До сих пор предполагается, что трансформатор имеет только две обмотки на фазу, а именно обмотку низкого напряжения и обмотку высокого напряжения. Фактически, хотя это лишь наиболее часто используемый метод компоновки, нет причин, по которым в трансформаторах используются только две обмотки. Наиболее распространенной причиной добавления третьей обмотки к трехфазному трансформатору является установка третьей обмотки, соединенной треугольником. Другие причины добавления третьей обмотки заключаются в следующем: во-первых, для ограничения уровня неисправности системы низкого-напряжения через ответвленный источник питания, то есть для формирования двойного вторичного трансформатора; Второй – подключение нескольких систем питания под разным напряжением питания; Третий — регулировка напряжения и реактивной мощности системы через синхронный конденсатор, подключенный к клемме обмотки.
Трех-фазный трансформатор в идеале должен иметь набор трех-фазных обмоток, соединенных в треугольной конфигурации, что может обеспечить трансформатору путь с низким импедансом для тока третьей гармоники. Обмотка, соединенная треугольником, также может циркулировать ток в треугольнике, когда противоположные нагрузки неуравновешены, тем самым уменьшая этот дисбаланс и предотвращая его значительную обратную подачу в систему. Хотя проектировщики систем не хотят использовать трансформаторы, соединенные звездой/звездой, в некоторых случаях фазовый сдвиг, создаваемый трансформаторами звезда/треугольник или треугольник/звезда, неприемлем. Например, ситуация, которая часто возникает во вспомогательных системах подстанций. В связи с этим общепринятой практикой на протяжении многих лет является установка в трансформаторе третьей обмотки с треугольным соединением.
Из-за нелинейности кривой B/H магнитных материалов с железным сердечником приложение синусоидального напряжения приведет к возникновению синусоидального магнитного потока (вторичное напряжение также является синусоидальным). Ток намагничивания несинусоидальный. Следовательно, ток намагничивания трансформатора, находящегося под синусоидальным напряжением, будет содержать основные составляющие и различные гармоники. Амплитуда и состав этих гармоник зависят от характеристик намагничивания материала железного сердечника и пиковой плотности магнитного потока. Вообще говоря, доминирующую роль играет третья гармоника, причем помимо третьей гармоники существуют еще и высшие третьи гармоники.
За счет того, что третья гармоническая составляющая находится в одной и той же фазе в каждой фазе трех-фазной системы. Таким образом, между линиями нет напряжения тройной гармоники. Третья гармоническая составляющая тока намагничивания должна проходить через нейтральную точку обмотки, соединенной звездой, или через обмотку, соединенную треугольником (как силовая нейтраль, так и обмотка, соединенная звездой, заземлены). Если нет обмотки треугольника или нейтральной точки трансформатора, а источник питания не заземлен одновременно в трансформаторе, соединенном звездой/звездой, то емкостный ток между фазой и землей в линии системы электропитания неизбежно будет содержать гармонические составляющие. Если эти гармоники не проходят по этим путям, выходное напряжение будет иметь гармонические искажения.
Даже если нейтральная точка и обмотка источника питания, соединенная звездой, заземлены, как упоминалось ранее, хотя форма выходного сигнала трансформатора не подвергается искажению, ток тройной гармоники, протекающий в нейтральной точке, все равно может вызвать помехи в цепях беспроводной связи и других электронных устройствах, а также перегрев заземленной нейтрали жидкостного сопротивления. Это еще одна причина использования обмоток, соединенных треугольником.
Если нейтральная точка обмотки, соединенной звездой, не заземлена, без использования треугольной третьей обмотки. Нейтральная точка будет колебаться при напряжении выше или ниже потенциала земли, с амплитудой напряжения, равной трехкратной амплитуде гармонической составляющей. За счет использования треугольной третьей обмотки возникновение этого явления можно предотвратить. Иногда третью обмотку называют стабилизирующей обмоткой.
Число витков и номинальное напряжение третьей обмотки можно выбрать любое подходящее значение. Следовательно, выводы третьей обмотки можно вывести для подачи питания на вспомогательные нагрузки подстанции, устраняя необходимость в отдельном вспомогательном трансформаторе. Для больших автотрансформаторов, используемых в передаче электроэнергии, необходимо использовать соединение звезда/звезда, а третья обмотка обычно используется в качестве компенсационного устройства для системы соединения.
