Oblasti použití různých schémat zapojení vinutí | OOO NOMEK

Nedostatek jasného porozumění mezi výrobci a zákazníky o zásadních rozdílech ve vlastnostech nízkovýkonových transformátorů s různými schématy připojení vinutí vede k chybám při jejich použití. Kromě toho nesprávná volba schématu zapojení pro vinutí transformátoru nejen zhoršuje technický výkon elektrických instalací a snižuje kvalitu elektřiny, ale také vede k vážným nehodám.
Připomínají to konstruktéři Nižního Novgorodu Alevtina Ivanovna Fedorovskaya a Vladimir Semenovich Fishman, kteří se ve svém materiálu zaměřují na rozdíl v odezvě transformátorů na asymetrické proudy obsahující složku nulové složky.

SCHÉMA ZAPOJENÍ VINUTÍ A VLASTNOSTI TRANSFORMÁTORŮ

V souladu s GOST 11677-85 [1] lze výkonové transformátory 10(6)/0,4 kV s výkonem od 25 do 250 kVA vyrábět s následujícími schématy zapojení vinutí:

Zásadním rozdílem v technických charakteristikách transformátorů s různými schématy zapojení vinutí je rozdílná odezva na asymetrické proudy obsahující složku nulové složky. Jedná se především o jednofázové průchozí zkraty a také o provozní režimy s nerovnoměrným fázovým zatížením.
Jak je známo, výkonové transformátory 6(10)/0,4 kV mají třítyčové ocelové jádro, na jehož každé tyči jsou primární a sekundární vinutí odpovídající fáze – A, B a C. Magnetické toky tří fází v symetrických provozních režimech cirkulují v ocelovém jádru transformátoru a nepřekračují jej.
Co se stane, když dojde k porušení symetrie s převahou zatížení jedné z fází na straně 0,4 kV? Tyto provozní režimy jsou studovány pomocí teorie symetrických složek [2]. Podle této teorie je jakýkoli asymetrický režim činnosti třífázové sítě reprezentován jako geometrický součet tří symetrických složek proudu a napětí: jedná se o přímé, záporné a nulové složky.
Uvažujme režim maximální jednofázové asymetrie – režim jednofázového zkratu (SSC) na straně 0,4 kV transformátoru se schématem zapojení vinutí D/Yn.
Obrázek proudů symetrických složek ve vinutí v tomto režimu je na Obr. 1. V nepoškozených fázích na straně 0,4 kV je geometrický součet tří symetrických složek proudu nulový (zanedbáme provozní zatížení fází) a v poškozené fázi je tento součet maximální a rovný zkratovému proudu. . Jeho hodnota je určena známým vzorcem:

kde Uл – síťové napětí;
R1, R0, X1, X0 – aktivní a reaktance kladné a nulové posloupnosti.

ODOLNOST POZITIVNÍ SEKVENCE

Kladné sekvenční odpory R1 a X1 transformátorů s různými schématy připojení vinutí jsou určeny stejnými vzorci a mírně se liší:

Při pohledu na katalogy je snadné vidět, že známé hodnoty Pkz a Uk zahrnuté v těchto vzorcích prakticky nezávisí na schématech zapojení vinutí transformátoru, a proto na nich nezávisí kladný sekvenční odpor.
Na rozdíl od těchto odporů jsou odpory nulové složky transformátorů s různými schématy zapojení vinutí zásadně odlišné.

ODOLNOST NULOVÉ SEKVENCE

Uvažujme obrázek vektorů proudu a magnetických toků v transformátoru se schématem zapojení vinutí D/Yn (obr. 2).
V takových transformátorech tečou v primárním i sekundárním vinutí přímý, reverzní a nulový sled proudů. V tomto případě jsou proudy s nulovou složkou v primárním vinutí uzavřeny uvnitř a nejdou do sítě. Magnetizační síly (ampérzávity) vytvářené nulovou složkou proudů primárního a sekundárního vinutí jsou směrovány v opačných směrech a téměř se vzájemně kompenzují, což způsobuje malou hodnotu reaktance transformátoru. V tomto případě jsou odpory kladné a nulové sekvence přibližně stejné: R1 = R0; X1 = X0.
V transformátorech s obvodem připojení vinutí Y/Zn v podobném režimu OKZ protékají proudy nulové složky pouze sekundárním vinutím transformátoru, ale nevytvářejí magnetický tok nulové složky, což je vysvětleno zvláštností Zn – „cik-cak“ obvod.
Tato vlastnost spočívá v tom, že na každé tyči transformátoru je jedno sekundární poloviční vinutí dvou různých fází (obr. 3). V režimu OKZ jsou magnetizační síly vytvářené nulovou složkou proudů v těchto polovičních vinutích směrovány v opačném směru a vzájemně se ruší. V tomto případě nejsou v primárním vinutí žádné proudy s nulovou složkou. U takových transformátorů jsou odpory netočivé složky menší než odpory kladné složky: R0 < R1; X0 < X1.

