Параллельная работа трансформаторов

Параллельной работой двух или нескольких трансформаторов называется работа при параллельном  соединении их обмоток как на первичной, так и на вторичной сторонах. При параллельном соединении одноименные клеммы обмоток трансформаторов присоединяют к одному и тому же проводу сети (рис.1.21).

Параллельная работа трансформаторов вместо одного трансформатора суммарной мощности нужна по следующим соображениям:

1.  Для обеспечения бесперебойного энергоснабжения потребителей в случае аварии в каком-либо трансформаторе или отключения его для ремонта;

2. Обеспечение работы трансформаторов с высокими эксплутационными показателями (КПД и cos2), варьируя количество работающих трансформаторов, чтобы каждый из них был нагружен оптимально.

Рис. 1.21

Для того, чтобы нагрузка между параллельно работающими трансформаторами распределялась пропорционально их номинальным мощностям, нужно выполнить следующих три условия:

1. Первичные и вторичные напряжения трансформаторов должны быть соответственно равны, т.е. трансформаторы должны иметь равные коэффициенты трансформации (k1= k2= k3=….).

2. Трансформаторы должны иметь одну и ту же группу соединения обмоток.

3. Номинальные напряжения короткого замыкания трансформаторов должны быть равными(UK1= UK2= UK3=....).

Рис. 1.22

При несоблюдении первого условия, даже в режиме холостого хода, между параллельно включенными трансформаторами возникает уравнительный ток lур, обусловленный разностью вторичных ЭДС трансформаторов (рис.1.22)

,

где Zк1, Zк2 - сопротивления короткого замыкания трансформаторов.

При подключении нагрузки уравнительный ток накладывается на нагрузочный. У трансформатора с более высокой вторичной ЭДС (у понижающих трансформаторов - трансформатор с меньшим коэффициентом трансформации) уравнительный ток суммируется с током нагрузки. Трансформатор равной мощности, но с большим коэффициентом трансформации, окажется недогруженным, так как уравнительный ток направлен встречно нагрузочному.

Длительная перегрузка трансформаторов недопустима, поэтому приходится при не равных коэффициентах трансформации снижать общую нагрузку. При значительной разнице коэффициентов трансформации нормальная работа трансформаторов будет практически невозможной. Поэтому ГОСТ допускает включение на параллельную работу трансформаторов с различными коэффициентами трансформации, если их разница не превышает  среднего геометрического значения

.

При несоблюдении второго условия вторичные линейные напряжения трансформаторов окажутся сдвинутыми по фазе относительно друг друга.

Рис. 1.23

В цепи трансформаторов появится разностное напряжение , под действием которого возникнет значительный уравнительный ток.

Например, рассмотрим включение на параллельную работу двух трансформаторов с равными коэффициентами трансформации, один из которых имеет нулевую (Y/Y-0), а другой – одиннадцатую (Y/-11) группы соединения обмоток. Во-первых, линейное напряжение 21 первого трансформатора будет больше линейного напряжения 22 второго трансформатора в  раз. Во-вторых, векторы этих напряжений окажутся сдвинутыми по фазе относительно друг друга на угол 30 (рис.1.23)

=, так как , , то  и 

Появление такого разностного напряжения  приведет к возникновению во вторичной цепи трансформаторов уравнительного тока, в 15-20 раз превышающего номинальный ток нагрузки, т.е. возникает аварийная ситуация. Наибольшее значение   появится при включении на параллельную работу трансформаторов с нулевой и шестой группами соединения обмоток , т.к. в этом случае векторы линейных вторичных напряжений окажутся в противофазе.

При несоблюдении третьего условия с некоторым приближением, пренебрегая токами холостого хода, можно параллельно включенные трансформаторы (рис.1.24,а) заменить их сопротивлениями короткого замыкания  и  (рис.1.24,б).

Рис. 1.24

Так как токи в параллельных ветвях распределяются обратно пропорционально их сопротивлениям, то и относительные мощности (нагрузки) параллельно работающих трансформаторов обратно пропорциональны их напряжениям короткого замыкания. В итоге это ведет к перегрузке трансформатора с меньшим  и недогрузке трансформатора с большим .

Поэтому ГОСТ допускает включение трансформаторов на параллельную работу с различными напряжениями короткого замыкания, если их разница не превышает  среднего арифметического значения

.

Разница в напряжениях короткого замыкания тем больше, чем больше трансформаторы отличаются друг от друга по мощности, поэтому ГОСТ рекомендует, чтобы отношение номинальных мощностей трансформаторов, включаемых параллельно, было не более 3:1.

Кроме соблюдения названных трех условий необходимо перед включением трехфазных трансформаторов на параллельную работу проверить порядок чередования фаз, который должен быть одинаковым у всех трансформаторов.

