Следовательно, трансформаторы с четвертым и пятым стержнями, обмотки которых соединены по схеме «звезда— звезда», представляют собой практически бесконечное сопротивление для токов нулевой последовательности.
В точности то же справедливо и для трансформаторов броневого типа (рис. 30,б), у которых каждый несущий обмотку стержень имеет прилегающий к нему магнитный контур, замкнутый в стали. Если обмотки всех трех фаз навиты в одном и том же направлении, то общий поток проходит прямо через средний стержень, как показано на рис. 30,в. Если средняя катушка навита в обратном направлении (или в том же направлении, но зажимы поменялись местами), путь возврата потока изменяется и каждый поток протекает по своему магнитопроводу. Для такого трансформатора, так же как и для пятистержневого, магнитные условия для трех фаз неодинаковы. Поэтому составляющие тока с нулевым чередованием фаз будут создавать не только напряжения нулевой последовательности, но хотя и в меньшей степени, составляющие напряжения с прямым и обратным порядком следования фаз.
Три отдельных однофазных трансформатора, соединенные между собой по схеме «звезда— звезда», имеют замкнутый в стали магнитный контур для обратного потока нулевой последовательности в каждой фазе (рис. 30,в). Сопротивления холостого хода и нулевой последовательности такой труппы в точности равны между собой.
Рис. 31. Потоки в трансформаторе с обмотками, соединенными по схеме звезда—треугольник, созданные токами нулевой последовательности.
а — путь потока; б — схема замещения в случае, когда обмотка, соединенная а треугольник, расположена на сердечнике: в—схема замещения в случае, когда обмотка, соединенная в треугольник расположена снаружи.
Конструкции, показанные на рис. 29 и 30 а — в, становятся эквивалентными в отношении сопротивления нулевой последовательности, если одну из обмоток соединить в треугольник. Рис. 31 представляет собой типичный пример, являющийся копией рис. 29. Распределение потока, показанное на рис. 29, уже не соответствует измененной конструкции на рис. 31, так как напряжения, индуктирующие три потока в обмотках каждой фазы, имеют одинаковую величину и будут давать в сумме величину, отличную от нуля. Это невозможно в замкнутом контуре, образованном обмоткой, соединенной в треугольник, которая препятствует созданию потока нулевой последовательности. По этой причине ток будет циркулировать в замкнутом треугольнике, создавая м.д.с., способную уравновесить поток, проходящий по пути рассеяния между двумя обмотками (рис. 31, слева). Таким образом, мы пришли к распределению потока, в точности тождественному распределению, возникающему в условиях короткого замыкания. Сопротивление нулевой последовательности трансформаторов с одной обмоткой, соединенной в треугольник, такое же, как сопротивление короткого замыкания. Для многофазной системы любого типа это правило справедливо при соединении, соответствующем треугольнику, т. е. при параллельном соединении в случае двух фаз (однофазная двухпроводная система) и соединении в многоугольник в случае более трех фаз.
Изложенный выше результат не зависит от роли, которую играет треугольник в нормальном режиме. К нему может быть присоединена нагрузка или он может служить в качестве стабилизирующей обмотки.
Сопротивление нулевой последовательности всех трансформаторов с соединением «звезда — звезда» со стабилизирующей обмоткой, соединенной в треугольник, снижается последней до малых значений.
Ограничивает это влияние только расположение обмотки, соединенной в треугольник, по отношению к стержню и другим обмоткам. Если она помещена снаружи от обмотки, соединенной в звезду, поток, созданный последней, может появиться в стержне, но он вынужден возвращаться через узкий зазор между обмотками, так что обмотка, соединенная в треугольник, не пронизывается результирующим потоком. Это полностью аналогично трехфазному короткому замыканию. Однако если обмотка, соединенная в треугольник, расположена непосредственно у стержня, имеют место иные условия. В стержнях теперь не течет поток нулевой последовательности, для которого обмотка, соединенная в треугольник, представляет короткое замыкание. Обмотка, соединенная в звезду, под влиянием тока нулевой последовательности будет в состоянии создать поток в пространстве между обмотками в направлении от нижнего ярма к верхнему, но в стержнях теперь не может протекать поток, так что поток будет замыкаться по некоторому немагнитному пространству, окружающему обмотку, соединенную в звезду. Очевидно, действие обмотки, соединенной в треугольник, сводится к следующему: из двух областей, доступных потоку нулевой последовательности, а именно внутренней (включающей стержни) и внешней (между обмотками и баком), при наличии обмотки, соединенной в треугольник, используется только одна. Внешняя обмотка, соединенная в треугольник, не использует внешней области, заменяя ее зазором между обмотками; внутренняя обмотка заменяет стержни областью между обмотками, оставляя без изменения путь для обратного потока во внешней области. Поскольку стержень обладает ничтожным магнитным сопротивлением в сравнении с немагнитным путем в пространстве между ярмами, суммарное магнитное сопротивление выше в том случае, когда обмотка, соединенная в треугольник, расположена непосредственно у сердечника. Это является причиной более низкого сопротивления нулевой последовательности; действительно, новое сопротивление нулевой последовательности получено параллельным соединением сопротивления короткого замыкания Zse и сопротивления нулевой последовательности Z0, которое имело бы место при отсутствии обмотки, соединенной в треугольник.
