 |
СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
6(10)/0,4 кВ
Особенности применения
различных схем соединения обмоток
Практика работы с заказчиками электрооборудования показывает,
что многие энергетики не имеют четкого представления о преимуществах и недостатках различных схем соединения обмоток силовых
трансформаторов 6(10)/0,4 кВ. | | 
Алевтина Федоровская,
технический директор | | 
Владимир Фишман,
главный специалист |
В связи с этим нижегородские проектировщики Алевтина Ивановна
Федоровская и Владимир Семенович Фишман напоминают об особенностях различных схем соединения обмоток трансформаторов.
СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТОК И СВОЙСТВА
В соответствии с ГОСТ 11677-85 [1] силовые трехфазные
двухобмоточные трансформаторы могут изготавливаться со
следующими схемами соединения обмоток:
- «звезда-звезда» – Y/Yн;
- «треугольник-звезда» – Δ/Yн;
- «звезда-зигзаг» – Y/Zн.
Принципиальное различие технических характеристик
трансформаторов с разными схемами соединения обмоток
заключается в разной реакции на несимметричные токи, содержащие составляющую нулевой последовательности. Это прежде всего однофазные сквозные короткие замыкания, а также
и токи рабочих режимов с неравномерной загрузкой фаз.
Как известно, силовые трансформаторы имеют трехстержневой стальной сердечник, на каждом стержне которого располагаются первичная и вторичная обмотки соответствующей
фазы – А, В и С. Что происходит при нарушении симметрии
с преобладанием нагрузки одной из фаз на стороне 0,4 кВ?
Такие режимы работы исследуются с использованием теории
симметричных составляющих [2]. Согласно этой теории любой
несимметричный режим работы трехфазной сети представляется в виде геометрической суммы векторов трех симметричных составляющих тока и напряжения прямой, обратной и
нулевой последовательностей.
Рассмотрим режим максимальной однофазной несимметрии – режим однофазного короткого замыкания (ОКЗ) на стороне
0,4 кВ трансформатора со схемой соединения обмоток Δ/Yн.
В неповрежденных фазах на стороне 0,4 кВ геометрическая
сумма трех симметричных составляющих тока равна нулю, а в
поврежденной фазе эта сумма максимальна и равна току ОКЗ.
Величина этого тока определяется известной формулой [2]:
где Uл – линейное напряжение;
R1, R0, X1, Х0 – соответственно активные и реактивные сопротивления прямой и нулевой последовательности (поскольку
сопротивления прямой и обратной последовательностей
трансформатора равны, то R1 + R2 = 2R1; X1 +X2 = 2X1).
Сопротивления прямой последовательности
Сопротивления прямой (обратной) последовательности R1 и
X1 трансформаторов с разными схемами соединения первичных обмоток определяются одними и теми же формулами:
Сопротивления нулевой последовательности
В отличие от сопротивлений R1 и X1, сопротивления нулевой
последовательности R0, Х0 трансформаторов с разными схемами соединения обмоток отличаются принципиально.
Представление о сопротивлениях нулевой последовательности трансформаторов можно получить на основании схем замеров этих сопротивлений, представленных в ГОСТ 3484.1-88
[3] (рис. 1). Справедливости ради следует отметить, что схема
рис. 1в в ГОСТ 3484.1-88 не рассматривается и приведена
авторами дополнительно.
Сопротивление измеряется между соединенными вместе
тремя фазными зажимами обмотки низкого напряжения и
выведенным зажимом нейтрали. При этом в обмотках трансформатора моделируется протекание токов нулевой последовательности (на рис. 1 показаны стрелками).
Если обмотка ВН трансформатора соединена в треугольник – Δ/Yн (рис. 1б), то для токов нулевой последовательности
такой трансформатор оказывается короткозамкнутым, при
этом сопротивления R0 и X0 трансформатора равны сопротивлениям прямой последовательности R1 и X1.
При соединении обмотки НН по схеме «звезда-зигзаг» –
Y/Zн (рис. 1в) магнитные потоки, создаваемые «полуобмотками» разных фаз в каждом стержне сердечника транформатора
направлены встречно и компенсируют друг друга. Магнитные
потоки нулевой последовательности такого трансформатора
практически отсутствуют, а сопротивления нулевой последовательности минимальны, т.е. оказываются меньше, чем при
схеме соединения обмоток Δ/Yн.