Соблюдение всех перечисленных условий проверяется фазировкой трансформаторов (рис.1.25). При этом любую пару, противоположно расположенных клемм рубильника, соединяют проводом (на рис. не изображен), а между оставшимися парами клемм измеряют напряжение

Рис. 1.25

нулевым вольтметром. Если вторичные напряжения трансформаторов равны и одинаковы их группы соединения обмоток, то при одинаковом порядке следования фаз показание нулевого вольтметра равно нулю. В этом случае трансформаторы можно подключать на параллельную работу. Если вольтметр покажет некоторое напряжение, то необходимо выяснить какое из условий параллельной работы нарушено и устранить это нарушение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Несимметричная нагрузка трехфазных трансформаторов

В качестве причин несимметричной нагрузки могут быть названы: неравномерное распределение однофазных приемников нагрузки; аварийные режимы, возникающие при 1-фазных, 2-фазных коротких замыканиях или при обрыве одной из фаз ЛЭП.

Несимметрия вторичных напряжений трансформатора неблагоприятно отражается как на потребителях, так и на самом трансформаторе. Например, у двигателей переменного тока снижается допустимая мощность нагрузки, у ламп накаливания при повышенном напряжении резко уменьшается срок службы, а при пониженном напряжении уменьшается сила света. У трансформатора происходит перегрузка отдельных его фаз, чрезмерное повышение фазных напряжений и насыщение магнитопровода.

Для исследования работы трансформаторов при несимметричной нагрузке широко используется метод симметричных составляющих, изучаемый в дисциплине “ТОЭ”. При рассмотрении трехфазного понижающего трансформатора несимметричная система токов обмотки НН может быть представлена в виде суммы трех симметричных систем прямой, обратной и нулевой последовательностей, отличающихся друг от друга последовательностью прохождения токов через максимум

  (*)

Токи, образующие систему прямой последовательности, достигают максимумов последовательно в фазах a, b, c. Токи, образующие систему обратной последовательности, достигают максимумов последовательно в фазах a, c, b. Токи нулевой последовательности во всех трех фазах имеют одно направление (нулевой сдвиг).

После введения в уравнения (*) коэффициентов ,  они будут записаны в следующем виде

(**)

Умножение любого вектора на коэффициент a не изменяет его абсолютного значения, но изменяет его аргумент на , т.е. поворачивает вектор на  в сторону вращения векторов.

Из (**) токи прямой, обратной и нулевой последовательностей могут быть получены через несимметричные

(***)

На основании последнего равенства в (***) следует, что при наличии токов нулевой последовательности сумма токов трех фаз не равна нулю.

Преимущество метода симметричных составляющих состоит в том, что с симметричной системой каждой последовательности можно оперировать независимо от систем других последовательностей обычными методами математического и графического анализа. Однако метод симметричных составляющих предполагает использование принципа наложения, справедливого только для линейных систем. Поэтому применительно к трансформатору необходимо сделать допущение, приняв отсутствие насыщения электротехнической стали магнитопровода () или пренебречь током холостого хода ().

Кроме того, несимметрично нагруженный трансформатор рассматривается с равными числами витков первичной и вторичной обмоток (), что позволяет не использовать процедуру приведения.

Для случая симметричной нагрузки, когда токи фаз трансформатора составляют симметричную систему, можно сделать следующую запись:   . Подставив эти значения в (***), получим

Таким образом, в случае симметричной нагрузки существуют токи только прямой последовательности. Поэтому все рассмотренное ранее для симметричной нагрузки соответствует работе трансформатора с токами прямой последовательности.

А что произойдет, если у трансформатора, работающего с симметричной нагрузкой, поменять местами две клеммы обмотки высшего напряжения (например, В и С) и низшего напряжения (b и c)? Чередование векторов токов фаз трансформатора изменится на обратное, т.е. будет соответствовать чередованию токов обратной последовательности. Режим работы самого трансформатора и потребителей при этом не изменится.

Таким образом, токи обратной последовательности трансформируются из одной обмотки в другую так же, как и токи прямой последовательности. Поведение трансформатора по отношению к токам прямой и обратной последовательности одинаково. Ранее рассмотренные схемы замещения действительны как для токов прямой, так и для токов обратной последовательностей, сопротивление трансформатора по отношению к токам этих последовательностей так же одинаково и равно сопротивлению короткого замыкания Zк .

Токи нулевой последовательности в обмотках, соединенных по схеме “звезда”, могут возникать только при наличии нулевого провода. А в обмотках, соединенных по схеме “треугольник”, токи нулевой последовательности составляют ток, циркулирующий по замкнутому контуру, и линейные токи, как разности токов смежных фаз, не содержат токов нулевой последовательности. Поэтому токи нулевой последовательности в обмотке, соединенной по схеме “треугольник”, могут возникать только в результате индуктирования их другой обмоткой трансформатора.

Потоки нулевой последовательности создаются токами нулевой последовательности и поэтому во времени совпадают по фазе. Рассмотрим, как будет сказываться наличие потоков нулевой последовательности на трансформаторах с различными типами магнитопроводов.

