Группы соединения трехфазных трансформаторов ONAN: выбор в соответствии с требованиями системы

Правильная группа соединения обмоток трехфазного трансформатора с охлаждением ONAN — это та, которая соответствует схеме заземления сети, требуемому фазовому сдвигу и условиям эксплуатации. Dyn11 обеспечивает вывод нейтрали на стороне низшего напряжения и путь для циркулирующих токов нулевой последовательности, уравновешивающих токи в треугольнике, тогда как Yyn0 обеспечивает нулевой фазовый сдвиг, но требует более тщательной оценки заземления нейтрали и сопротивления нулевой последовательности. Ни одно из этих обозначений не является универсально лучшим.

ONAN означает естественное масляное и естественное воздушное охлаждение: это описание теплообмена между трансформаторным маслом и окружающим воздухом. Оно не определяет схему соединения обмоток, наличие нейтрали или фазовые соотношения. Эти электрические характеристики необходимо задавать отдельно, особенно если трансформаторы питают четырехпроводные нагрузки, подключают возобновляемые источники энергии или работают параллельно.

Как читать группу соединения обмоток

Согласно обозначениям IEC, прописные буквы указывают схему соединения обмотки высшего напряжения, а строчные — обмотки низшего напряжения. D или d означает соединение треугольником, Y или y — звездой, а Z или z — зигзагом. Буквы N или n указывают, что соответствующая нейтральная точка выведена на вывод. Обмотки перечисляются в порядке номинального напряжения, а не направления потока мощности.

Число в обозначении по циферблату показывает положение вектора напряжения обмотки низшего напряжения относительно опорного вектора обмотки высшего напряжения; каждый час соответствует 30 электрическим градусам. В группе Dyn11 обмотка высшего напряжения соединена треугольником, а обмотка низшего напряжения — звездой с выведенной нейтралью; вектор напряжения низшего напряжения занимает положение «11 часов». Согласно этой системе обозначений, он опережает опорный вектор высшего напряжения на 30 градусов. Dyn1 соответствует отставанию на 30 градусов, а Yyn0 — нулевому фазовому сдвигу.

Эти соотношения необходимо интерпретировать с учетом заданной маркировки выводов и последовательности фаз. Для работ по подключению к сети формулировки вроде «сдвиг на 30 градусов» недостаточно, поскольку она не указывает направление сдвига. На схемах, в уставках релейной защиты и документах пусконаладки должна использоваться одна и та же система отсчета.

Обозначение задает схему соединения, но не описывает характеристики трансформатора в полном объеме. Два трансформатора с одинаковой группой соединения могут иметь разные сопротивления нулевой последовательности, номинальные токи нейтрали, сопротивления короткого замыкания и тепловые характеристики.

Наличие нейтрали не означает, что схема заземления выбрана правильно

Обмотка, соединенная звездой, с выведенной нейтралью позволяет организовать трехфазное четырехпроводное питание. Однако само по себе это не определяет, следует ли глухо заземлить нейтраль, заземлить ее через сопротивление или применить другую схему заземления. Выбор влияет на ток замыкания на землю, временные перенапряжения, допустимые напряжения прикосновения и требуемую чувствительность защиты.

Если трансформатор Dyn питает низковольтные нагрузки с заземленной нейтралью, ток нулевой последовательности может протекать в обмотке, соединенной звездой, вызывая уравновешивающий циркулирующий ток внутри треугольника. Соответствующий ток нулевой последовательности не проходит в трехпроводную сеть высшего напряжения. Это различие важно: треугольник обеспечивает внутренний путь для тока, но не является внешним нейтральным проводником и не отменяет необходимости проектировать систему заземления на стороне низшего напряжения.

При замыкании на землю ниже по сети источник все равно подает энергию. Блокирование передачи тока нулевой последовательности по линии не означает, что вышестоящая система изолирована от всех составляющих тока повреждения. Для координации защиты по-прежнему важны токи прямой и обратной последовательностей, величина тока повреждения и сопротивление трансформатора.

В обозначении Yyn0 строчная буква n подтверждает только наличие выведенной нейтрали на стороне низшего напряжения. Она ничего не говорит о наличии выведенной нейтрали на стороне высшего напряжения. Если нейтральная точка звезды на стороне высшего напряжения изолирована, источник не может обеспечить такой же путь для тока нулевой последовательности, как при заземленной нейтральной точке звезды. При отсутствии стабилизирующей обмотки, соединенной треугольником, возбуждение нулевой последовательности и искажение напряжения в значительной степени зависят от конструкции магнитопровода и условий эксплуатации.