Rýže. 1. Proudy symetrických součástek ve vinutí transformátoru v režimu jednofázového zkratu

IA21, IA22, IA20, IB21, IB22, IB20, IC21, IC22, IC20 – proudy fází A, B, C přímého, zpětného a nulového sledu sekundárního vinutí;
IA11, IA12, IA10, IB11, IB12, IB10, IC11, IC12, IC10 – proudy fází A, B, C přímé, zpětné a nulové sekvence primárního vinutí.

Rýže. 2. Směry proudů a netočivé magnetické toky v transformátoru se schématem zapojení vinutí D/Yn

Rýže. 3. Směry proudů a netočivé magnetické toky v transformátoru se schématem zapojení vinutí Y/Zn

Jak vyplývá ze vzorce (1), poskytuje to větší hodnotu zkratového proudu pro transformátory s obvody Y/Zn ve srovnání s transformátory s obvody D/Yn.
Nyní přejdeme k transformátorům se schématem zapojení vinutí Y/Yn. Jak je známo, ve vinutích zapojených do hvězdy bez výstupního nulového bodu nemohou protékat proudy s nulovou složkou. Proto v režimu OKZ tečou proudy této sekvence pouze v sekundárním vinutí transformátoru.
Souběžné magnetické toky netočivé složky vytvářené proudy sekundárního vinutí přesahují magnetické jádro a jsou uzavřeny kovovým pláštěm transformátoru (obr. 4). To určuje podstatně větší hodnotu odporu nulové složky těchto transformátorů: R0 >> R1; X0 >> X1.

Rýže. 4. Směry proudů a netočivé magnetické toky v transformátoru se schématem zapojení vinutí Y/Yn

Je třeba poznamenat, že na rozdíl od kladných sousledných odporů transformátorů, které lze vypočítat, nelze nulové sousledné odpory transformátorů s připojovacími obvody vinutí Y/Yn vypočítat. Lze je určit pouze experimentálně. Hodnota těchto odporů do značné míry závisí na konstrukci skříně transformátoru, na velikosti mezer mezi jádrem a pláštěm atd.
Obvod pro měření odporu nulové složky je uveden v GOST 3484.1-88 [3]. Bohužel tento dokument uvádí, že výrobci provádějí taková měření na žádost zákazníků. Pravděpodobně v posledních letech nebyly žádné takové požadavky ze strany zákazníků a výrobci tato měření neprovádějí sami, protože se domnívají, že nejsou nutná. Výsledkem je, že návrháři při provádění výpočtů používají stará referenční data. Zastaralé informace je však nutné používat velmi opatrně, protože konstrukce moderních transformátorů, zejména pouzdra, a také materiály, ze kterých jsou vyrobeny, se výrazně změnily.
Kromě toho jsou dnes dostupná data o odporu nulové složky transformátorů extrémně vzácná a protichůdná. Podle měření, která provedla Minsk Transformer Plant před mnoha lety, tedy nulová složka reaktance transformátorů se spojovacími obvody vinutí Y/Yn překračuje odpor kladné složky v průměru 10krát. Zároveň GOST 3484.1-88 obsahuje frázi, že tyto odpory se mohou lišit o dva řády. A tím dnes rozpory nekončí[4].

PROČ JE POTŘEBA ZNÁT SKUTEČNÉ HODNOTY ODPORU

Je nutné znát skutečné hodnoty odporů nulové složky, protože určují velikost zkratového proudu. Čím vyšší jsou tyto odpory, tím nižší je zkratový proud, a proto je obtížnější chránit transformátor.
V normálních provozních režimech vedou velké odpory nulové složky při nerovnoměrném zatížení fází transformátoru na straně 0,4 kV ke zhoršení kvality elektřiny pro spotřebitele.
Pokud tedy vezmeme R1 = R0, X1 = X0, což je typické pro transformátory s obvody připojení vinutí D/Yn, dostaneme:

Za těchto podmínek bude tedy zkratový proud na svorkách transformátoru 0,4 kV roven třífázovému zkratovému proudu.
Pokud však R0>>R1 a X0>>X1, což je typické pro transformátory s obvody připojení vinutí Y/Yn, pak se hodnota zkratového proudu ukáže být výrazně menší než třífázový zkratový proud. , tedy Iokz Na Obr. Obrázek 5 ukazuje schéma zapojení pro transformátor 100 kVA, pomocný zdroj 6/0,4 kV (TSN) rozvodny 110/35/6 kV. V rozvodně se střídavým provozním proudem jsou takové transformátory instalovány na venkovním rozvaděči a připojeny ke vstupu vzduchu z výkonového transformátoru do vstupní buňky ZRU-6(10) kV. Jištění transformátoru včetně kabelu 0,4 kV k rozvaděči 0,4 kV je provedeno pojistkami 6 kV. Zkratové proudy na konci zóny chráněné pojistkami – při vstupu 0,4 kV do rozvaděče – jsou uvedeny v tabulce. 1. Jak je z něj patrné, minimální hodnota zkratového proudu pojistkami 6 kV nastává při jednofázové poruše na straně 0,4 kV.

