Контрольні питання

1. Які переваги мають трифазні електричні мережі порівняно з однофазними?

2. Чому передача електричної енергії на великі відстані практично можлива лише при високій напрузі лінії передачі електроенергії?

3. За якими схемами з’єднують фази джерел і споживачів електроенергії і які властивості вони мають?

4. Які трифазні споживачі електроенергії називають несиметричними?

5. Чому наявність напруги зміщення нейтралі призводить до порушення симетрії напруг на фазах споживачів електроенергії?

6. У яких випадках застосовують чотирипроводові електричні мережі і яку роль відіграє в них нейтральний провід?

7. Якими співвідношеннями визначаються активна, реактивна і повна потужності трифазної електричної мережі у разі симетрич­ного і несиметричного навантаження?

8. Які режими роботи трифазної електричної мережі є аварійними і які наслідки вони мають?

Лабораторна робота 5

ДОСЛІДЖЕННЯ паралельної роботи трансформаторів

Мета роботи

Дослідити властивості та особливості паралельної роботи трансформаторів в електричній мережі.

Теоретичні положення

Передача електричної енергії значної потужності на досить великі відстані стає практично можливою лише при високій і дуже високій напрузі в лінії передачі електроенергії, ос­кільки при порівняно низькій напрузі площа поперечного перерізу її проводів через значний струм І є надто великою. Чим більшою є потужність лінії, тим доцільнішою є збільшення в ній напруги (до 750 кВ і більше).

Виробництво і споживання електричної енергії з урахуванням техніки безпеки доцільне при порівняно низькій напрузі, зокрема 220, 380, 500 В, хоча певна група споживачів електроенергії розрахована і для роботи з напругою 6 чи 10 кВ. Напруга синхронних генераторів електростанцій зазвичай не перевищує 15 – 24 кВ. Тому одними з основних елементів ліній передачі електроенергії є трансформатори, призначені для підвищення і зниження напруги до необхідних рівнів.

Для підвищення надійності роботи ліній передачі електроенергії та зменшення втрат електроенергії в них, особливо коли навантаження цих ліній змінюється в досить широких межах, доцільним є застосування паралельної роботи декількох трансформаторів. Тоді забезпечення електроенергією відповідальних споживачів першої та другої категорій у разі аварійного виходу з ладу одного з трансформаторів не переривається. Навантаження на трансформатори при цьому повинно розподілятися між ними пропорційно їх номінальним потужностям. У разі ж неповного завантаження трансформаторів частина їх може відключатися, оскільки максимальні значення ККД трансформатори мають лише тоді, коли їх навантаження є повним чи близьким до нього. Можливим також стає профілактичне обслуговування відключених трансформаторів.

Для забезпечення паралельної роботи трансформаторів їх первинні обмотки однойменними виводами підключені до первинної електромережі напругою U₁, а вторинні – до спільної вторинної електромережі напругою U₂ (рис. 5.1).

а б

Рис. 5.1. Схема вмикання однофазних (а) і трифазних трансформаторів (б) на паралельну роботу

Виводи обмоток трифазного трансформатора позначаються згідно з порядком чергування фаз: з боку вищої напруги – А, В, С – початки обмоток; X, Y, Z – їх кінці. З боку нижчої напруги – відповідно a, b, c та x, y, z. Схеми з’єднання обмоток позначають у вигляді дробу (Y/Y_н–12), чисельник якого вказує на схему з’єднання обмоток вищої напруги, а знаменник – схему з’єднання обмоток нижчої напруги. Індекс „н” вказує на те, що виведений нейтральний провід. Число вказує групу з’єднання обмоток трансформатора за принципом годинника і умовно визначає кут зсуву фаз відповідних лінійних напруг первинної і вторинної обмоток на векторній діаграмі. Для визначення групи вектор лінійної напруги обмотки вищої напруги умовно приймають за хвилинну стрілку годинника, встановлену на цифру 12, а вектор відповідної лінійної напруги обмотки нижчої напруги умовно приймають за годинну стрілку, яку повертають на кут зсуву фаз цих векторів. Цифра на циферблаті, на яку вказує годинна стрілка, і визначає групу з’єднання обмоток трансформатора, яку вказують у його паспорті. На практиці для трифазних трансформаторів застосовують лише такі групи:

Y/Y–0, Y/Y–12, Y/Y_н–0, Y/Y_н–12, Y/Δ–11.

Однофазні трансформатори, у яких лінійними напругами є напруги між початками і кінцями обмоток, можуть мати тільки дві групи: 0 або 6. Для групи 0 годинна стрілка вказує на цифру 12, а для групи 6 – на цифру 6, що відповідає протилежному напрямку намотування первинної і вторинної обмоток відносно напрямку магнітного потоку трансформатора.

Оскільки кожна фаза трифазного трансформатора по суті є однофазним трансформатором, аналіз роботи й розрахунки трифазного трансформатора у різних режимах роботи проводять для однієї фази і результати поширюють на інші дві фази.

На паралельну роботу трансформатори можна включати тільки у разі виконання певних умов, а саме трансформатори повинні мати однакові:

1. значення коефіцієнтів трансформації ( ), тобто однакові первинні і вторинні напруги;

2. групи з’єднання обмоток;

3. значення напруги КЗ ( ) та однакові значення активної ( ) і індуктивної ( ) складових напруги КЗ при номінальних струмах.

