Схемы и группы соединения обмоток трансформаторов

Обозначения начал и концов обмоток трансформатора

Зажимы нулевой точки при соединении в звезду обозначаются О, Оm, о.

Схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов

В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяются либо в звезду (Y), либо в треугольник (Δ).

Выбор схемы соединения обмоток зависит от ряда причин. Например, для сетей с напряжением 35 кВ и более выгодно соединить обмотку трансформатора в звезду и заземлить нулевую точку, так как при этом напряжение выводов трансформатора и проводов линии передачи относительно земли будет всегда в √3 раза меньше линейного, что приводит к снижению стоимости изоляции. Осветительные лампы накаливания более низкого напряжения имеют большую световую отдачу, а осветительные сети выгодно строить на более высокое напряжение. Поэтому вторичные обмотки трансформаторов, питающих осветительные сети, соединяются обычно в звезду и осветительные лампы включаются на фазное напряжение – между линейными и нулевыми проводниками. В ряде случаев, когда ток обмотки невелик, при соединении в звезду обмотки получаются более дешевыми, так как число витков при этом уменьшается в √3 раза, а сечение проводов увеличивается также в √3 раза, вследствие чего трудоемкость изготовления обмотки и стоимость обмоточного провода уменьшаются. С другой стороны, с точки зрения влияния высших гармоник и поведения трансформатора при несимметричных нагрузках целесообразно соединять одну из обмоток трансформатора в треугольник.

Рисунок 1. Соединение трехфазной обмотки зигзагом

В некоторых случаях применяется также соединение обмоток по схеме зигзага (рисунок 1), когда фаза обмотки разделяется на две части, которые располагаются на разных стержнях и соединяются последовательно. При этом вторая половина обмотки подключается по отношению к первой встречно (рисунок 1, а), так как в этом случае электродвижущая сила (э. д. с.) фазы будет в √3 раза больше (рисунок 1, б), чем при согласном включении (рисунок 1, в). Однако при встречном включении половин обмотки ее э. д. с. (√3 E1) будет все же в 2 / √3 = 1,15 раза меньше, чем при расположении обеих половин на одном стержне (2 E1). Поэтому расход обмоточного провода при соединении зигзагом увеличивается на 15%. Вследствие этого соединение зигзагом используется только в специальных случаях, когда возможна неравномерная нагрузка фаз с наличием токов нулевой последовательности.

Группы соединений обмоток

Для включения трансформатора на параллельную работу с другими трансформаторами имеет значение сдвиг фаз между э. д. с. первичной и вторичной обмоток. Для характеристики этого сдвига вводится понятие о группе соединений обмоток.

Рисунок 2. Группы соединений однофазного трансформатора

На рисунке 2, а показаны обмотки однофазного трансформатора, намотанные по левой винтовой линии и называемые поэтому "левыми", причем у обеих обмоток начала A, a находятся сверху, а концы X, x – снизу. Будем считать э. д. с. положительной, если она действует от конца обмотки к ее началу. Обмотки на рисунке 2, а сцепляются с одним и тем же потоком. Вследствие этого э. д. с. этих обмоток в каждый момент времени действуют в одинаковых направлениях – от концов к началам или наоборот, то есть они одновременно положительны или отрицательны. Поэтому э. д. с. EA и Ea совпадают по фазе, как показано на рисунке 2, а. Если же у одной из обмоток переменить начало и конец (рисунок 2, б), то направление ее э. д. с., действующей от конца к началу, изменится на обратное и э. д. с. EA и Ea будут иметь сдвиг 180°. Такой же результат получится, если на рисунке 2, а одну из обмоток выполнит "правой".