В трехфазных трансформаторах с броневыми, бронестержневыми магнитопроводами и в групповом трансформаторе потоки нулевой последовательности ФОП замыкаются по магнитопроводам. Магнитное сопротивление для потоков ФОП мало и поэтому уже небольшие токи нулевой последовательности  способны создавать большие потоки ФОП. Если ток  равен току холостого хода трансформатора, то создается поток ФОП, равный номинальному рабочему потоку трансформатора. Подобное относится и к ЭДС, наведенной потоком ФОП.

В трехфазном трансформаторе со стержневым магнитопроводом потоки нулевой последовательности всех фаз вынуждены замыкаться от одного ярма к другому (например, в трансформаторе с масляным охлаждением) через масло и бак трансформатора. В этом случае магнитное сопротивление для потока ФОП относительно велико, а в стенках бака индуктируются вихревые токи и возникают потери. Поэтому поток ФОП и наводимая им ЭДС малы.

Физические условия работы трансформаторов при несимметричной нагрузке

Случай 1. Токи нулевой последовательности отсутствуют. При несимметричной нагрузке падения напряжения  в фазах трансформатора различны. Если токи отдельных фаз не превышают номинальных значений, то  относительно малы, вследствие малости сопротивления Zк трансформатора.

Таким образом, несимметричная нагрузка трансформатора при отсутствии токов нулевой последовательности не вызывает значительного искажения симметрии фазных и линейных напряжений на клеммах вторичной обмотки.

Для рассматриваемого случая первичные и вторичные токи прямой последовательности в каждой фазе равны по величине и обратны по знаку. Это же справедливо и для токов обратной последовательности, а значит и для суммы токов прямой и обратной последовательностей. Поэтому принятые ранее упрощения ( пренебрежение намагничивающим током) позволяют сделать следующую запись:

.

В результате можно сказать, что намагничивающие силы и токи первичных и вторичных обмоток уравновешиваются в каждой фазе и на каждом участке магнитопровода по отдельности.

Случай 2. Имеются токи нулевой последовательности. Вариант а: токи нулевой последовательности возникают в обеих обмотках трансформатора. Это трансформаторы с соединением обмоток . Намагничивающим током нулевой последовательности можно пренебречь, потому что он составляет небольшую долю полного тока нулевой последовательности, и записать

.

Таким образом, намагничивающие силы токов нулевой последовательности обеих обмоток взаимно уравновешиваются в каждой фазе трансформатора. В этой ситуации сопротивление нулевой последовательности . Нулевые составляющие вторичного напряжения возникают только за счет относительно небольших падений напряжения . Поэтому в трансформаторах с соединением обмоток  при несимметричной нагрузке система фазных напряжений искажается относительно слабо.

Вариант б: токи нулевой последовательности возникают только в одной обмотке. Это трансформаторы с соединением обмоток . Токи нулевой последовательности протекают только во вторичной обмотке и являются чисто намагничивающими, так как они не уравновешены токами нулевой последовательности в первичной обмотке. ЭДС нулевой последовательности равна , где  - сопротивление намагничивающей цепи для токов нулевой последовательности. ЭДС  может достичь больших значений. Например, в трансформаторах с броневыми, бронестержневыми магнитопроводами и в групповом трансформаторе сопротивление намагничивающей цепи для токов нулевой последовательности равно сопротивлению намагничивающей цепи для токов прямой последовательности . Поэтому уже при  ЭДС нулевой последовательности ЕОП , и система фазных ЭДС и напряжений сильно искажается, что неприемлемо и опасно для однофазных потребителей. Направление вектора зависит от фазы токов нулевой последовательности и определяется условиями нагрузки.

На величину линейных напряжений не влияют ЭДС нулевой последовательности, так как в разностях фазных напряжений нулевые составляющие исчезают.

Соединение обмоток  в трансформаторах с броневыми, бронестержневыми магнитопроводами и в групповых трансформаторах обычно не применяются, но если все же в таком соединении имеется необходимость, то на каждой фазе выполняется еще третья обмотка, соединяемая по схеме “треугольник”. Клеммы этой обмотки наружу не выводятся, если эта обмотка предназначена только для уравновешивания токов нулевой последовательности.

Рис. 1.26

У трансформатора со стержневым магнитопроводом и соединением обмоток   искажение системы фазных напряжений при наличии токов нулевой последовательности меньше, так как ZMOZк.

Вариант в: токи нулевой последовательности возникают только в одной обмотке трансформатора (рис.1.26) при соединении Y/ZH. При несимметричной нагрузке токи нулевой последовательности протекают по обеим частям вторичной обмотки, соединенной по схеме “зигзаг”, в противоположных направлениях. При одинаковом числе витков в каждой части вторичной обмотки сумме намагничивающих сил от токов нулевой последовательности в каждой фазе равна нулю. Токи нулевой последовательности создают только поля рассеяния. На каждом стержне магнитопровода имеет место магнитное равновесие и смещение нейтрали фазных напряжений будет незначительным. В этом отношении схема соединений Y/ZH выгодно отличается от схемы Y/YH .


Определение параметров трехфазного трансформатора по опытам холостого хода и короткого замыкания