§ 10. Трехфазный трансформатор
Сердечник 1 с обмотками 2 трехфазного трансформатора с масляным охлаждением (рис. 26) помещен в трубчатый бак 3, заполненный минеральным маслом. На верхней крышке бака расположены выводы обмоток высшего 8 и низшего 9 напряжений, изолированные от крышки бака проходными изоляторами. Минеральным маслом бак заполняется через кран 10. При необходимости масло можно слить из бака при помощи крана 4. Объем масла в баке трансформатора меняется во время его работы. С возрастанием нагрузки повышается температура обмоток и сердечника трансформатора, а значит и минерального масла. Масло при этом расширяется и его объем увеличивается. С уменьшением нагрузки температура и объем масла уменьшаются. Поэтому в некоторых трансформаторах бак заливают маслом не полностью: под его крышкой оставляют достаточное воздушное пространство для расширения масла.
Рис. 26. Устройство трехфазного силового трансформатора
Рис. 27. Размещение обмоток на сердечнике трехфазного трансформатора
Рис. 28. Соединение обмоток по схеме Υ/Υ=0 и векторные диаграммы напряжений
Однако в таких трансформаторах масло плохо защищено от воздействия влажного воздуха, который проникает в бак из окружающей среды. По всей поверхности слой гигроскопичного масла окисляется кислородом воздуха и насыщается влагой. В результате резко уменьшается электрическая прочность масла, сокращается срок его действия. Чтобы защитить масло от соприкосновения с воздухом, мощные трансформаторы снабжаются расширителем 6. Это дополнительный резервуар в форме цилиндра, который соединяется с баком трансформатора трубопроводом. Масло заполняет весь бак и часть расширителя. Масло в расширителе имеет более низкую температуру, чем в баке, и соприкасается с воздухом меньшей поверхностью. Поэтому оно меньше окисляется и дольше сохраняет свои изоляционные свойства. Расширитель снабжается указателем уровня масла, грязеотстойником с краном для удаления влаги и осадков и трубкой для всасывания и вытеснения воздуха.
При работе трансформатора внутри бака могут образоваться газы. Для предупреждения деформации бака от выделяющихся газов трансформаторы большой мощности снабжаются выхлопной трубой 7 и газовым реле 5. Выхлопная труба снабжается специальной мембраной. При большом скоплении газы выдавливают ее и выходят наружу. Газовое реле автоматически отключает трансформатор от источника электроэнергии при значительном выделении газов.
На трехстержневом сердечнике трансформатора (рис. 27) размещаются обмотки высшего и низшего напряжений. Начала обмоток высшего напряжения обозначаются буквами A, В, С, концы — X, Υ, Ζ. Аналогично, но малыми буквами обозначаются обмотки низшего напряжения: начала обмоток — а, b, с, концы — x, у, z.
На каждом стержне сердечника размещают обмотки высшего и низшего напряжений, принадлежащие одной фазе. Фазовые обмотки одного напряжения соединяются звездой или треугольником. В соответствии с этим приняты следующие стандартные группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов: звезда/звезда с выведенной нулевой точкой (Υ/Ψ — 0); звезда/треугольник (Υ/Δ— 11); звезда с выведенной нулевой точкой — треугольник (Ψ/Δ—11); треугольник/ звезда с выведенной нулевой точкой (Δ/Ψ — 11). Рассмотрим первую стандартную группу.
Обмотки первой фазы А-Х и а-х наматываются в одном направлении (рис. 28, а). Поэтому напряжения Ua и Ua этих обмоток совпадают по фазе. По этой же причине совпадают по фазе напряжения Ub и Ub, а также напряжения Uc и Uc. При указанном соединении обмоток совпадут по фазе и соответствующие линейные напряжения: Uab и Uab, Uвс и Ubc,UcA и Uca (рис. 28, б). Отсутствие углового смещения между одноименными линейными напряжениями обмоток высшего и низшего напряжений отражается в названии этой группы (нулевая).
Название группы зависит от разности фаз между указанными линейными напряжениями и определяется при помощи циферблата часов. Для этого минутную стрелку часов условно принимают за вектор высшего линейного напряжения и устанавливают на число 12. Часовую стрелку совмещают с вектором линейного низшего напряжения. На циферблате часов эта стрелка установится против числа, которое и определит группу трансформатора. В рассматриваемом способе соединения линейное высшее напряжение совпадает по фазе с линейным низшим напряжением. Поэтому часовая стрелка, как и минутная, установится против числа 12. Такая группа соединения обмоток называется нулевой (нуль часов).
Во второй стандартной схеме (Υ/Λ — 11) первичные обмотки соединяются звездой, а вторичные — треугольником (рис. 29, а). Фазные напряжения обмоток высшего напряжения совпадают по фазе с соответствующими фазными напряжениями обмоток низшего напряжения (рис. 29, б). Однако линейные напряжения этих обмоток окажутся сдвинутыми по фазе. Вектор низшего линейного напряжения Uab образует с вектором высшего линейного напряжения Uab угол 330°. Если минутную стрелку часов совместить с вектором напряжения Uab и установить на число 12, то часовая стрелка, совмещенная с вектором напряжения Uab, установится на числе 11. Следовательно, трансформатор с таким соединением обмоток относится к 11-й группе.
Из изложенного следует, что группа трансформатора выражает угловое смещение между линейными высшим и низшим напряжениями в условных единицах, равных 30°. В группе 0 это смещение равно 0°, в группе 11 — 330°. На щитке трехфазного трансформатора указывается: схема и группа соединения обмоток; номинальные высшее и низшее напряжения (В или кВ); номинальная полная мощность (В · А или кВ · A); линейные токи при номинальной мощности (А или кА); частота и способ охлаждения.
Рис. 29. Соединение обмоток по схеме Υ/Δ—11 и векторные диаграммы напряжений
Если два трансформатора имеют одинаковые номинальные данные и одинаковую группу для увеличения тока, их можно включать на параллельную работу. Вторичные напряжения таких трансформаторов будут смещены относительно первичного напряжения на один и тот же угол. В результате этого вторичная э.д.с. одного трансформатора в любой момент времени будет равна вторичной э.д.с. другого. Если трансформаторы имеют разные группы, то их вторичные напряжения не будут совпадать по фазе. Так, если один трансформатор имеет группу 0, а другой — группу 11, их вторичные напряжения будут сдвинуты на угол 30°. При параллельном включении между такими трансформаторами возникнут уравнительные токи, которые разрушат их обмотки.
Трехфазные трансформаторы применяются на трансформаторных подстанциях, в мощных выпрямительных устройствах, питающих различную аппаратуру связи.