СИЛОВІ ТРАНСФОРМАТОРИ 10 (6) / 0,4 КВ

ОБЛАСТІ ЗАСТОСУВАННЯ РІЗНИХ СХЕМ З'ЄДНАННЯ ОБМОТОК

Відсутність у виробників і замовників чіткого уявлення про принципові відмінності властивостей силових трансформаторів малої потужності з різними схемами з'єднання обмоток приводить до помилок в їх застосуванні. Причому неправильний вибір схеми з'єднання трансформаторних обмоток не тільки погіршує технічні показники електроустановок і знижує якість електроенергії, а й призводить до серйозних аварій.
Про це нагадують нижегородські проектувальники Алевтина Іванівна Федоровська і Володимир Семенович Фішман, які в своєму матеріалі акцентують увагу на різниці в реакції трансформаторів на несиметричні струми, що містять складову нульової послідовності.

СХЕМИ З'ЄДНАННЯ ОБМОТОК І ВЛАСТИВОСТІ ТРАНСФОРМАТОРІВ

Відповідно до ГОСТ 11677-85 [1] силові трансформатори 10 (6) / 0,4 кВ потужністю від 25 до 250 кВА можуть виготовлятися з наступними схемами з'єднання обмоток:

«Зірка / зірка» - Y / Yн;

«Трикутник-зірка» - Д / Yн;

«Зірка-зигзаг» - Y / Zн.

Принципова відмінність технічних характеристик трансформаторів з різними схемами з'єднань обмоток полягає в різній реакції на несиметричні струми, що містять складову нульової послідовності. Це перш за все однофазні наскрізні короткі замикання, а також робочі режими з нерівномірним завантаженням фаз.
Як відомо, силові трансформатори 6 (10) / 0,4 кВ мають трехстержневой сталевий сердечник, на кожному стрижні якого розташовуються первинна і вторинна обмотки відповідної фази - А, В і С. Магнітні потоки трьох фаз в симетричних режимах роботи циркулюють в сталевому сердечнику трансформатора і за його межі не виходять.
Що відбувається при порушенні симетрії з переважанням навантаження однієї з фаз на стороні 0,4 кВ? Такі режими роботи досліджуються з використанням теорії симетричних складових [2]. Відповідно до цієї теорії будь-несиметричний режим роботи трифазної мережі представляється у вигляді геометричної суми трьох симетричних складових струму і напруги: це складові прямої, зворотної та нульової послідовностей.
Розглянемо режим максимальної однофазної несиметрії - режим однофазного короткого замикання (ОКЗ) на стороні 0,4 кВ трансформатора зі схемою з'єднання обмоток Д / Yн.
Картина струмів симетричних складових в обмотках в цьому режимі представлена ​​на рис. 1. У непошкоджених фазах на стороні 0,4 кВ геометрична сума трьох симетричних складових струму дорівнює нулю (робочим навантаженням фаз нехтуємо), а в пошкодженій фазі ця сума максимальна і дорівнює току ОКЗ. Його величина визначається відомою формулою:

де Uл - лінійна напруга;
R1, R0, X1, Х0 - відповідно активні і реактивні опору прямий і нульової послідовності.

ОПОРУ ПРЯМИЙ ПОСЛІДОВНОСТІ

Опору прямої послідовності R1 і X1 трансформаторів з різними схемами з'єднання обмоток визначаються одними і тими ж формулами і відрізняються незначно:

Заглянувши в каталоги, неважко переконатися, що входять в ці формули відомі величини Ркз і Uк від схем з'єднання обмоток трансформатора практично не залежать, а отже, від них не залежать і опору прямої послідовності.
На відміну від цих опорів, опору нульової послідовності трансформаторів з різними схемами з'єднання обмоток відрізняються принципово.