При вмиканні на паралельну роботу трансформаторів їх первинні та вторинні обмотки утворюються короткозамкнені електричні контури, до складу яких входять лише обмотки трансформаторів і з’єднувальні проводи (див. рис. 5.1). Тому ці контури мають незначні опори і навіть невеликі не скомпенсовані ЕРС, які діють в них, можуть спричинити появу значних зрівнювальних струмів, особливо в потужних трансформаторах. Саме завдяки проход­женню цих струмів напруги на паралельно з’єднаних обмотках трансформаторів завжди однакові.

Під час паралельної роботи двох трансформаторів, які мають неоднакові значення коефіцієнтів трансформації (невиконана перша умова), ЕРС обмоток трансформаторів також стають неоднаковими. Зокрема, в короткозамкненому контурі вторинних обмоток з’являється різницева ЕРС

,

яка викликає у ньому появу зрівнювального струму І_зр2 (див. рис. 5.1, а). Цей струм завантажує трансформатори навіть у режимі холостого ходу, тобто за відсутністю зовнішнього навантаження. А, оскільки, первинні і вторинні обмотки трансформаторів мають між собою електромагнітний зв’язок, то відповідний зрівнювальний струм І_зр1 виникає і у короткозамкненому контурі первинних обмоток (див. рис. 5.1, а).

Відносно однойменних виводів паралельно увімкнутих трансформаторів струми І_зр1 , І_зр2 мають протилежні напрямки і разом зі струмами навантаження призводять до нерівномірного завантаження паралельно працюючих трансформаторів. При цьому в них збільшуються втрати енергії і відповідно посилюється їх нагрівання. Зрівнювальні струми можуть у багато разів перевищувати номінальні значення струмів цих трансформаторів, що не допустимо.

На практиці допускається паралельна робота потужних трансформаторів з різницею у значеннях коефіцієнтів трансформації не більше 0,5%, а для трансформаторів з коефіцієнтами трансформації більше трьох – не більше 1%. За таких умов різницева ЕРС Е буде порівняно невеликою і зрівнювальний струм незначним.

У разі вмикання на паралельну роботу трансформаторів з неоднаковими групами з’єднань (невиконана друга умова), наприклад, з групами Y/Δ-11 і Y/Y-0, значення вторинних ЕРС однакові ( ) , але вони зсунуті за фазою на 30. Тому ці ЕРС у будь-який момент часу не врівноважують одна одну, що також спричиняє появу різницевої ЕРС (рис. 5.2, а)

.

Зрівнювальні струми при цьому значно перевищують номінальні значення струмів цих трансформаторів. Тому трансформатори, які включають на паралельну роботу і повинні мати однакові групи з’єднань обмоток.

Навантаження між паралельно увімкненими трансформаторами розподіляється пропорційно їх повним потужностям і забезпечується це за рахунок виконання третьої умови, тобто завдяки однаковим значенням напруги КЗ трансформаторів:

.

а б в

Рис. 5.2. Векторна діаграма ЕРС (а), спрощена схема заміщення (б) та зовнішні характеристики (в) трансформаторів за умови

Оскільки трансформатор спрощено може бути представлений схемою заміщення з одним повним опором , який дорівнює повному опору КЗ, то спрощеною схемою заміщення двох паралельно включених трансформаторів буде схема, яка подана на рис. 5.2, б. Отже, відношення струмів дорівнює:

,

тобто навантаження між паралельно включеними трансформаторами розподіляється пропорційно їх номінальним потужностям , і обернено пропорційно напругам КЗ. Тому трансформатор з меншим значенням напруги КЗ перевантажується, а з більшим – недовантажується, що видно з рис. 5.2, в, на якому подані зовнішні характеристики U₂ = f (I₂) двох трансформаторів однакової номінальної потужності ( = ), але з неоднаковими напругами КЗ ( ). Для того ж, щоб трансформатор з меншим значенням напруги КЗ не перевантажувався, необхідно зменшити загальне навантаження трансформаторів. Відповідно загальна потужність двох трансформаторів стане меншою за їх сумарну номінальну потужність. Один з цих двох трансформаторів у цьому разі не може бути завантаженим до його номінальної потужності. У випадку декількох трансформаторів лише один з них може мати номінальне навантаження, а інші будуть працювати з меншою, ніж їх номінальна потужність. Тому відрізнятися напруги КЗ паралельно включених трансформаторів не повинні більше ніж на 10%.

Перед вмиканням трансформаторів на паралельну роботу необхідно завжди виконати їх фазування, тобто перевірити чи співпадають за фазою їх вторинні напруги. Фазування трансформаторів зазвичай виконують з боку нижчої напруги. Зокрема, для трифазних трансформаторів для цього використовують вольтметр: якщо напруги між однойменними виводами (а₁ і а₂, в₁ і в₂, с₁ і с₂ ) дорівнюють нулю, а між різнойменними виводами – лінійним напругам, то ці трансформатори сфазовані і їх можна включати на паралельну роботу.