Соединения трёхфазных высоковольтных трансформаторов: «треугольник» и «звезда»

Когда при проектировании распределительной сети среднего или высокого напряжения принимается решение о подключении трансформатора, соединения «треугольник» и «звезда» часто рассматриваются как взаимозаменяемые варианты линейной схемы. Это не так. Выбранное соединение обмоток изменяет способ заземления системы, напряжение, которое должна выдерживать каждая обмотка, поведение при несимметричных нагрузках и последствия однофазного замыкания на землю. Соединение, хорошо подходящее для изолированной промышленной шинной системы двигателей, может создать устранимые проблемы с защитой или опорным напряжением при применении в заземленной распределительной сети объекта.

Длятрехфазного высоковольтного трансформатора практическая отправная точка проста: выбирайте соединение «звезда», когда требуются стабильная заземленная нейтраль, использование напряжения фаза-нейтраль или снижение изоляционных напряжений на обмотках; выбирайте «треугольник», когда более полезны трехпроводное питание, подавление гармоник, устойчивость к определенным несимметричным условиям или замкнутый путь для токов нулевой последовательности и гармоник, кратных трем. Окончательное решение должно учитывать стороны высокого и низкого напряжения совместно, а не каждую обмотку изолированно.

Соединение изменяет не только паспортное напряжение

В трехфазных трансформаторах обычно применяются схемы соединения обмоток «треугольник» (Δ) и «звезда» (Y) с каждой стороны. При соединении «треугольник» три фазные обмотки соединяются последовательно в замкнутый контур. При соединении «звезда» один конец каждой фазной обмотки соединяется в общей точке нейтрали. Эта нейтраль может быть глухозаземленной, заземленной через импеданс, через реактор или оставаться незаземленной в зависимости от конструкции системы.

Соотношение между линейным и фазным напряжением является первым инженерным отличием:

• При соединении «звезда» линейное напряжение равно фазному напряжению, умноженному на √3. Поэтому каждая обмотка испытывает только напряжение линия-нейтраль.
• При соединении «треугольник» линейное напряжение равно фазному напряжению. Каждая обмотка подвергается полному напряжению между фазами.

Это напрямую влияет на координацию изоляции. В обмотке «звезда» на 13.8 кВ отдельная фазная обмотка рассчитана примерно на 13.8/√3 кВ относительно нейтрали, тогда как фазная обмотка «треугольника» на 13.8 кВ воспринимает 13.8 кВ. Полная конструкция изоляции по-прежнему зависит от уровня импульсного напряжения, метода заземления, защиты от перенапряжений и исследований системных перенапряжений, однако соотношение фазных напряжений является одной из основных причин, по которым обмотки «звезда» часто привлекательны при более высоких напряжениях.

Обозначение соединения также имеет значение. Обозначение Dyn11 указывает, что обмотка высокого напряжения соединена треугольником, обмотка низкого напряжения — звездой с выведенной нейтралью, а номер часов определяет фазовое смещение. Группа соединения — не просто каталожная характеристика: она определяет, можно ли трансформаторы включать параллельно и будут ли нижестоящие настройки релейной защиты, измерительные устройства и фазочувствительные нагрузки иметь ожидаемое фазовое соотношение.

Когда соединение «звезда» решает реальную системную задачу

Заземленная вторичная обмотка «звезда» часто выбирается потому, что нижестоящей сети требуется надежная связь с землей. Это типично для объектов, питающих нагрузки линия-нейтраль, требующих контролируемой защиты от замыканий на землю или распределяющих электроэнергию по четырехпроводным системам. Нейтраль обеспечивает определенный обратный путь для однофазных нагрузок и позволяет использовать напряжение фаза-нейтраль без установки отдельного заземляющего трансформатора.

