Содержание материала

Анализ должен быть основан на распределении потока, созданного токораспределением нулевой последовательности [Л. 16, 20]. По трем обмоткам протекают токи, одинаковые по величине и по фазе. Предполагается, что фазы полностью симметричны за исключением случаев, когда будет рассмотрено влияние небольшой несимметрии.

Трансформатор стержневого типа с соединением обмоток «звезда — звезда».

На рис. 29 показан стальной сердечник с тремя катушками, создающими поток нулевой последовательности вследствие того, что по ним протекают равные токи. Поскольку м. д. с. и потоки в сердечниках равны по величине и направлению, ни одна из частей стального сердечника не может служить обратным путем для потоков. Единственно доступным является путь по воздуху или, вернее, через масло. Он обладает малой магнитной проницаемостью, хотя и большой площадью поперечного сечения, занимая все пространство между баком и сердечником. Кроме того, сам бак шунтирует часть контура обратного потока. В целом магнитная цепь имеет значительно более высокое сопротивление, чем в случае обычного трехфазного потока, замыкающегося целиком в стальном сердечнике. С другой стороны, поток, созданный составляющей нулевой последовательности, находится в более благоприятных условиях, чем поток рассеяния, вызванный током короткого замыкания, так как последний сосредоточен в узком зазоре между двумя обмотками. Можно заключить, что величина сопротивления нулевой последовательности лежит где-то между сопротивлением холостого хода и сопротивлением короткого замыкания. Прежде чем определять его более точно, следует подробнее рассмотреть путь, по которому замыкается магнитный поток.


Рис/ 29. Поток между ярмами в трансформаторе стержневого типа с соединением обмоток в звезду, созданный током нулевой последовательности.

Проблема магнитного потока нулевой последовательности имеет место и в нормальном трехфазном режиме. Ток намагничивания обычно содержит третью гармонику, и если обмотки соединены в звезду, поток также содержит третью гармонику. Поскольку составляющие основной частоты трех потоков имеют сдвиги по фазе 120 и 240°, то составляющие третьей гармоники одинаковы по величине и совпадают по фазе. Следовательно, в трансформаторах стержневого типа с соединением обмоток «звезда—звезда» нормальный трехфазный поток сопровождается потоком нулевой последовательности с тройной промышленной частотой. Этот паразитный эффект может вызвать значительные добавочные потери в корпусе и стенках бака.

Чтобы ослабить третью гармонику потока, некоторые изготовители трансформаторов применяют демпфирующие кольца, которые окружают ярма трансформаторов с соединением обмоток «звезда — звезда», как показано пунктиром на рис. 29. Магнитные силовые линии ограничены пространством между верхним и нижним кольцами (начинаются в сердечнике и возвращаются в него). Очевидно, что демпфирующие кольца, хотя они предусмотрены для подавления третьей гармоники в нормальном трехфазном потоке, влияют на составляющие нулевой последовательности.
Сначала рассмотрим трансформаторы без демпфирующих колец. Можно определить поток между ярмами с удовлетворительной точностью. Задача может быть упрощена, если рассматривать поток между двумя железными стержнями находящимся на таком же расстоянии и имеющим такую же геометрическую форму, как ярма. Может показаться, что от включения в рассмотрение пространства, занятого стержнями, поле между двумя ярмами изменится. Но эта надбавка уравновесится тем, что мы не учитываем силовых линий, которые исходят из концов стержней. Поле длинного прямоугольного железного бруска можно определить достаточно просто, если заменить его эквивалентным продолговатым сфероидом. Если 2 а — полная длина ярма, 2 b — его диаметр, топредставляет собой половину расстояния между фокусами. Если обозначить через h расстояние между осями ярм, мы получим для магнитного сопротивления выражение с точностью до числового коэффициента.
Если сердечник снабжен демпфирующими кольцами, ярма не являются источниками магнитных силовых линий. Магнитодвижущая сила нарастает по длине стержня по линейному закону в зависимости от расстояния от плоскости, расположенной симметрично между ярмами. Однако длина стержня несущественна. Действительно, эффективная поверхность, из которой берут начало силовые линии, растет пропорционально длине, но также растет и магнитное сопротивление. Это объясняет, почему поле, создаваемое составляющей тока нулевой последовательности, определяется в основном диаметром d стержня (в сантиметрах). Таким образом, новая формула для напряжения нулевой последовательности имеет вид:
(50)
Для практического применения необходимо знать сопротивление нулевой последовательности стержней трансформатора вместе с бакам. Было обнаружено, что наличие бака не увеличивает магнитной проницаемости.