При схеме соединения обмоток «звезда-звезда» – Y/Yн
(рис. 1а) нескомпенсированные магнитные потоки нулевой
последовательности замыкаются через стальной кожух трансформатора, радиаторы охлаждения и т.п. Поэтому величины
сопротивлений нулевой последовательности такого трансформатора во многом зависят от его конструкции и, как указано
в ГОСТ 3484.1-88, могут быть на два порядка больше, чем при
соединении обмоток по схеме Δ/Yн.
ВЛИЯНИЕ СХЕМ СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТОК НА ТОКИ КЗ
Рассмотрим влияние различных схем соединения обмоток
ТСН на величины токов КЗ на конкретном примере. На рис. 2
изображена схема подключения трансформатора 100 кВА,
6/0,4 кВ (ТСН), питающего потребителей собственных нужд ПС
110/35/6 кВ. На ПС с переменным оперативным током такие
трансформаторы устанавливаются на ОРУ и подключаются
к воздушному вводу, идущему от силового трансформатора
к вводной ячейке ЗРУ 6 кВ. Защита ТСН, включая кабель 0,4 кВ
к щиту 0,4 кВ, осуществляется предохранителями 6 кВ.
Токи короткого замыкания в конце защищаемой предохранителями зоны – при вводе на щит 0,4 кВ для разных схем
соединения обмоток трансформаторов приведены в табл. 1.
Расчет токов КЗ выполнен в соответствии с методикой ГОСТ
28249-93 [4]. Как видно из таблицы, наименьшие значения
токов КЗ через предохранители 6 кВ оказываются при однофазных замыканиях (ОКЗ) на стороне 0,4 кВ.
ВЫБОР ПЛАВКОЙ ВСТАВКИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЯ 6 кВ
Для выбора плавкой вставки предохранителя можно воспользоваться методикой, разработанной компанией «Шнейдер
Электрик» [5].
Согласно этой методике определяющим условием при выборе
номинального тока плавкой вставки предохранителя является
условие отстройки от броска тока намагничивания силового
трансформатора. Это условие выражается формулой:
Iпр.0,1 > К · Iн.тр,
где Iпр.0,1 – ток перегорания плавкой вставки предохранителя за
0,1 с по времятоковой характеристике;
Iн.тр – номинальный ток трансформатора;
К – коэффициент, характеризующий величину броска тока
намагничивания трансформатора.
Таким образом, для трансформатора 100 кВА, 6 кВ по указанному условию номинальный ток плавкой вставки предохранителя получается равным Iн.пр = 25 А. Необходимо отметить,
что этот результат совпадает с рекомендациями отечественных
источников [6].
Выбираем предохранитель Fusarc Merlin Gerin 6 кВ Iн.пр = 25 А. Максимальный и минимальный ток отключения данного
предохранителя составляют соответственно 63 кА и 79 А (в этом
случае защита предохранителями типа ПКТ 6 кВ оказывается не
чувствительной к токам КЗ в рассматриваемой точке).
Следует отметить, что при выборе предохранителей 6(10) кВ
часто не обращают внимание на их минимальный ток отключения, как этого требуют нормы. Так, согласно п. 1.4.3 ПУЭ
«Цепь считается защищенной плавким предохранителем,
если его отключающая способность выбрана в соответствии
с требованиями настоящих Правил и он способен отключить
наименьший возможный аварийный ток в данной цепи».
При протекании через предохранитель тока КЗ ниже
минимально отключаемого им тока «образовавшаяся при
перегорании плавкой вставки электрическая дуга не гаснет и
продолжает гореть до вмешательства внешней защиты» (цитата
из указаний [5]).
Из таблицы 1 видно, что в данном случае только при схеме
соединения обмоток трансформатора Y/Zн защита предохранителями оказывается достаточно надежной, поскольку
минимальный ток ОКЗ – 102 А превышает минимальный ток
отключения предохранителя 79 А.
 При схеме соединения обмоток Δ/Yн минимальный ток
ОКЗ – 78,8 А чуть ниже минимального тока отключения
предохранителя, что не обеспечивает необходимый запас надежности в расчетах.