Рассмотрим объект, на котором трансформатор питает щиты освещения, системы управления, небольшие вспомогательные нагрузки и более крупное трехфазное оборудование. Вторичная обмотка «звезда» может обеспечивать как линейное напряжение, так и напряжение линия-нейтраль, если это допускается номиналом вторичной обмотки и планом нагрузок. Не следует считать, что возможности нейтрали неограниченны; необходимо проверить сечение ее проводника, схему заземления, номинал по току короткого замыкания и ожидаемый ток гармоник.

На стороне высокого напряжения соединение «звезда» может снизить напряжение на каждой фазной обмотке. Это может быть ценно, когда важны экономия изоляции и конструкция высоковольтной обмотки. Заземленная высоковольтная обмотка «звезда» также обеспечивает системе вышестоящей защиты предсказуемый путь нулевой последовательности. Однако это преимущество желательно только тогда, когда оно соответствует принятой концепции заземления. Глухозаземленная первичная обмотка может увеличить доступный ток замыкания на землю, воспринимаемый вышестоящим оборудованием. Нейтраль, заземленная через импеданс, может ограничивать этот ток, однако в этом случае требуется согласованное проектирование оборудования нейтрали, координации релейной защиты и характеристик временных перенапряжений.

Соединение «звезда» не является автоматически «более безопасным». В незаземленной системе «звезда» при замыкании на землю могут возникать нестабильные напряжения фаза-земля. В системе со значительной емкостью кабелей перемежающиеся дуговые замыкания могут создавать перенапряжения, нагружающие изоляцию и ограничители перенапряжений. Вопрос состоит не только в том, соединена ли обмотка звездой, но и в том, доступна ли нейтраль и каким образом она преднамеренно заземлена.

Что соединение «треугольник» дает характеристикам трансформатора

Соединение «треугольник» часто выбирается там, где подходит трехпроводная система и не требуется нагрузка нейтрали. Его замкнутый контур обеспечивает внутренний циркулирующий путь для гармоник, кратных трем, в частности составляющих третьей гармоники, создаваемых током намагничивания трансформатора. Без подходящего пути эти гармонические напряжения могут искажать формы напряжения фаза-нейтраль в системах со соединением «звезда». Обмотка «треугольник» может способствовать стабилизации формы волны и предотвращать появление этих составляющих в виде линейных токов на другой стороне.

Замкнутый треугольник также изменяет поведение токов нулевой последовательности. Токи нулевой последовательности, связанные с однофазными замыканиями на землю, могут циркулировать внутри обмотки «треугольник», но обычно не проходят через нее как линейные токи на другую сторону. Эта характеристика может быть полезна для изоляции последствий замыканий на землю между системами. Она также может стать неожиданностью для инженера по защите, ожидающего, что первичное реле замыкания на землю обнаружит каждое вторичное замыкание на землю. Схемы релейной защиты должны основываться на фактической группе соединения трансформатора и путях заземления, а не на упрощенной однолинейной схеме.

Соединение «треугольник» хорошо переносит определенные условия несимметричной нагрузки, поскольку замкнутая обмотка помогает сбалансировать внутренние магнитные воздействия. В некоторых схемах энергосистем и промышленных установок разомкнутый треугольник может временно использоваться после вывода одного трансформаторного блока из трехблочной группы «треугольник». Такая схема имеет существенно сниженную мощность и не является универсальной заменой полноценной трехблочной группы. Техническая оценка должна подтверждать, действительно ли аварийная работа является частью требований, а не считать возможность работы в разомкнутом треугольнике стандартным преимуществом конструкции.

Вторичная обмотка «треугольник» не имеет собственной нейтрали. Нейтраль может быть создана ниже по сети с помощью заземляющего трансформатора или другой специально спроектированной схемы заземления, однако это добавляет оборудование и должно оцениваться как часть системы. Недопустимо создавать нейтральное соединение от угла треугольника или заземлять точку, не рассчитанную на такую функцию.