Более того, проницаемость даже несколько снижается из-за вихревых токов, а также токов, возникающих в стенках бака и вытесняющих поток во внешнее пространство. Степень снижения проницаемости определяется величиной коэффициента а, представляющего собой отношение радиуса сердечника к среднему расстоянию между стенками бака и центром стрежня. Опыты дают значения коэффициента снижения:
1—0,8 а— для трансформаторов без амортизирующих колец;
1—0,7 а — для трансформаторов с амортизирующими кольцами.
Числовые значения коэффициента снижения лежат соответственно в пределах 0,7—0,85 и 0,65-0,81.
В табл. 2 приведено сравнение экспериментальных данных с расчетными для трансформаторов в баках. Она показывает, что принятый метод дает достаточную точность.
Каждое демпфирующее кольцо несет 15— 30% всех ампер-витков (произведение тока стержня на число витков) нулевого следования фаз. При номинальной мощности трансформаторов более 10000  кВА влияние колец на сопротивление нулевой последовательности постепенно исчезает.
Дугогасительные катушки, устанавливаемые в нейтралях трансформаторов, с соединением «звезда—звезда», которые будут рассмотрены ниже (см. § 8 гл. 5), ограничены по мощности по двум причинам: ток катушки не должен превосходить 60% номинального тока 1„ трансформатора и падение напряжения нулевой последовательности, вызванное протеканием тока катушки по обмоткам трансформатора, не должно превышать 10% фазного напряжения системы. Причиной этого является особое распределение температуры, вызванное потерями в баке и концентрацией потерь в меди на одном из стержней.

Таблица 2

Дополнительные потери, создаваемые составляющими тока нулевой последовательности, обычно достигают 32—45% мощности нулевой последовательности, потребляемой данным трансформатором. Только в том случае, если сопротивление нулевой последовательности очень мало, эта цифра может превысить 50%. Эти потери выделяются в баке трансформатора и демпфирующих кольцах, если они есть. В последнем случае потери составляют около 37,5% реактивной мощности нулевой последовательности, потребляемой трансформатором. Значения выше 50%; встречаются редко. В табл. 3 представлены измеренные значения потерь (трансформатор в баке).

Таблица 3.


Номинальная мощность трансформатора.  кВА

Потери, связанные с составляющей нулевой последовательности, выраженные в процентах реактивной мощности, потребляемой трансформатором

без амортизирующих колец

с амортизирующими кольцами

1 100

32,5

37,5

2 000

__

37,0

3 300

42,0

39,5

4 000

53,5

50,5

6 000

45,0

36,0

11 000

37,0

37,5

Пятистержневые трансформаторы с соединением обмоток «звезда — звезда». Однофазные трансформаторы

Из рис. 30,а видно, что разность магнитных потенциалов, созданная в трех главных стержнях, вызывает значительный магнитный поток, замыкающийся по четвертому и пятому стержням. Поэтому реактивное сопротивление нулевой последовательности будет иметь величину такого же порядка, как сопротивление холостого хода.


Рис. 30. Трехфазные трансформаторы, в которых магнитный поток нулевой последовательности замыкается через железо.
а — пятистержневой трансформатор; б— трансформатор броневого типа; в — группа однофазных трансформаторов.