ОПОРУ НУЛЬОВИЙ ПОСЛІДОВНОСТІ

Розглянемо картину векторів струмів і магнітних потоків в трансформаторі зі схемою з'єднання обмоток Д / Yн (рис. 2).
У таких трансформаторах струми прямої, зворотної та нульової послідовностей протікають як в первинній, так і у вторинній обмотках. При цьому струми нульової послідовності в первинній обмотці замикаються всередині неї і в мережу не виходять. Створювані струмами нульової послідовності первинних і вторинних обмоток намагнічуючі сили (ампер-витки) спрямовані зустрічно і майже повністю компенсують один одного, що обумовлює невелику величину реактивних опорів трансформатора. При цьому опору прямої та нульової послідовностей приблизно рівні: R1 = R0; Х1 = Х0.
У трансформаторах зі схемою з'єднання обмоток Y / Zн в аналогічному режимі ОКЗ струми нульової послідовності протікають лише по вторинній обмотці трансформатора, однак магнітного потоку нульової послідовності вони не створюють, що пояснюється особливістю схеми Zн - «зигзаг».
Ця особливість полягає в тому, що на кожному стрижні трансформатора розташоване по одній вторинній полуобмоткі двох різних фаз (рис. 3). У режимі ОКЗ намагнічуючі сили, створювані струмами нульової послідовності в цих полуобмоткі, спрямовані зустрічно і один одного взаємно компенсують. При цьому струми нульової послідовності в первинній обмотці відсутні. У таких трансформаторах опору нульової послідовності виявляються менше опорів прямої послідовності: R0 <R1; Х0 <Х1.

Мал. 1. Токи симетричних складових в обмотках трансформатора в режимі однофазного короткого замикання

IA21, IA22, IA20, IB21, IB22, IB20, IC21, IC22, IC20 - струми фаз А, В, С прямий, зворотної та нульової послідовностей вторинної обмотки;
IA11, IA12, IA10, IB11, IB12, IB10, IC11, IC12, IC10 - струми фаз А, В, С прямий, зворотної та нульової послідовностей первинної обмотки.

Мал. 2. Напрями струмів і магнітних потоків нульової послідовності в трансформаторі зі схемою з'єднання обмоток Д / Yн

Мал. 3. Напрями струмів і магнітних потоків нульової послідовності в трансформаторі зі схемою з'єднання обмоток Y / Zн

Як випливає з формули (1), це забезпечує більшу величину струму ОКЗ у трансформаторів із схемами Y / Zн в порівнянні з трансформаторами зі схемами Д / Yн.
Тепер звернемося до трансформаторів зі схемою з'єднання обмоток Y / Yн. Як відомо, в обмотках, з'єднаних в зірку без виведеної нульової точки, струми нульової послідовності протікати не можуть. Тому в режимі ОКЗ струми цієї послідовності протікають тільки у вторинній обмотці трансформатора.
Збігаються по фазі магнітні потоки нульової послідовності, створювані струмами вторинної обмотки, виходять за межі магнітного сердечника і замикаються через металевий кожух трансформатора (рис. 4). Це визначає значно більшу величину опорів нульової послідовності таких трансформаторів: R0 >> R1; X0 >> X1.

Мал. 4. Напрями струмів і магнітних потоків нульової послідовності в трансформаторі зі схемою з'єднання обмоток Y / Yн

Слід зазначити, що на відміну від опорів прямої послідовності трансформаторів, які можна розрахувати, опору нульової послідовності трансформаторів зі схемами з'єднання обмоток Y / Yн розрахунку не піддаються. Їх можна визначити тільки експериментально. Величина цих опорів багато в чому залежить від конструкції кожуха трансформатора, від величини зазорів між сердечником і кожухом і т.п.
Схема виміру опорів нульової послідовності наведена в ГОСТ 3484.1-88 [3]. На жаль, в цьому документі зазначено, що такі виміри підприємства-виробники проводять на прохання замовників. Ймовірно, в останні роки таких прохань від замовників не надходить, а виробники ці виміри самостійно не виробляють, вважаючи, що в них немає необхідності. В результаті проектувальники при виконанні розрахунків користуються старими довідковими даними. Однак використовувати застарілу інформацію треба надзвичайно обережно, адже конструкції сучасних трансформаторів, зокрема кожухів, а також матеріали, з яких вони виготовлені, істотно змінилися.
Крім того, наявні на сьогодні дані по опорам нульової послідовності трансформаторів украй мізерні і суперечливі. Так, згідно з вимірами Мінського трансформаторного заводу, виконаним багато років тому, реактивні опору нульової послідовності трансформаторів зі схемами з'єднання обмоток Y / Yн перевищують опору прямої послідовності в середньому в 10 разів. У той же час в ГОСТ 3484.1-88 є фраза про те, що ці опору можуть відрізнятися на два порядки. І цим сьогодні протиріччя не вичерпуються [4].

