2.20. Условия работы трансформаторов при несимметричной на­грузке

2.20.1. Несимметричная нагрузка при отсутствии токов нулевой последовательности. Токи нулевой последовательности отсутствуют в случае, когда сеть не имеет нулевого провода или когда этот провод не нагружен током. Действие токов прямой и обратной последовательностей можно учитывать совместно, т.к. сопротивления трансформатора для них одинаковы, а сами токи одинаково трансформируются из одной обмотки в другую. При условиях и равенстве нулю тока намагничивания первичные и вторичные токи прямой последова­тельности в каждой фазе равны по значению и противоположны по знаку. Это справедливо также для токов обратной последовательности и для суммы токов обеих последовательностей. Полные токи фаз с учетом принятых допущений:

; ; . (2.135)

Намагничивающие силы и токи первичных, а также вторичных обмоток уравновешиваются в каждой фазе и в каждом магнитопроводе по отдельности. Следовательно, влияние токов фаз друг на друга будет отсутствовать. Поэтому при расчетах каждую фазу можно рассматривать в отдельности. Для несимметричной нагрузки падение напряжения в отдельных фазах трансформатора раз­личны. Если токи фаз не превышают номинальных значений, то при величины относительно малы, т.к. малы значения сопротивления . Несимметричная на­грузка трансформатора при не вызывает значительного искажения симметрии фазных и линейных напряжений. В результате не возникает больших осложнений в работе трансформатора. Согласно стандарту трехфазная система токов или напряжений считается практически симметричной, если составляющая обратной последователь­ности равна не более составляющей прямой последовательности [1].

2.20.2. Несимметричная нагрузка при наличии токов нулевой последовательности. Токи нулевой последовательности возникают, когда вторичная обмотка соединяется в звезду с нулевым проводом. При этом между ли­нейным и нулевым проводом включаются однофазные приемники. Они могут появиться в случае однофазного короткого замыкания на вторичной стороне транс­форматора. Предположим, что система первичных напряжений транс­форматора симметрична. В результате следует рассмотреть два случая:

- токи нулевой последовательности возникают в обеих обмотках трансформатора, включенных по схеме Y₀/Y₀ и /Y₀;

- токи нулевой последовательности возникают только в одной обмотке трансформатора, включенных по схеме Y/Y₀.

В первом случае пренебрегая намагничивающим током нулевой последовательно­сти будем иметь:

. (2.136)

Намагничивающие силы токов нулевой последовательности взаимно уравновешиваются в каждой фазе трансформатора. Сопротивление нулевой последовательности . Если это так, то для этого случая применимы схемы замещения рис. 2.50,а,в. Нуле­вые составляющие вторичного напряжения , возникают только за счет относительно небольших падений напряжения . Поэтому в трансформаторах с рассматриваемыми схемами со­единения обмоток при несимметричной нагрузке трехфазная система на­пряжений искажается относительно слабо [4].

Во втором случае токи нулевой по­следовательности возни­кают только во вторичной об­мотке. Они являются чисто намагничивающими, поскольку не уравновешены токами первичной обмотки. Эдс нулевой последовательности могут достигать значительных величин, что приводит к сильному искажению системы фазных эдс и напряжений.

Если первичная обмотка трансформатора (Y) подключена к сети, линейные напря­жения которой , , симметричны, то они являются напряжениями прямой последова­тельности. Векторная диаграмма первичных линейных и фазных напряжений холостого хода трансформатора представлена на рис.2.52,а. В рассматриваемом случае фазные эдс , , также будут представлять симметричную систему прямой последовательности. Векторная диаграмма вторичных напря­жений по своему виду аналогична векторной диаграмме первичных напряжений [1].

П усть теперь вторичная обмотка (Y_o) нагружена несимметрично с содержанием токов всех последовательностей. Вторичные токи прямой и обратной последовательности уравновешиваются токами первичной об­мотки и вызывают только относительно малые падения напряжения. Однако, токи нулевой последовательности вторичной обмотки не уравновешены со стороны первичной обмотки. Они индуктируют в обеих об­мотках эдс , которые складываются с эдс прямой последовательности. В результате полные фазные эдс будут равны:

; ; . (2.137)

Система первичных фазных напряжений при пренебрежении падениями напряжений определится векторами:

, , . (2.138)

Система первичных фаз напряжения сильно искажается (рис. 2.52,б), а нулевая точка на диаграмме смещается на величину . Она не будет совпадать с центром тяжести треугольника линейных напряжений. Диаграмма вторичных напряжений имеет аналогичный вид. Направление векторов зависит от фазы и определяется характером нагрузки. В линейных напряжениях нулевые составляющие отсутствуют. При соединении обмоток по схеме Y/Y₀ токи нулевой последовательности вызывают значительные искажения фаз напряжений, что неприемлемо и опасно для однофазных приемников [1].

В групповых, броневых и бронестержневых трансформаторах при схеме Y/Y_o искажения системы фазных напряжений относительно велики. Они возникают при незначительных по величине токах нулевой последовательности. В этом случае на каждой фазе выполняется третья (третичная или компенсационная) обмотка, соединенная в треугольник, которая может также использована для подключения нагрузки. Такой трансформатор называется трехобмоточным. В трехстержневых трансформаторах мощностью до 6000 кВА искажения системы фазных напряжений меньше, т.к. . Согласно стандарту ток в нулевом проводе не должен превышать 25% от номинального тока. Ток нулевой последовательности тогда составит 8,3 % номинального тока. Трансформаторы со схемой Y/Z₀ хорошо переносят нагрузки с содержанием токов нулевой последовательности. Вызвано это тем, что эти токи уравновешиваются во вторичных обмотках, поскольку на каждом магнитопроводе имеются две половины фаз вторичной обмотки, которые обтекаются токами нулевой последовательности в противоположных направлениях (рис. 2.25) [1].