Tabulka 1. Zkratové proudy na konci pojistkové zóny za transformátorem 100 kVA, 6/0,4 kV, D/Yn při zasunutí do rozvaděče 0,4 kV

Rýže. 5. Schéma zapojení pro transformátor 100 kVA, 6/0,4 kV pro napájení pomocných potřeb rozvodny 110/35/6 kV

Podle stávajících doporučení o podmínkách odladění od zapínacího proudu magnetizačního transformátoru o výkonu 100 kVA se předpokládá jmenovitý proud pojistek rovný In.pr = (2 ÷ 3) In.tr. V tomto případě In.pr 2 · 10 A 20. Akceptujeme In.pr = 20 A.

Minimální vypínací proud pojistkou PKT-6 kV, 20 A je dle katalogových údajů Imin.vyp.pr = 240 A, což je výrazně vyšší hodnota než zkratové proudy uvedené v tabulce. 1.
Ochrana 6 kV pojistkami PKT se tedy ukazuje jako necitlivá. Navíc, když zkratový proud teče pod minimální přepínatelnou hodnotu, pojistka nejen nechrání zařízení, ale také se sama zničí a způsobí nehodu.
Jako ochranné zařízení můžete zvážit použití pojistek zahraničních firem, například značky Merlin Gerin. Specialisté společnosti doporučují zvolit jmenovitý proud pojistky z podmínky Ipr. 0,1 s 12 Inom.tr Pomocí závislosti čas-proud uvedené v [5] určíme, že tuto podmínku splňuje pojistka Fusarc o jmenovitém proudu 20 A, jejíž minimální vypínací proud je 55 A. Zdá se, že tato pojistka spolehlivě chrání elektrická zařízení, tj. .To. minimální proud, který vypíná, je menší než minimální zkratový proud: 62 A 55 A. Doba, za kterou však tato pojistka vypne zkratový proud rovný 62 A, je 7 s. Při takto dlouhé době je nutné počítat s vlivem proudového úbytku způsobeného zvýšením aktivního odporu kabelu jeho ohřevem [6]. V důsledku poklesu proudu se jeho hodnota blíží minimálnímu vypínacímu proudu pojistky –55 ​​A, což činí ochranu nespolehlivou.
Spolehlivost ochrany lze zlepšit použitím výkonového transformátoru 6/0,4 kV se schématem zapojení vinutí Y/Zn. V tomto případě se minimální zkratový proud přes pojistky zvýší na 80 A a doba vypnutí pojistky se zkrátí na 0,6 s a ochrana se stává docela spolehlivou.
Pokud je v uvažovaném příkladu použit transformátor s obvodem připojení vinutí Y/Yn, pak bude minimální zkratový proud přes pojistky pouze 22 A. Je zřejmé, že není možné chránit elektrická zařízení pojistkami 6 kV při takové proud. Nevýhody transformátorů se zapojením vinutí Y/Yn se projevují i ​​v běžných provozních režimech s nerovnoměrným fázovým zatížením. Ztráty napětí ve více zatížené fázi se mohou prudce zvýšit ve srovnání s méně zatíženými fázemi, zvláště když je transformátor silně zatížen a zátěž cos f je nízká.
Znamená však vše výše uvedené, že by se transformátory se schématem zapojení vinutí Y/Yn neměly vůbec vyrábět? Zdá se, že tomu tak není. Velký odpor nulové složky transformátoru není vždy nevýhodou. Například při použití transformátorů nad 1000 kVA může nastat problém stability jednofázového spínacího zařízení 0,4 kV až zkratový proud. V tomto případě pomůže vyřešit tento problém velká hodnota odporu nulové složky transformátoru s obvodem Y/Yn.
Pokud jde o ochranu takových transformátorů, je řešena pomocí reléové ochrany a spínače 6 (10) kV a na spodní straně – pomocí vstupního jističe.

U transformátorů malého výkonu (od 25 do 250 kVA), chráněných pojistkami na straně VN, má schéma zapojení vinutí Y/Zn naprostou výhodu. Schéma D/Yn poskytuje poněkud menší účinek. Pro takové transformátory by neměl být použit obvod Y/Yn.
Schéma zapojení vinutí transformátorů Y/Yn lze v poměrně vzácných případech použít u výkonnějších transformátorů, kdy je nutné omezit jednofázový zkratový proud pro zvýšení stability spínacího zařízení.
Výrobci výkonových transformátorů by měli nutně měřit jejich odpor nulové složky.

1. GOST 11677-85. Výkonové transformátory. Všeobecné technické podmínky.
2. Uljanov S.A. Zkraty v elektrických systémech. – M.: Gosenergoizdat, 1952. – 280 s.
3. GOST 3484.1-88 (ST SEV 1070-78). Výkonové transformátory. Elektromagnetické zkušební metody.
4. Příručka pro projektování napájení, elektrických vedení a sítí / Ed. Bolshama Y.M., Krupovicha V.I., Samovera M.L. a další – M.: Energie, 1975. – 696 s.
5. Katalog pojistek Fusarc Merlin Gerin (norma DIN).
6. GOST 28249-93. Zkraty v elektrických instalacích. Výpočtové metody ve střídavých elektrických instalacích s napětím do 1 kV.