ЧОМУ ТРЕБА ЗНАТИ РЕАЛЬНІ ЗНАЧЕННЯ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Реальні значення опорів нульової послідовності знати необхідно, оскільки вони визначають величину струму ОКЗ. Чим більше ці опору, тим менше струм ОКЗ, відповідно важче здійснити захист трансформатора.
У нормальних режимах роботи великі опору нульової послідовності при нерівномірному завантаженні фаз трансформатора на стороні 0,4 кВ призводять до погіршення якості електроенергії у споживача.
Так, якщо взяти R1 = R0, X1 = X0, що характерно для трансформаторів зі схемами з'єднання обмоток Д / Yн, то отримаємо:

Таким чином, при цих умовах струм ОКЗ на висновках 0,4 кВ трансформатора буде дорівнює струму трифазного КЗ.
Однак, якщо R0 >> R1 і X0 >> X1, що характерно для трансформаторів зі схемами з'єднання обмоток Y / Yн, то величина струму ОКЗ виявляється значно менше струму трифазного КЗ, тобто Iокз << I3фкз. Які при цьому можуть виникнути труднощі з захистом, особливо якщо вона виконана з боку обмотки ВН запобіжниками 6 (10) кВ, можна показати на конкретному прикладі.
На рис. 5 зображена схема підключення трансформатора 100 кВА, 6 / 0,4 кВ живлення власних потреб (ТСН) ПС 110/35/6 кВ. На ПС зі змінним оперативним струмом такі трансформатори встановлюються на ОРУ і підключаються до повітряного вводу, що йде від силового трансформатора до вступної осередку ЗРУ-6 (10) кВ. Захист трансформатора, включаючи кабель 0,4 кВ до щита 0,4 кВ, виконується запобіжниками 6 кВ. Токи КЗ в кінці захищається запобіжниками зони - при введенні на щит 0,4 кВ наведені в табл. 1. Як з неї видно, мінімальне значення струму КЗ через запобіжники 6 кВ має місце при однофазному замиканні на стороні 0,4 кВ.

Таблиця 1. Струми короткого замикання в кінці захищається запобіжниками зони за трансформатором 100 кВА, 6 / 0,4 кВ, Д / Yн при введенні на щит 0,4 кВ

Мал. 5. Схема підключення трансформатора 100 кВА, 6 / 0,4 кВ для живлення власних потреб ПС 110/35/6 кВ

Згідно з існуючими рекомендаціями за умовами відбудування від кидка струму намагнічування трансформатора потужністю 100 кВА номінальний струм запобіжників приймається рівним Iн.пр = (2 ÷ 3) Iн.тр. В даному випадку Iн.пр 2 · 10 А 20. Приймаємо Iн.пр = 20 А.

