Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью - Трансформаторы для подключения дугогасящих катушек

При замыкании на землю одной фазы сети через обмотку этой фазы трансформатора, в нейтраль которого включена катушка, течет индуктивный ток, равный рабочему току установленного ответвления катушки. Это равносильно прохождению через обмотки каждой фазы 1/3 тока катушки, что естественно приводит к некоторому падению напряжения на обмотках, вследствие чего напряжение на нейтрали будет меньше нормального фазного и фактическая мощность катушки может быть меньше номинальной (в соответствий с выбранным ответвлением). Сопротивление обмоток току компенсации зависит от конструкции трансформатора, группы соединения его обмоток и мощности. Для наилучшего использования катушек трансформаторы, к которым они подключаются, должны иметь минимальное сопротивление обмоток токам компенсации. Снижение напряжения на нейтрали и, следовательно, на катушке при замыкании на землю (дросселирующий эффект) у правильно подобранных трансформаторов практически незначительно.
Наиболее подходящим для включения катушки является трансформатор с соединением обмоток треугольник— звезда (см. рис. 28,а). Токи компенсации, протекающие по обмотке звезды, создают магнитные потоки, которые наводят э. д. с. и токи в обмотке, замкнутой в треугольник. В свою очередь токи, замыкающиеся в треугольнике, обусловливают магнитные потоки в сердечнике трансформатора, направленные встречно потокам обмотки, соединенной в звезду. Происходит почти полная компенсация магнитных потоков, а небольшому потоку рассеяния обмоток соответствует индуктивность рассеяния весьма малая по сравнению с индуктивностью катушки. Дросселирующий эффект будет определяться только падением напряжения в сопротивлении рассеяния обмотки, которое невелико (соответствует напряжению короткого замыкания трансформатора ик%). Такие же условия имеют место при соединении обмоток и по схеме звезда — зигзаг (трансформаторы иностранного производства).
Иначе распределяются токи и магнитные потоки при включении катушки в нейтраль звезды при второй обмотке, также соединенной в звезду, но без нулевого провода с питающей стороны (рис. 28,6).
При замыкании на землю токи компенсации протекают лишь в первичной обмотке, поэтому магнитные потоки в сердечниках фаз ничем не уравновешиваются. Будучи направленными в одну сторону от ярма к ярму, магнитные потоки могут замыкаться частично по воздуху, частично — через стенки бака трансформатора. Бак трансформатора при этом является как бы короткозамкнутым витком, и магнитные потоки наводят в баке вихревые токи, которые дополнительно нагревают бак, ухудшая условия охлаждения обмоток трансформатора.
Наличие некомпенсированных магнитных потоков обусловливает появление э. д. с. самоиндукции, которые препятствуют протеканию токов катушки. Это равносильно тому, что сопротивление обмоток трансформатора при однофазной нагрузке значительно увеличивается и сильно проявляется эффект дросселирования. По этой причине весьма нежелательно подключение катушек к трансформаторам с обмотками, соединенными по схеме звезда — звезда с незаземленной нейтралью. Если же подключение дугогасящих катушек к таким трансформаторам неизбежно, следует особенно тщательно наблюдать за температурой в верхних слоях масла трансформатора и в соответствии с этим устанавливать допустимую продолжительность работы сети с замыканием на землю,

Рис. 28. Включение катушек в нейтраль трансформаторов при различных группах соединения обмоток.
Чтобы дросселирующий эффект не был весьма значительным, мощность трансформатора должна быть не менее чем в 4—5 раз больше мощности дугогасящей катушки. Имелись в виду трехстержневые трансформаторы. Подключение дугогасящих катушек к трансформатору с обмотками звезда — звезда броневого типа совершенно недопустимо. Броневые трансформаторы имеют разветвленную магнитную систему, которая частично закрывает обмотку каждой фазы, как бы «бронируя» ее. Неуравновешенные магнитные потоки каждой фазы замыкаются по стали, минуя масло, воздух и бак трансформатора. Трансформатор для поврежденной фазы как бы делается дросселем со стальным сердечником без воздушных зазоров, и его индуктивное сопротивление очень резко увеличивается по сравнению с индуктивным сопротивлением катушки, сердечник которой выполняется с воздушными зазорами. Поэтому практически все напряжение замкнувшейся на землю фазы ложится на обмотку трансформатора. На катушку падает настолько незначительная часть, что ток уже определяется только весьма большим сопротивлением замкнувшейся фазы трансформатора. Сеть будет работать в режиме, очень близком к режиму с незаземленной нейтралью, и подключение катушки теряет всякий смысл. Точно такие же условия имеют место, если катушку подключить к группе однофазных трансформаторов, соединенных по схеме звезда — незаземленная звезда, или к трехфазному трансформатору звезда—звезда с пятью или четырьмя стержнями.
Дугогасящие катушки следует подключать к трансформаторам, имеющим обмотку, соединенную в треугольник. В сетях обычно устанавливается большое число трехобмоточных трансформаторов, например 110/35/10 (6) кВ. Наличие обмотки 10 или 6 кВ, соединенной в треугольник, делает трехобмоточный трансформатор при компенсации тока в сети 35 кВ совершенно независимым от режима нейтрали звезда — звезда со стороны 110 кВ. При замыкании на землю в сети 35 кВ обмотка, соединенная в треугольник, полностью компенсирует магнитные потоки в сердечниках трансформатора. Неуравновешенный ток замыкается по треугольнику, не выходя во внешнюю сеть.
Помимо конструкции и группы соединений важно соотношение мощностей трансформатора и катушки. Бывают случаи, когда катушка подключается к специально установленному трансформатору, не несущему никакой другой нагрузки. Тогда мощности трансформатора и катушки могут быть одинаковыми, и даже возможно подключение катушки к трансформатору меньшей мощности. Гораздо чаще катушки подключают к нейтралям трансформаторов, питающих нагрузку. При этом в режиме замыкания сети на землю такие трансформаторы дополнительно нагружаются индуктивным током. Отсюда возрастают активные потери в первичной и вторичной обмотках трансформатора, что ведет к дополнительному перегреву. Поскольку допускаемая продолжительность непрерывной работы катушки составляет 2—8 ч в зависимости от номера ответвления, возможный перегрев обмоток трансформатора надо оценивать для такого же времени.
Отсюда определяются предельные соотношения между мощностями трансформатора и катушки. Пусть трансформатор с обмотками треугольник — звезда загружен на т-ую долю номинальной мощности. Тогда при замыкании на землю через фазные обмотки трансформатора будут протекать токи т/т, обусловленные нагрузкой и симметрично сдвинутые относительно друг друга по фазе на 120°, и токи /к/3, одинаково направленные и отстающие на 90° от напряжения на нейтрали. Можно показать, что усредненная нагрузка по току, подсчитываемая как среднеквадратичное значение тока в обмотках, составляет:

Отсюда перегрузка трансформатора

По допустимому коэффициенту перегрузки в зависимости от времени работы с заземленной фазой определяется наименьшая мощность трансформатора, к нейтрали которого может быть подключена катушка мощностью
Номинальная мощность трансформатора, длительно несущего полную нагрузку, должна быть по крайней мере вдвое больше мощности дугогасящей катушки, если допускать перегрузку обмоток на 10% (правилами технической эксплуатации разрешается в течение 6 ч).
По существующему ГОСТ двухобмоточные трансформаторы 35/6—10 кВ выполняются по схеме звезда — треугольник, начиная с мощности 10 000 кВ*А, однако по требованию заказчика нулевая точка обмотки 35 кВ может быть выведена и у трансформаторов на 1 600 и 6 300 кВ-А. Выведенную нулевую точку обмотки 35 кВ имеют все трехобмоточные трансформаторы 110/35/6— 10 кВ.
В сетях 6—10 кВ дугогасящие катушки подсоединяются к нейтралям трансформаторов 6—10/0,23 кВ с соединением обмоток звезда — треугольник. Отечественные заводы выпускают трансформаторы этой группы соединения, допускающие подключение дугогасящих катушек, мощностью 250, 400, 630 кВ • А.

При подключении дугогасящей катушки к трехобмоточному трансформатору с третичной обмоткой, соединенной в треугольник, когда она играет роль только обмотки компенсационной (не несет нагрузки), мощность катушки может быть равной мощности этой обмотки. Компенсационные обмотки к тому же рассчитаны на 30% номинальной мощности трансформатора.
При подключении дугогасящих катушек к нейтралям генераторов оценивается безопасность продолжительной работы (до 2 ч) с дополнительной нагрузкой от катушек. Магнитный поток при замыкании на землю в сети генераторного напряжения замыкается по корпусу через боковые щитки, вал, бочку ротора и воздушный зазор между статором и ротором. Индуктивное сопротивление, соответствующее не- скомпенсированному потоку, невелико, и дросселирующий эффект незначителен.

Рис. 29. Схема трехфазного дугогасящего аппарата.
За рубежом наряду с дугогасящими катушками, включаемыми в нейтрали трансформаторов, применяют трехфазные дугогасительные устройства (трансформаторы Бауха). Принципиально действие такого устройства, представляющего собой комбинацию вспомогательного трансформатора и катушки, ничем не отличается от действия обычной дугогасящей катушки. Первичная обмотка трехфазного дугогасящего аппарата соединяется в звезду с заземленной нейтралью, вторичная обмотка соединена в разомкнутый треугольник, включенный на регулируемый дроссель (рис. 29). При нормальном режиме сети через фазы первичной обмотки аппарата проходят незначительные токи намагничивания (токи холостого хода), и ток через нейтраль практически равен нулю.
Регулируемый дроссель располагается на отдельном сердечнике. Вспомогательный трансформатор имеет сердечник с четырьмя или пятью стержнями, чтобы обеспечить замыкание магнитных потоков компенсации по стали.
При замыкании на землю компенсация емкостного тока и переходные процессы происходят так же, как при однофазной катушке, включенной в нейтраль силового трансформатора.
Недостатки такого устройства по сравнению с однофазной катушкой: наличие постоянных дополнительных потерь (потери холостого хода) и более сложная конструкция аппарата.