схему замещения. Сопротивление короткого замыкания при этом . У трехстержневых трансформаторов , т.к. поток нулевой последовательности замыкается по воздуху. В этом случае без большой погрешности можно пользоваться схемами, представленными на рис. 2.50,а,в [1].

Эдс индуктируется основным потоком нулевой последователь­ности. Она равна с обратным знаком напряжению на зажимах намагничи­вающей ветви схемы замещения . Сопротивление трехфазного транс­форматора представляет сопротивление трансформатора токам нулевой последовательности, измеренное со стороны одной об­мотки, когда все выходные зажимы второй обмотки замкнуты накоротко. Для схемы замещения рис.2.50,а оно сравнительно невелико и равно . В случае использования схемы рис.2.50,б со стороны обмотки Y определение не имеет смысла, т. к. , а со стороны обмотки Y_о сопротивление нулевой по­следовательности:

. (2.130)

Когда используются броневые, бронестержневые и групповые трансформаторы, то . Значение относительно велико и равно сопротивлению холо­стого хода при токах прямой последовательности . Для трехстержневых трансформаторов в случае соединения обмоток по схеме рис.2.50,б . С применением схемы рис. 2.50,в определение со стороны обмотки не имеет смысла, т.к. в линейных токах составляющие нулевой последовательности не содержатся. Сопротивление со стороны обмотки Y₀ равно:

. (2.131)

Значение изменяется в пределах от сопротивления короткого замыкания до сопротивления холостого хода . Чтобы осуществить экспериментальное определение значения необходимо создать токи с учетом соблюдения равенства:

. (2.132)

Д ля этого три фазы обмотки можно соединить последовательно (рис. 2.51,а) или параллельно (рис. 2.51,б) [6]. Первая схема соответствует включению источника напряжения в рассечку треугольника, а вторая – его включению в нулевой провод, когда обмотка соединена в звезду. Схема соединений вторичной обмотки может иметь также два варианта. Последовательное соединение фаз (рис. 2.51,а) более предпочтительно, поскольку соблюдение равенства (2.132) при этом обеспечено при всех условиях. Когда во вторичной обмотке возможно суще­ствование токов нулевой последовательности, а это наблюдается в случае соединения в или Y_о с незначительным сопротивлением нулевого провода, выключатель должен быть замкнут, и разомкнут при соединении Y. Для схемы рис.2.51,а сопротивления нулевых последовательностей определяются выражениями:

; ; . (2.133)

Если используются схемы рис. 2.51,б, то:

; ; . (2.134)

В мощных трансформато­рах, как правило, и .