Для обозначения сдвига фаз обмоток трансформатора векторы их линейных э. д. с. уподобляют стрелкам часового циферблата, причем вектор обмотки ВН принимают за минутную стрелку и считают, что на циферблате часов она направлена на цифру 12, а вектор обмотки НН принимают за часовую стрелку. Тогда на рисунке 2, а часы будут показывать 0 или 12 часов, и такое соединение обмоток поэтому называется группой 0 (ранее в этом случае применялось название "группа 12"). На рисунке 2, б часы будут показывать 6 часов, и такое соединение называется группой 6. Соответственно соединение обмоток однофазных трансформаторов согласно рисунку 2, а обозначается I/I-0, а согласно рисунку 2, б – I/I-6. В России стандартизированы и изготовляются однофазные трансформаторы только соединением I/I-0.

Рисунок 3. Трехфазный трансформатор со схемой и группой соединений Y/Y-0

Рассмотрим теперь трехфазный трансформатор с соединением обмоток ВН и НН в звезду, причем предположим, что 1) обмотки ВН и НН имеют одинаковую намотку (например, "правую"); 2) начала и концы обмоток расположены одинаково (например, концы снизу, а начала сверху); и 3) одноименные обмотки (например, A и a, а также B и b, C и c) находятся на общих стержнях (рисунок 3, а). Тогда звезды фазных э. д. с. и треугольники линейных э. д. с. будут иметь вид, показанный на рисунке 3, б. При этом одноименные векторы линейных э. д. с. (например, EAB и Eab) направлены одинаково, то есть совпадают по фазе, и при расположении их на циферблате часов, согласно изложенному правилу, часы будут показывать 0 часов (рисунок 3, в). Поэтому схема и группа соединений такого трансформатора обозначается Y/Y-0.

Если на рисунке 3, а произвести круговую перемаркировку (или перестановку) фаз обмотки НН и разместить фазу a на среднем стержне, фазу b – на правом и c – на левом, то на векторной диаграмме НН (рисунок 3, б) произойдет круговая перестановка букв a, b, c по часовой стрелке. При этом получится группа соединений 4, а при обратной круговой перестановке будет группа соединений 8. Если переменить местами начала и концы обмоток, то получатся еще группы соединений 6, 10 и 2. Значит, при соединении по схеме Y/Y возможно шесть групп соединений, причем все они четные. Такие же группы соединений можно получить при схеме соединений Δ/Δ.

Рисунок 4. Трехфазный трансформатор со схемой и группой соединений Y/Δ-11

Допустим теперь, что обмотки соединены по схеме Y/Δ, как показано на рисунке 4, а, и соблюдены те же условия, которые были оговорены для рисунка 3, а. Тогда векторные диаграммы э. д. с. обмоток ВН и НН будут иметь вид, показанный на рисунке 4, б. При этом одноименные линейные э. д. с. (напрмер, EAB и Eab) будут сдвинуты на 30° и расположатся на циферблате часов, как показано на рисунке 4, в. Соединение обмоток такого трансформатора обозначаются Y/Δ-11. При круговых перестановках фаз и при перемаркировке начал и концов одной из обмоток (или при установке вместо перемычек ay, bz, cx в треугольнике на рисунке 4, а перемычек az, bx, cy) можно получить также другие нечетные группы: 1, 3, 5, 7 и 9.

Большой разнобой в схемах и группах соединений изготовляемых трансформаторов нежелателен. Поэтому ГОСТ 11677-85,"Трансформаторы силовые. Общие технические условия", предусматривает изготовление трехфазных силовых трансформаторов со следующими группами соединений обмоток: Y/Y0-0, Y0/Y-0, Y/Δ-11, Y0/Δ-11, Y/Z0-11, Δ/Y0-11, и Δ /Δ-0. При этом первым обозначено соединение обмотки ВН, вторым – соединение обмотки НН, а индекс "0" указывает на то, что наружу выводится нулевая точка обмотки.

