Напряжение между каждой фазой трехфазной сети переменного тока и нулевым проводом, в идеальном случае, составляет 220 Вольт. Однако, при подключении к каждой из фаз питающей сети различных нагрузок, отличающихся по характеру и по величине, иногда возникает довольно значительный перекос фазных напряжений.
Последствия перекоса фаз в трехфазной сети
Если бы соблюдалось равенство сопротивлений нагрузок, то и протекающие через них токи также были бы равны между собой. Их геометрическая сумма была бы обращена в нуль. Но в результате неравенства этих токов возникает уравнительный ток в нулевом проводе (происходит смещение нулевой точки) и появляется напряжение смещения.
Фазные напряжения меняются друг относительно друга, и получается перекос фаз. Следствием такого перекоса фаз становится увеличение потребления электроэнергии из сети и неправильная работа электроприемников, ведущая к сбоям, отказам, и преждевременному износу изоляции. Безопасность потребителя, в такой ситуации, ставится под угрозу.
Для автономных трехфазных источников электроэнергии неравномерность загрузки фаз чревата разного рода механическими повреждениями. В результате – нарушение работы электроприемников, износ источников электроэнергии, повышенный расход масла, топлива и охлаждающей жидкости для генератора. В конечном итоге увеличиваются расходы как на электроэнергию в целом, так и на расходные материалы для генератора.
Способы устранения перекоса напряжения
Самый очевидный способ устранения перекоса фаз и выравнивания фазных напряжений — это изначальный точный расчет токов нагрузок для каждой из трех фаз. Однако не всегда удается это сделать заранее, особенно если трансформаторы используются в промышленных масштабах, например, на производстве. Потери вследствие перекоса фазных напряжений могут быть просто колоссальными, а экономический эффект, в определенной степени, разрушительным.
Но есть еще один способ устранения негативных тенденций — применение симметрирования фаз. Для этой цели разработаны так называемые симметрирующие трансформаторы.
Как работает трехфазный симметрирующий трансформатор?
Работает эта технология следующим образом: в трехфазный трансформатор, обмотки фаз как высшего, так и низшего напряжений которого соединены звездой, дополнительно встраивается симметрирующее устройство в виде дополнительной обмотки, которая опоясывает обмотки высокого напряжения. Эта дополнительная обмотка рассчитана так, чтобы выдерживать длительный ток номинальной нагрузки трансформатора, т.е. на номинальный ток одной фазы. Обмотка включается в разрыв нулевого провода трансформатора из следующего расчета.
При возникновении уравнительного тока в нулевом проводе, вследствие несимметричной нагрузки, потоки нулевой последовательности в магнитопроводе (рабочих обмоток трансформатора) будут полностью компенсированы направленными противоположно потоками нулевой последовательности симметрирующей обмотки. В конечном счете, перекос фазных напряжений целиком предотвращается.
Устройство симметрирующего трансформатора
Схема включения обмоток трехфазного трансформатора для симметрирования фаз показана на рисунке 1.
- Трехстержневой магнитопровод трехфазного трансформатора.
- Обмотки высокого напряжения.
- Обмотки низкого напряжения.
- Обмотка из компенсационных витков.
- Дистанционные клинья.
- Конец компенсационной обмотки, подключаемой к нейтрали обмоток низкого напряжения.
- Конец компенсационной обмотки, который выводится наружу.
Энергетические характеристики таких трансформаторов, потери холостого хода, короткого замыкания, и другие, от добавления симметрирующего устройства почти не меняются, зато значительно сокращаются потери электроэнергии в сети. При неравномерной нагрузке фаз, система фазных напряжений симметрируется так же, как и при соединении обмоток по схеме звезда-зигзаг.
Преимущества использования симметрирующего устройства
Расчеты и эксперименты исследователей показали, что при правильном согласовании витков компенсационных и рабочих обмоток, напряжение на компенсационной обмотке трансформатора с симметрирующим устройством, при равном номинальному токе в нулевом проводе, достигает величины номинального фазного напряжения, уравновешивая на нейтрали обмоток низкого напряжения ЭДС нулевой последовательности, возникающей от рабочих обмоток, до нуля.
Такая конструкция сильно снижает сопротивление нулевой последовательности трехфазного силового трансформатора. Это дает значительное увеличение токов короткого замыкания на одной фазе, и является одним из главных достоинств симметрирующих трансформаторов, так как обеспечивает надежную и легкую настройку релейной защиты и ее надежную работу при КЗ.
Более того, разрушающее воздействие большого тока однофазного КЗ на обмотки такого оборудования значительно меньше, чем от тока КЗ в отсутствие обмотки симметрирования, так как разрушительный мощный несимметричный поток нулевой последовательности теперь полностью компенсируется.