При схеме соединения обмоток Y/Yн предохранитель 6 кВ явно
не способен отключить ток однофазного КЗ на стороне 0,4 кВ.
Недостатком схемы Y/Yн является также то, что при однофазном КЗ на стороне НН в неповрежденных фазах напряжение
повышается. Величина повышения напряжения зависит как
от удаления точки КЗ от источника питания, так и от нагрузки
неповрежденных фаз и может достигать 1,5–1,6 Uф. Если при этом затянется ещё и время отключения ОКЗ, то очевидно,
что чувствительные к перенапряжению потребители (электролампы, телевизионная, компьютерная и другая электронная
аппаратура) могут быть повреждены.
Указанные недостатки трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/Yн проявляются и в нормальных режимах работы
при неравномерной загрузке фаз. В этих случаях напряжение в
более загруженной фазе заметно снижается, а в менее загруженных фазах возрастает, особенно при низком cosφ нагрузки.
В некоторых исключительных случаях применение трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/Yн может оказаться вынужденным. Для правильного выбора защит в таких
случаях необходимо знать реальные сопротивления нулевой
последовательности трансформаторов. Эти данные следует
запрашивать у предприятий-изготовителей либо, если есть
такая возможность, производить замеры этих сопротивлений
по месту установки, полностью соблюдая при этом методику
замеров по ГОСТ 3484.1-88.
ТРАНСФОРМАТОРЫ С ПОНИЖЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ КЗ
Всё вышеизложенное относится к трансформаторам с напряжением КЗ в диапазоне uк = 4–6%. В последнее время для
установки в ячейках КРУ отечественными предприятиями специально разработаны силовые трансформаторы мощностью
25–63 кВА с пониженными значениями uк = 1,5–2,5%. Малое
сопротивление таких трансформаторов позволяет выполнить
их защиту предохранителями достаточно чувствительной.
Однако появляется другой недостаток, связанный с относительно большой величиной токов КЗ, а именно неселективная
работа предохранителей 6(10) кВ с автоматическими выключателями 0,4 кВ. Вопрос допустимости такой неселективной работы
необходимо решать в каждом конкретном случае отдельно.
ЗАЩИТА ПРИ НАЛИЧИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ
ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
Если трансформаторы СН подключаются к источнику
питания через выключатели (как правило, это достаточно
мощные трансформаторы), то с помощью микропроцессорных устройств релейной защиты требуемую чувствительность
можно обеспечить практически во всех случаях.
При этом для повышения чувствительности следует при
необходимости дополнительно использовать трансформатор
тока, устанавливаемый в нулевом выводе обмотки НН трансформатора с передачей сигнала в схему релейной защиты.
ВЫВОДЫ
- Для трансформаторов малой мощности (от 25 до 160 кВА) с диапазоном uк = 4–6%, защищаемых предохранителями со стороны ВН, наиболее надежная защита от сквозных КЗ обеспечивается при применении схемы соединения обмоток Y/Zн. Несколько меньшую надежность обеспечивает схема Δ/Yн (в каждом конкретном случае это уточняется расчетом).
Схему соединения обмоток Y/Yн при защите трансформаторов предохранителями применять не следует.
- Предприятия-изготовители силовых трансформаторов должны в обязательном порядке предоставлять данные по сопротивлениям нулевой последовательности трансформаторов, особенно со схемами соединения обмоток Y/Yн и Y/Zн. Применение силовых трансформаторов со сверхнизкими значениями uк повышает чувствительность их защиты предохранителями 6(10)кВ, однако не позволяет обеспечить селективность работы предохранителей с автоматическими выключателями на стороне 0,4 кВ.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 11677-85 «Трансформаторы силовые. Общие технические
условия».
2. Ульянов С.А. Короткие замыкания в электрических системах. М.:
Госэнергоиздат, 1952. 280 с.
3. ГОСТ 3484.1-88 (СТ СЭВ 1070-78) «Трансформаторы силовые. Методы электромагнитных испытаний».
4. ГОСТ 28249-93 «Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ».
5. Шнейдер Электрик. Методика выбора предохранителей для защиты
трансформаторов.
6. Сборник директивных материалов по эксплуатации энергосистем
(электротехническая часть). 2-е изд. М.: Энергоиздат, 1981. 632 с.
| 
|