Условия включения на параллельную работу. В большинстве случаев при значительной мощности электрической установки целесообразно иметь не один, а несколько трансформаторов меньшей мощности, включенных параллельно на общую нагрузку. Такое дробление общей трансформаторной мощности позволяет лучше решать проблему энергоснабжения потребителей, отключать часть трансформаторов при уменьшении нагрузки, проще проводить профилактический ремонт трансформаторов и пр.

Для включения трансформаторов Tp1 и Тр2 на параллельную работу (рис. 2.50, а)необходимо, чтобы при холостом ходе в их обмотках не возникали уравнительные токи и чтобы нагрузка распределялась между обоими трансформаторами в соответствии с их номинальной мощностью. Для этого требуется соблюдать ряд условий.

При неравенстве ЭДС E20I и E20II параллельно работающих трансформаторов (их вторичных напряжений при холостом ходе — рис. 2.51) возникает уравнительный ток.

Рис. 2.50. Схема включения трансформаторов при параллельной работе (в) и схема замещения их (б)

Рис. 2.51. Векторные диаграммы напряжений при параллельной работе трансформаторов: а — одной группы с различными k; б — разных групп с одинаковыми k

Этот ток вызывает циркуляцию мощности от одного трансформатора к другому, а следовательно, неравномерную нагрузку трансфор­маторов, сопровождающуюся увеличением потерь и нагрева.
первым необходимым условием для включения трансформаторов на параллельную работу является равенство их вторичных ЭДС, т. е. вторичных напряжений холостого хода (предполагается, что первичные напряжения у них одинаковы, т. е. что трансформаторы подключены к одной и той же первичной сети). При этом трансформаторы должны иметь одинаковые коэффициенты трансформации. На практике допускается параллельная работа силовых трансформаторов, имеющих различие в коэффициентах трансформации не более 0,5 %, а для трансформаторов с k > 3 — не более 1 %. При таком различии в коэффициентах трансформации разность вторичных ЭДС ΔÉ (рис. 2.51, а) небольшая и уравнительный ток незначительный.

Вторым необходимым условием является совпадение по фазе ЭДС. с тем чтобы их векторная разность равнялась нулю. Для этого параллельно работающие трансформаторы должны принадлежать к одной группе соединений. При невыполнении этого условия между одноименными зажимами вторичных обмоток возникает разность ЭДС (рис. 2.51, б), вызывающая появление уравнительного тока. Так, например, если трансформаторы принадлежат, даже к ближайшим группам (например, одиннадцатой и нулевой), сдвиг по фазе между их вторичными ЭДС составляет 30°, и в контуре параллельно соединенных вторичных обмоток возникает большая разность ЭДС

Следовательно, для того чтобы нагрузки распределялись между параллельно включенными трансформаторами прямо пропорционально их номинальным мощностям, они должны иметь одинаковые напряжения короткого замыкания. Практически удовлетворительное распределение нагрузки получается в тех случаях, когда напряжения короткого замыкания параллельно работающих трансформаторов отклоняются от их среднеарифметического значения не более чем на +10%.
Если при параллельной работе напряжения u_к не равны, то перегружается трансформатор с меньшим значением и_к, т. е. с меньшим сопротивлением Z_K. В этом случае придется уменьшить общую нагрузку всей группы параллельно работающих трансформаторов, т. е. установленная мощность трансформаторов недоиспользуется.
При неравенстве активных u _ка и реактивных и_кр составляющих напряжений короткого замыкания токи параллельно работающих трансформаторов сдвинуты по фазе на некоторый угол. При этом суммарный ток, отдаваемый нагрузке, равен векторной сумме токов всех трансформаторов, т. е. меньше их алгебраической суммы. Следовательно, и в этом случае номинальная мощность трансформаторов используется не полностью.

У трансформаторов различных мощностей составляющие u _к.а и u _кр различны: у трансформаторов большей мощности u _кр больше, а u _ка меньше, чем у трансформаторов меньшей мощности. Поэтому не рекомендуется включение на параллельную работу трансформаторов с отношением номинальных мощностей больше трех.