Читатель может убедиться в правильности этого положения, рассмотрев составляющие схемы замещения трансформатора. Действительно, тот же результат может быть получен, если представить трансформатор Г-образной схемой замещения, как показано на рис. 31. Сопротивление холостого хода Z0 соединено с последовательным сопротивлением Zsс. В соответствии с тем, к каким вводам подведено напряжение и какие заземлены, результирующее сопротивление составит или Zsc, шунтированное Z0. Может показаться неожиданным то, что схема замещения, использованная для данной цепи, не обычная полная Т- или П-образная схема, но это вполне допустимо из-за того, что в трансформаторах с немагнитным путем для возврата потока поток рассеяния внутренней обмотки очень мал [Л. 17].
Различие между двумя конструкциями обмоток, соединенных в треугольник, не означает того, что предпочтение должно быть отдано более эффективному расположению около сердечника. При Zsc=6% и Z0=60% (базисный ток In на фазу) возможные сопротивления для трансформатора стержневого типа, соединенного в звезду, имеющего обмотку, соединенную в треугольник, составляют соответственно 6 и 5,45%. Во втором случае (обмотка, соединена в треугольник и расположена непосредственно у сердечника) имеют место добавочные потери в баке.
В трансформаторах с замкнутым магнитным контуром для потока нулевой последовательности (рис. 30,а и в) оба расположения соединенных в треугольник обмоток эквивалентны.
Теперь уместно обсудить вопрос о расчете обмоток, соединенных в треугольник. Они должны выдерживать составляющую нулевой последовательности нормальной нагрузки и кратковременных замыканий. Как правило, последнее условие является более жестким.
По третичным обмоткам трансформаторов с соединением обмоток «звезда—звезда» с заземленной нейтралью протекает ток, уравновешивающий одну треть аварийного тока замыкания на землю. Последовательная обмотка автотрансформатора работает в подобных же условиях при наличии одновременно двух замыканий на землю в различных местах. На рис. 32 представлен последний случай. Для большей ясности чертежа шунтовая обмотка, соединенная в звезду, опущена. Токи в последовательной обмотке разложены на симметричные составляющие.
Рис. 32. Распределение тока в последовательной обмотке трехфазного вольтодобавочного трансформатора. Роль балансирующей обмотки, соединенной в треугольник.
Составляющие прямой и обратной последовательностей уравновешиваются шунтовой обмоткой; составляющая нулевой последовательности создает равные по величине и противоположные по направлению н. с. в стабилизирующей обмотке, соединенной в треугольник. Следовательно, последняя должна быть рассчитана на одну треть нагрузки короткого замыкания в последовательной обмотке. То же правило пригодно для трансформаторов с соединением обмоток «звезда — звезда» с глухо заземленной нейтралью, если вспомогательная обмотка, соединенная в треугольник, не используется для питания нагрузки. Если внешние короткие замыкания могут возникнуть на зажимах, обмотка, соединенная в треугольник, должна быть рассчитана на те же нагрузки при коротких замыканиях, что и другие обмотки.
Правильно рассчитанная стабилизирующая обмотка, соединенная в треугольник, является подходящим, действительно необходимым средством для защиты автотрансформаторов [Л. 18 и 19] и других типов последовательно включаемых трансформаторов от перенасыщения составляющими нулевой последовательности тока замыкания на землю.
Другая мера заключается в присоединении нейтрали автотрансформатора к нейтрали близлежащего силового трансформатора (см., например, рис. 34,а) или непосредственно, или с заземлением обеих нейтралей. При отсутствии третичной обмотки (или эквивалентного ей соединения) поток, созданный током нулевой последовательности, протекающим через последовательную обмотку, наводит сравнительно высокое напряжение во всех трех фазах первичной обмотки. Это легко может привести к опрокидыванию нейтрали на основной частоте, а также к эффекту насыщения и появлению высших гармонических. Можно заметить, что третичная обмотка оказывает еще одну услугу. Напряжение третьей гармоники, которое не проявляется в линейном напряжении двухобмоточного трансформатора с обмотками, соединенными по схеме «звезда — звезда», может появиться в напряжениях последовательных обмоток и вызвать циркуляцию токов третьей гармоники между двумя системами, в которых емкости на землю образуют для нее контур. Этого можно избежать с помощью обмотки, соединенной в треугольник, которая подавляет третью гармонику потока. Все эти функции стабилизирующей обмотки, соединенной в треугольник, имеют различные значения для различных типов магнитного контура; для трансформаторов броневого типа и однофазных трансформаторов ее влияние наиболее существенно.