Трехстержневой магнитопровод, пятистержневой магнитопровод и группа из однофазных трансформаторов не обеспечивают одинаковых путей для потока нулевой последовательности. В конструкции с трехстержневым магнитопроводом поток нулевой последовательности может замыкаться через масло, элементы конструкции и бак, что влияет на сопротивление и паразитный нагрев. Поэтому Yyn0 не следует безоговорочно отвергать, но и выбирать только потому, что нулевой фазовый сдвиг кажется удобным, не следует.

Если расчеты замыкания на землю зависят от характеристик трансформатора, запросите данные о сопротивлении нулевой последовательности для заданной конфигурации выводов и заземления. Процентное сопротивление прямой последовательности не является адекватной заменой этим данным.

Несимметричные нагрузки и гармоники выявляют ограничения схемы соединения

В четырехпроводной промышленной или коммерческой сети нагрузка однофазных потребителей может быть неравномерной, даже если суммарная нагрузка не превышает номинальную мощность трансформатора в кВА. Возникающие ток нейтрали и несимметрия фазных напряжений требуют отдельной оценки. Наличие выведенной нейтрали не подтверждает, что обмотка, нейтральный вывод, ввод и соединение способны длительно проводить требуемый ток.

Соединение зигзагом может обеспечить путь для токов нулевой последовательности и поддерживать характеристики напряжения фаза–нейтраль при несимметричной нагрузке. Однако его пригодность зависит от конструкции обмотки и номинального режима работы. Например, заземляющий трансформатор зигзаг может быть рассчитан в первую очередь на кратковременный ток замыкания на землю, а не на длительное питание нагрузки; его назначение не следует путать с назначением распределительного трансформатора полной номинальной мощности.

Обмотки, соединенные треугольником, также обеспечивают циркуляцию составляющих кратных трем, включая третью гармонику, связанную с намагничиванием. Это помогает контролировать некоторые эффекты искажения напряжения, но не превращает трансформатор Dyn в универсальный фильтр гармоник.

В сбалансированной четырехпроводной системе токи гармоник, кратных трем, от однофазных нелинейных нагрузок совпадают по фазе и складываются в нейтрали, а не компенсируют друг друга. Обмотка, соединенная треугольником, не устраняет этот ток в нейтрали на стороне низшего напряжения. Она также не исключает нагрев от других гармоник, например пятой и седьмой.

Если нелинейная нагрузка существенна, в спецификации необходимо указать ожидаемый спектр гармоник, допустимый режим тока нейтрали и результаты тепловой оценки. Охлаждение ONAN описывает механизм охлаждения, а не разрешает произвольную гармоническую нагрузку при номинальной мощности в кВА. При определении допустимой нагрузки или снижении номинальной мощности необходимо учитывать потери в обмотках, паразитные потери, температуру окружающей среды и ограничения конструкции, установленные изготовителем.

Для параллельной работы недостаточно совпадения обозначения «Dyn»

Перед замыканием выключателя для подключения двух трансформаторов к одной шине их вторичные векторы напряжения должны быть совместимы. При соединении по соответствующим обозначениям фаз Dyn11 и Dyn1 отличаются на 60 электрических градусов. Включение их на одну шину в такой конфигурации приводит к серьезному несоответствию, а не к ошибке распределения нагрузки, которую можно считать допустимой.

Некоторые различия между группами соединения можно компенсировать инженерно обоснованным изменением внешних фазных соединений. Однако это не дает права произвольно переставлять выводы. Выполненная схема должна сохранять заданную последовательность фаз шин, режим заземления, опорные величины защиты и требования к изоляции; ее необходимо подтвердить проверкой фазировки.

Даже совпадение групп соединения не гарантирует удовлетворительную параллельную работу. Необходимо также оценить:

• Коэффициент трансформации и положение ответвления: неодинаковые вторичные напряжения холостого хода вызывают циркулирующий ток еще до подключения полезной нагрузки.
• Сопротивление короткого замыкания: неодинаковые сопротивления в относительных единицах приводят к неравномерной загрузке относительно номинальной мощности каждого трансформатора.
• Угол сопротивления: различное соотношение активной и реактивной составляющих влияет на распределение активной и реактивной нагрузки.
• Последовательность фаз и обозначение выводов: одинаковые паспортные данные не исправят ошибки в подключении кабелей.
• Соединения нейтрали и заземления: параллельные цепи нейтрали могут изменить распределение токов нулевой последовательности и работу защиты от замыканий на землю.