Распространенные пары соединений и решения, лежащие в их основе

Соединение «треугольник–звезда» широко применяется, когда трехпроводной фидер более высокого напряжения питает распределительную систему объекта более низкого напряжения, нуждающуюся в заземленной нейтрали. Первичный треугольник блокирует прямую передачу тока нулевой последовательности со вторичной стороны к источнику, в то время как вторичная звезда обеспечивает стороне нагрузки определенную опорную точку заземления. Это не устраняет ток замыкания на землю; это определяет, где протекает ток повреждения и какие защитные устройства должны срабатывать.

Соединение «звезда–треугольник» может быть подходящим, когда схема заземления входной высоковольтной системы допускает первичную обмотку «звезда», а выход питает только трехфазные нагрузки. Шина двигателей может быть подходящим вариантом, однако одной лишь «двигательной нагрузки» недостаточно для принятия решения. Частотно-регулируемые приводы, фильтры гармоник, конденсаторные батареи, подключения для обслуживания и будущие вспомогательные нагрузки могут создавать требования к заземлению и гармоникам, изменяющие предпочтительную схему.

Оцените поведение при повреждениях до утверждения группы соединения

Соединение трансформатора следует проверить по вероятным сценариям повреждений, особенно по однофазным замыканиям на землю. Исследование должно установить путь тока повреждения от источника через обмотки трансформатора, оборудование заземления нейтрали, металлические обратные пути и защитные устройства. Величина тока определяет не только отключающую способность выключателя. Она влияет на чувствительность реле, расчеты дуговой вспышки, риск напряжения прикосновения, термическую стойкость оборудования и возможность селективного определения места повреждения.

Для систем с заземленной звездой подтвердите метод и номинал заземления нейтрали. Глухое заземление может обеспечивать высокий ток повреждения, способствующий быстрому срабатыванию максимальной токовой защиты. Заземление через сопротивление может ограничивать повреждения и энергию дуговой вспышки, но обычно требует чувствительных реле замыкания на землю и определенного порядка действий при первом повреждении. Реакторное заземление имеет собственные компромиссы по току повреждения и переходному перенапряжению. Ввод нейтрали трансформатора, нейтральный проводник, заземляющий резистор или реактор и защитные устройства должны быть рассчитаны как согласованный комплекс.

Для систем «треугольник» не следует считать, что отсутствие нейтрали означает отсутствие последствий замыкания на землю. Первое замыкание на землю в незаземленной или заземленной через импеданс распределительной системе может не создать тока, достаточного для срабатывания обычных фазных устройств максимальной токовой защиты. Обнаружение может зависеть от контроля изоляции, методов остаточного напряжения или специальных реле замыкания на землю. Продолжение работы после сигнала тревоги может быть допустимо только в рамках установленной процедуры эксплуатации; второе повреждение на другой фазе может стать межфазным коротким замыканием с гораздо большей энергией.

Регулирование напряжения, тип нагрузки и гармоники

Выбор соединения не заменяет надлежащий расчет регулирования напряжения. Полное сопротивление трансформатора, полное сопротивление источника, длина проводника, пусковой ток двигателя, коэффициент мощности и величина ступени нагрузки определяют напряжение на зажимах оборудования. Тем не менее соединение обмоток влияет на обработку несимметричных и нелинейных токов нагрузки, что может быть важно на объектах со смешанным профилем нагрузок.

Во вторичных обмотках «звезда», питающих значительные однофазные нелинейные нагрузки, может возникать нейтральный ток гармоник, особенно от гармоник, кратных трем, которые совпадают по фазе во всех трех фазах и поэтому суммируются в нейтрали. Это требует оценки ожидаемого спектра нагрузки, пропускной способности нейтрали, повышения температуры и необходимости фильтрации или распределения нагрузки. Обмотка «треугольник» на противоположной стороне может обеспечивать путь циркуляции для некоторых составляющих, кратных трем, но ее не следует рассматривать как средство устранения плохого распределения нагрузки или недостаточно рассчитанной нейтрали.

