Как известно, трехфазная система электроснабжения хорошо функционирует лишь тогда, когда все ее звенья симметричны.
Однако современный этап развития характеризуется непрерывным ростом удельного веса и энергоемкости нетрадиционных потребителей электроэнергии, характеризующихся различием параметров по фазам, высокой скоростью их изменений во времени, и имеющих нелинейный характер. Развитие современной электротехники, электроники приводит к увеличению доли однофазных приемников, таких как компьютерные нагрузки, станции зарядки электромобилей, тепловые насосы, сварочные трансформаторы и другие. Их подключение к сетям 0,4кВ естественно увеличивает асимметрию токов и напряжений.
При полной симметрии токов и напряжений уравнение полной мощности
S = P + Q
Где S — полная мощность; P — активная мощность, Q — реактивная мощность.
В случае асимметрии токов или напряжений уравнение для полной
Мощности выглядит так.
S = P + Q + D
Где D — мощность несимметрии.
Таким образом, несимметричная нагрузка вызывает потери мощности и энергии в источнике питания.
Важно понимание того что несимметричная нагрузка может вызываться однофазными нагрузками потребителей, включенными как на напряжение 220 (230)В, так и на напряжение 380(400)В.
Известно, что отсутствие у Заказчиков четкого представления о принципиальных отличиях свойств силовых трансформаторов с разными схемами соединения обмоток приводит к ошибкам в их применении. Причем, неправильный выбор схемы соединения трансформаторных обмоток не только ухудшает технические показатели электроустановок и снижает качество электроэнергии, но может также приводить к авариям.
Выбор схемы соединения обмоток трехфазного трансформатора оказывается особенно важным с точки зрения вопросов симметрирования при несимметричности и нелинейности токов нагрузки.
В соответствии с ГОСТ силовые трансформаторы мощностью от 25 до 1000 кВА чаще всего изготавливаються со следующими схемами соединения обмоток:
- «звезда/звезда» – Y/Yн;
- «треугольник–звезда» – D/Yн;
- «звезда–зигзаг» – Y/Zн.
Принципиальное отличие технических характеристик трансформаторов с различными схемами соединений обмоток заключается в разной реакции на несимметричные токи, содержащие составляющую нулевой последовательности. Это, прежде всего, рабочие режимы с несимметрией нагрузок по фазам, а также однофазные сквозные короткие замыкания. Известно любой несимметричный режим работы трехфазной сети представляется в виде геометрической суммы трех симметричных составляющих тока и напряжения: это составляющие прямой, обратной и нулевой последовательности.
Известно также сопротивления прямой и обратной последовательностей R1 и X1 трансформаторов с разными схемами соединения обмоток определяются одними и теми же формулами и отличаются незначительно.
В отличие от этих сопротивлений, сопротивления нулевой последовательности трансформаторов с разными схемами соединения обмоток отличаются принципиально.
В трансформаторах с схемой соединения обмоток треугольник – звезда с нулем токи прямой, обратной и нулевой последовательностей протекают как в первичной, так и во вторичной обмотках. При этом токи нулевой последовательности в первичной обмотке замыкаются внутри нее и в сеть не выходят. Создаваемые токами нулевой последовательности первичных и вторичных обмоток намагничивающие силы (ампер-витки) направлены встречно и почти полностью компенсируют друг друга, что обуславливает небольшую величину реактивных сопротивлений трансформатора. При этом сопротивления прямой и нулевой последовательностей приблизительно равны:R1 = R0; Х1 = Х0.
В трансформаторах со схемой соединения обмоток Y/Zн в аналогичном режиме ОКЗ токи нулевой последовательности протекают лишь по вторичной обмотке трансформатора, однако магнитного потока нулевой последовательности они не создают, что объясняется особенностью схемы Zн – «зигзаг».
Эта особенность состоит в том, что на каждом стержне трансформатора расположено по одной вторичной полуобмотке двух разных фаз (рис. 3). В режиме ОКЗ намагничивающие силы, создаваемые токами нулевой последовательности в этих полуобмотках, направлены встречно и друг друга взаимно компенсируют. При этом токи нулевой последовательности в первичной обмотке отсутствуют. В таких трансформаторах сопротивления нулевой последовательности оказываются меньше сопротивлений прямой последовательности: R0 < R1; Х0 < Х1.
Токи нулевой последовательности вызываемые гармониками кратные трём могут вести к большим токам в проводнике нейтрали, что приводит к значительному перегреву проводов и компонентов, особенно в трёхфазных трансформаторах, содержащих обмотки соединенные в треугольник. Это связано с тем что гармоника кратная 3м будет циркулировать только внутри обмоток трансформатора, соединенных в треугольник , то есть третья гармоника поглащается трансформатором. Таким образом трансформатор с схемой соединения обмоток треугольник – звезда с нулем является фильтром гармоник кратных 3м. Но он же вынужден их и рассеивать на себе. То же самое из др. источника: По этой причине в линейных токах, которые представляют собой разность токов соответствующих фаз, гармоники, кратные трем, будут отсутствовать. Поэтому токи этих гармоник будут циркулировать внутри замкнутого треугольника, причем, будучи равными по величине и совпадая по фазе, они образуют общий замкнутый циркуляционный ток. Из изложенного следует, что в случае соединения одной из обмоток трансформатора в треугольник магнитные потоки, э. д. с. и напряжения фаз остаются синусоидальными. Это обстоятельство составляет существенное преимущество трехфазных трансформаторов, у которых одна из обмоток соединена в треугольник. Таким образом ИБП или стабилизатор имеющий трансформатор ∆/Υ устраняет гармонику (тока потребления) кратную 3м. Сказанное в равной степени относится как к групповым трехфазным трансформаторам, так и к трехфазным трансформаторам с общим сердечником.
Таким образом, в зависимости от того какие однофазные нагрузки являются определяющими ,с точки зрения несимметрии, которая создается этими нагрузками, ( а именно включаемые на напряжение 220В или 380В ), и должен выбираться трехфазный трансформатор с гальванической развязкой и необходимой схемой соединения обмоток.