При примерно одинаковых коэффициентах трансформации и близких углах сопротивления нагрузка распределяется обратно пропорционально сопротивлению в омах, приведенному к общей стороне. Поэтому при сравнении процентных сопротивлений необходимо учитывать номинальную мощность: одинаковые значения в процентах у трансформаторов разной номинальной мощности не означают одинакового сопротивления в омах. Предполагаемую комбинацию следует проверить для максимальной и минимальной нагрузки, а также для соответствующих положений ответвлений.

Защита должна соответствовать фактически установленной схеме соединения

Дифференциальная защита трансформатора сравнивает токи обмоток, имеющих разные соотношения напряжений и токов. Для трансформатора с соединением обмоток треугольник–звезда реле должно компенсировать фазовый сдвиг, коэффициент трансформации и соответствующее влияние токов нулевой последовательности. Цифровые реле могут выполнять эту компенсацию самостоятельно, однако их уставки должны соответствовать фактической схеме соединения обмоток и схемам включения трансформаторов тока.

Неверная компенсация может вызвать дифференциальный ток при нормальной нагрузке или внешних повреждениях. При малой нагрузке ошибка может оставаться незаметной, но стать существенной при сквозном коротком замыкании. Поэтому проверку паспортных данных, полярности трансформаторов тока и испытания реле следует рассматривать как взаимосвязанные задачи, а не как отдельные формальности.

Дифференциальная защита от замыканий на землю в ограниченной зоне требует подходящей схемы нейтрали и правильного расположения трансформаторов тока вокруг защищаемой зоны. Ее реализацию нельзя определить только по группе соединения обмоток. На измерения влияют сопротивление заземления нейтрали, трассировка проводников и любые параллельные пути возврата тока через землю.

Подключение генерации из возобновляемых источников создает дополнительное ограничение: энергоснабжающая организация может потребовать определенный интерфейс заземления или фазовое соотношение. Системы управления преобразователями не заменяют анализ нулевой последовательности трансформатора. Исследование замыканий на землю в сети сбора мощности должно учитывать соединения обмоток, устройства заземления, кабели и режимы работы, в том числе отключения, при которых источник заземления выводится из работы.

При интеграции резервного источника возникает связанный вопрос. Трехфазный четырехпроводныйдизель-генераторная установка в бесшумном кожухе, подключенная через систему автоматического ввода резерва, требует рассматривать переключение нейтрали и соединение нейтрали с землей в рамках общей оценки системы. Четырехпроводный выход генератора не определяет группу соединения трансформатора. Переключение нейтрали переключателем и то, какой источник задает действующую точку заземления, могут изменить пути тока замыкания на землю. При работе с кратковременным параллельным включением также необходима проверка синхронизации; совпадения номинального напряжения недостаточно.

Указывайте стандарты и подтверждающие документы, а не только обозначение на паспортной табличке

IEC 60076-1 устанавливает общие требования к номинальным характеристикам силовых трансформаторов, обозначениям соединений и соответствующим испытаниям. IEC 60076-8 содержит рекомендации по применению, включая особенности соединений и параллельную работу. Для агрегатов с погружением в минеральное масло вопросы нагрузки рассматриваются в IEC 60076-7. В договоре следует указывать применимые редакции стандартов и требования энергоснабжающей организации, а не предполагать, что общее заявление о соответствии IEC разрешает все вопросы конкретного применения.

В спецификации трансформатора необходимо указать группу соединения наряду с номинальными напряжениями, диапазоном регулирования ответвлений, частотой, сопротивлением короткого замыкания и его допуском, требованиями к выводу нейтрали, схемой заземления и характеристиками нагрузки. При необходимости следует также запросить данные о сопротивлении нулевой последовательности, допустимом токе нейтрали и сведения о стабилизирующей обмотке.

Проверка обозначения соединения и фазового сдвига должна быть отражена в документации заводских приемочных испытаний. Для измерений нулевой последовательности может потребоваться отдельное согласование схемы испытаний и порядка представления результатов. При пусконаладке на объекте необходимо подтвердить фактическую последовательность фаз и фазировку, поскольку результаты заводских испытаний не позволяют проверить внешние кабели или соединения распределительного устройства.

Таким образом, технически полная спецификация содержит больше сведений, чем «ONAN, Dyn11». Она определяет, какая нейтраль выведена, как она заземлена, по какому пути возвращается ток замыкания на землю, какие фазовые соотношения имеются на каждой шине и может ли трансформатор работать параллельно с существующим оборудованием. Если эти условия определены и подтверждены расчетами и протоколами испытаний, группа соединения становится проверенным интерфейсом системы, а не просто обозначением на паспортной табличке.