Если трансформатор питает оборудование с силовой электронной связью, решение по трансформатору должно быть согласовано с требованиями преобразователя к сети. Например, наружная система накопления энергии может подключаться при 380 V или 400 V и требовать стабильного, правильно заземленного источника переменного тока для функций защиты и управления. Коммерческая и промышленная система накопления энергии 125kW/261kWh имеет указанный выход переменного тока 380 V / 400 V и может использоваться для сглаживания пиков, переноса нагрузки, резервного питания или интеграции возобновляемых источников энергии. Конфигурация ее вышестоящего трансформатора и распределительного устройства должна выбираться в соответствии со схемой заземления объекта, доступным уровнем тока повреждения, планом параллельной работы и применимыми требованиями к присоединению, а не просто потому, что обозначение «треугольник» или «звезда» кажется знакомым.

Практическая последовательность проверки для технической оценки

Начинайте с нагрузок, а не с каталога трансформаторов. Определите, должна ли вторичная сторона питать нагрузки фаза-нейтраль, требуется ли нейтраль для цепей управления и является ли состав нагрузки преимущественно сбалансированным трехфазным, в значительной степени однофазным или нелинейным. Затем определите схему заземления на входе и требуемый метод заземления на выходе. Эти два пункта обычно быстро сужают выбор вариантов соединения.

1. Подтвердите номинальные напряжения с обеих сторон, включая максимальное рабочее напряжение и требуемые ответвления. Различайте номиналы междуфазного напряжения и рабочее напряжение фаза-нейтраль.
2. Определите требования к нейтрали. Укажите, предназначена ли нейтраль для питания нагрузки, заземления системы, обнаружения повреждений или сочетания этих функций.
3. Проверьте пути тока замыкания на землю при повреждениях с любой стороны трансформатора. Убедитесь, какие реле воспринимают ток нулевой последовательности и какие устройства должны отключить повреждение.
4. Проверьте группу соединения относительно всех трансформаторов, которые могут работать параллельно сейчас или в будущем. Одного совпадения коэффициента трансформации недостаточно; фазовое смещение, полное сопротивление, положение ответвлений и полярность также должны быть совместимы.
5. Оцените нелинейные нагрузки, ожидаемую несимметрию, конденсаторные батареи, системы приводов и чувствительную электронику. Определите, оправдана ли третичная обмотка «треугольник» или другая мера по контролю гармоник.
6. Проверьте уровни изоляции, размещение ограничителей перенапряжений, изоляционную стойкость нейтрали и номинал заземляющего оборудования относительно выбранной топологии.

Одна из повторяющихся ошибок — выбор заземленной вторичной обмотки «звезда» только потому, что она удобна для общего распределения, с последующей попыткой использовать ее для параллельной работы с источником, соединенным треугольником, или с трансформатором с другим часовым обозначением. Другая ошибка — выбор соединения «треугольник–треугольник» для установки, ориентированной на двигатели, без учета будущих систем управления, сервисных розеток, оборудования мониторинга или интерфейсов систем накопления энергии, которым требуется четкая опорная точка напряжения. Обе проблемы легче решить на этапе проектирования, чем после установки распределительных устройств, кабельных систем и панелей релейной защиты.

Когда третичной обмотке следует уделить внимание

Третичная обмотка «треугольник» иногда включается в трансформатор «звезда–звезда» для обеспечения пути для токов третьей гармоники и нулевой последовательности, стабилизации магнитной цепи или питания вспомогательной нагрузки. Ее наличие может существенно влиять на расчеты повреждений и поведение защиты. Третичную обмотку не следует считать неиспользуемой дополнительной обмоткой: важны ее номинальное напряжение, предел нагрузки, состояние заземления, защита от перенапряжений и подключение к любой вспомогательной системе.

Если третичная обмотка не имеет внешней нагрузки, ее внутренняя гармоническая нагрузка все равно может иметь значение для тепловой конструкции. Если она подключена внешне, дополнительная нагрузка и возможный вклад в ток повреждения должны быть включены в модель системы. Техническая документация должна четко показывать, является ли третичная обмотка соединенной треугольником, звездой, заземленной или изолированной, а не оставлять ее неоднозначным символом на однолинейной схеме.