Хотя вспомогательная нагрузка относительно невелика по сравнению с номинальной мощностью главного трансформатора, номинальная мощность третьей обмотки должна выдерживать максимальный контурный ток, генерируемый из-за серьезного дисбаланса системы. Вообще говоря, этот наиболее распространенный дисбаланс возникает из-за короткого замыкания провода вторичной обмотки на землю, когда заземлена вторичная нейтраль.
Предполагая, что коэффициент витков всех обмоток составляет 1:1, что соответствует току первичной нагрузки однофазной -фазной нагрузки на вторичной стороне трансформатора, соединенного звездой/звездой, с третьей обмоткой, соединенной треугольником. В результате номинальные витки третьей обмотки будут примерно равны одной-трети номинальных витков первичной и вторичной обмоток. Поэтому без конкретных номинальных параметров предусмотрена общая методика определения номинальных параметров третьей обмотки.
С точки зрения постоянных и кратковременных-нагрузок большое значение имеет сопротивление между третьей и двумя основными обмотками. Третья обмотка должна быть рассчитана на достаточную механическую прочность, необходимую термостойкость, достаточное полное сопротивление относительно двух основных обмоток и способность выдерживать межфазные короткие замыкания в основных обмотках без возникновения аномальных падений напряжения при длительных несимметричных нагрузках.
Если необходимо спроектировать трансформатор с третьей обмоткой, пользователь должен предоставить достаточную информацию, как это предусмотрено, чтобы позволить разработчику трансформатора определить максимальный ток внешнего повреждения, который может возникнуть в самых неблагоприятных условиях эксплуатации. Эта информация, включая характеристики системы и подробные методы заземления, а также знание значений импеданса между различными обмотками, позволяют проектировщикам точно оценить ток короткого замыкания и его амплитуду в третьей обмотке. Этот подход намного лучше, чем произвольное указание пользователем емкости. Хотя использование приближенных методов оценки для определения мощности более интуитивно понятно при отсутствии точной информации. Чтобы получить идеальное значение номинальной мощности третьей обмотки, его можно получить только на основе импеданса между обмотками трансформатора и других факторов, упомянутых выше.
Как указывалось в начале статьи, основной принцип настройки третьей обмотки был принят уже много лет и получил дальнейшее развитие после использования горяче-листов электротехнической стали для изготовления железных сердечников. Железный сердечник, изготовленный из горячекатаных-листов электротехнической стали, может генерировать ток возбуждения до 5 % от тока полной нагрузки. Ток возбуждения современных холоднокатаных листов электротехнической стали значительно ниже и составляет около 0,5% от тока полной нагрузки. В этом случае влияние гармонических искажений тока возбуждения несущественно. Необходимо учитывать, должен ли трансформатор, соединенный звездой/звездой, быть оснащен третьей обмоткой, соединенной по схеме треугольника.
В трансформаторе, соединенном звездой/звездой, где нейтральная точка на первичной стороне не заземлена, а нейтральная точка на вторичной стороне заземлена, относительное замыкание на землю на вторичной стороне не вызовет значительного тока повреждения, который активировал бы устройство релейной защиты. Это связано с тем, что эта структура создает высокий импеданс для однофазных токов. Вообще говоря, наличие третьей обмотки, соединенной треугольником, может заставить циркулирующий ток циркулировать, приводя к равновесию двух других фаз тока. Тем самым решая поставленный выше вопрос. В середине 1970-х гг. Проект резервного трансформатора 132 кВ/11 кВ с соединением звезда/звезда на 60 МВ на электростанции Леттлбрук «D» Центральной корпорации электроснабжения (CECR) в Великобритании служит примером, иллюстрирующим изложенную выше тему. Это 60МВ · Резервный трансформатор.Вот люди и обратили внимание на этот трансформатор, то есть если третью обмотку с треугольным соединением настроить по обычному методу. Когда он работает параллельно с заводским трансформатором, уровень однофазного замыкания на землю в системе 11 кВ может быть слишком высоким. Поскольку в то время было принято опускать третью обмотку трансформатора 33 кВ/11 кВ с соединением звезда/звезда, было решено не устанавливать третью обмотку на этот трансформатор. Впоследствии это вызвало дискуссии с заводом-производителем о том, существует ли проблема недостаточного тока повреждения в случае замыкания на заземление на стороне 11 кВ. Производитель может гарантировать, что такой ситуации не произойдет. После сборки и тестирования это действительно так. Для анализа таких проблем лучше всего использовать концепцию импеданса нулевой фазы.