Мінімальний відключається струм запобіжником типу ПКТ-6 кВ, 20 А згідно каталожними даними становить Iмін.откл.пр = 240 А, що значно більше струмів КЗ, наведених в табл. 1.
Таким чином, захист запобіжниками типу ПКТ 6 кВ виявляється нечутливою. Більш того, при протіканні струму КЗ нижче мінімально який відключається, запобіжник не тільки не захищає обладнання, а й руйнується сам, викликаючи аварію.
В якості захисного апарату можна розглянути можливість використання запобіжників зарубіжних фірм, наприклад марки Merlin Gerin. Номінальний струм запобіжника фахівці компанії рекомендують вибирати з умови Іпр. 0,1 с 12 Iном.тр.Пользуясь времятоковой залежністю, наведеною в [5], визначаємо, що цій умові задовольняє запобіжник Fusarc c номінальним струмом 20 А, мінімальний струм відключення якого дорівнює 55 А. Здавалося б, цей запобіжник надійно захищає електрообладнання, т .до. мінімально відключається їм струм менше мінімального струму КЗ: 62 А 55 А. Однак час відключення даними запобіжником струму КЗ, рівного 62 А, становить 7 с. При такому тривалому часі необхідно враховувати ефект спаду струму, викликаний збільшенням активного опору кабелю внаслідок його нагрівання [6]. В результаті спаду струму його значення наближається до мінімального току відключення запобіжника -55 А, що робить захист ненадійною.
Поліпшити надійність захисту можна шляхом застосування силового трансформатора 6 / 0,4 кВ зі схемою з'єднання обмоток Y / Zн. В цьому випадку мінімальний струм короткого замикання через запобіжники збільшується до 80 А, а час його відключення запобіжником скорочується до 0,6 с і захист стає досить надійною.
Якщо ж в розглянутому прикладі буде застосований трансформатор зі схемою з'єднання обмоток Y / Yн, то мінімальний струм КЗ через запобіжники складе лише 22 А. Очевидно, що захистити електрообладнання запобіжниками 6 кВ при такому струмі неможливо. Недоліки трансформаторів зі схемою з'єднання обмоток Y / Yн проявляються і в нормальних режимах роботи при нерівномірному завантаженні фаз. Втрати напруги в більш завантаженої фазі можуть різко зрости в порівнянні з менш за-навантаженими фазами, особливо при великому завантаженні трансформатора і низькому cos f навантаження.
Однак чи означає все вищесказане, що трансформатори зі схемою з'єднання обмоток Y / Yн не повинні виготовлятися взагалі? Звісно ж, що це не так. Не завжди велика величина опору нульової послідовності трансформатора є недоліком. Наприклад, при застосуванні трансформаторів понад 1000 кВА може виникнути проблема стійкості однофазної комутаційної апаратури 0,4 кВ до току ОКЗ. У цьому випадку велика величина опору нульової послідовності трансформатора зі схемою Y / Yн допоможе вирішити цю проблему.
Що ж стосується захисту таких трансформаторів, то вона вирішується за допомогою релейного захисту та вимикача 6 (10) кВ, а з низькою боку - за допомогою вступного автомата.

ВИСНОВКИ

Для трансформаторів малої потужності (від 25 до 250 кВА), що захищаються запобіжниками з боку ВН, безумовна перевага має схема з'єднання обмоток Y / Zн. Дещо менший ефект дає схема Д / Yн. Схему Y / Yн для таких трансформаторів застосовувати не слід.
Схема з'єднання обмоток трансформаторів Y / Yн може застосовуватися в порівняно рідкісних випадках для більш потужних трансформаторів при необхідності обмеження струму однофазного КЗ з метою підвищення стійкості комутаційної апаратури.
Підприємствам-виробникам силових трансформаторів слід в обов'язковому порядку проводити виміри їх опорів нульової послідовності.

ЛІТЕРАТУРА

1. ГОСТ 11677-85. Трансформатори силові. Загальні технічні умови.
2. Ульянов С.А. Короткі замикання в електричних системах. - М .: Госенергоіздат, 1952. - 280 с.
3. ГОСТ 3484.1-88 (СТ РЕВ 1070-78). Трансформатори силові. Методи електромагнітних випробувань.
4. Довідник з проектування електропостачання, ліній електропередачі та мереж / Под ред. Большама Я.М., Круповіча В.І., самовер М.Л. та ін. - М .: Енергія, 1975. - 696 с.
5. Каталог на запобіжники Fusarc Merlin Gerin (стандарт DIN).
6. ГОСТ 28249-93. Короткі замикання в електроустановках. Методи розрахунку в електроустановках змінного струму напругою до 1 кВ.

За даними: http://www.news.elteh.ru/arh/2006/41/09.php