Симметрирующий трансформатор что это такое

Симметрирующий трансформатор что это такое

Анатолий Сердешнов, к.т.н., Иван Протосовицкий, к.т.н., Юрий Леус, Петр Шумра, БАТУ, г. Минск, Беларусь

В четырехпроводных электрических сетях 0,4 кВ России и других стран СНГ в основном используются трансформаторы со схемой соединения обмоток «звезда–звезда–ноль» (Y/Y_н). Однако эти самые дешевые в изготовлении, трансформаторы в эксплуатации экономичны лишь при симметричной нагрузке фаз. Реально же в сетях с большим удельным весом однофазных нагрузок равномерность их подключения во времени пофазно нарушается и потери электрической энергии в таких трансформаторах и линиях резко возрастают. Лучше ситуация при применении трансформаторов со схемой «звезда–зигзаг–ноль» (Y/Z_н), но они значительно дороже.
Потери короткого замыкания P_к трансформатора Y/Y_н зависят от величины тока в нулевом проводе и с его увеличением резко растут. Этот рост обусловлен появлением потоков нулевой последовательности (F₀) в магнитных системах трехфазных трансформаторов Y/Y_н, создаваемых токами небаланса I_нб (равными 3I0), протекающими в нулевом проводе сети. F₀ носят характер потоков рассеяния, аналогичных потокам короткого замыкания Fкз, но по величине они значительно больше, о чем, в частности, позволяют судить соотношения полных сопротивлений Z₀ и Z_кз. Экспериментальные данные показывают, что Z₀ больше Z_кз в 5 – 8 раз, а для некоторых конструкций трансформаторов – в 12 и более раз.
Отсюда неизбежным последствием неравномерности нагрузки фаз в сетях с трансформаторами Y/Y_н является резкое искажение системы фазных напряжений (на практике это называют смещением нулевой точки). Как результат – увеличение потерь и в линиях 0,4 кВ.
Искажение фазных напряжений в реальных условиях эксплуатации нередко вызывает их отклонение, уже на низковольтных вводах трансформатора значительно превышающее нормы ГОСТ. В конце линий, по данным исследований, это отклонение напряжений приблизительно в два раза больше. При указанном качестве питания потребителей повышение в них уровня потерь электроэнергии и отказов в работе вполне естественно. К сожалению, до настоящего времени целенаправленных работ по данным вопросам проводилось недостаточно, хотя, как показывает практика, экономический урон от искажения напряжений у потребителей огромен.
Завышение установленной мощности трансформаторов Y/Y_н сверх требуемой по расчету (для понижения несимметрии напряжения) дает незначительный эффект, но вместе с тем при этом резко повышается уровень потерь электроэнергии в сети. Кроме того, токи нулевой последовательности при несимметрии нагрузки в магнитной системе трансформатора Y/Y_н создают потоки нулевой последовательности, которые, замыкаясь через его бак, дно, крышку, разогревают их, ухудшая охлаждение активной части. Это повышает температуру изоляции обмоток сверх нормы, и трансформатор, при суммарной нагрузке ниже номинальной, оказывается перегруженным. Такое положение объективно вызывает необходимость увеличения номинальной мощности трансформатора на одну, а иной раз на две ступени больше расчетной со всеми вытекающими последствиями.

Трансформатор плюс СУ
Для устранения указанных недостатков разработано и всё более активно начинает применяться специальное симметрирующее устройство (СУ), которое встраивается в трансформатор со схемой Y/Y_н.
Симметрирующее устройство представляет собой отдельную обмотку, уложенную в виде бандажа поверх обмоток высокого напряжения трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y_н (рис. 1). Обмотка симметрирующего устройства рассчитана на длительное протекание номинального тока трансформатора, т.е. на полную номинальную однофазную нагрузку.

1. Трехстержневой магнитопровод трехфазного трансформатора.
2. Обмотки высокого напряжения.
3. Обмотки низкого напряжения.
4. Обмотка из компенсационных витков.
5. Дистанционные клинья.
6. Конец компенсационной обмотки, подключаемой к нейтрали обмоток низкого напряжения.
7. Конец компенсационной обмотки, который выводится наружу.

Обмотка симметрирующего устройства включена в рассечку нулевого провода трансформатора Y/Y_н из расчета на то, что при несимметричной нагрузке и появлении тока в нулевом проводе создаваемые в магнитопроводе потоки нулевой последовательности в рабочих обмотках Fор трансформатора Y/Y_н полностью компенсируются противоположно направленными потоками нулевой последовательности Fок от симметрирующего устройства. Тем самым в конечном счете предотвращается перекос фазных напряжений.
На рис.2 показаны зависимости потерь короткого замыкания P_к трансформатора ТМ 100/10 от величины тока в нулевом проводе при lb =lc= I_н и I_а= от ноля до I_н при различных схемах соединения обмоток. Энергетические характеристики трансформаторов Y/Y_н (потери короткого замыкания, холостого хода и др.) от наложения симметрирующего устройства практически не меняются, но при этом значительно сокращаются потери электроэнергии в сети. Система фазных напряжений при неравномерной нагрузке фаз симметрируется так же, как и при схеме соединения обмоток Y/Z_н.

Рис. 2
Зависимость потерь короткого замыкания трансформатора ТМ 100/10 от схем соединения обмоток и величины тока в нулевом проводе (3I0 ):
1 – трансформатор Y/Y_н;
2 – трансформатор Y/Z_н;
З – трансформатор Y/Y_н с СУ.

У некоторых специалистов возникало опасение, что при протекании значительного тока нулевой последовательности через дополнительную обмотку, включенную в нейтраль стороны НН, возникнет значительное напряжение на нейтрали НН и, как следствие, повышение напряжения на фазах. Расчеты и эксперименты показали, что напряжение на обмотке компенсационных витков трансформатора с симметрирующим устройством при токе в нулевом проводе, равном номинальному, достигает величины номинального фазного напряжения и уравновешивает на нейтрали обмоток низкого напряжения электродвижущую силу нулевой последовательности от рабочих обмоток до нулевого значения. Конечно, при условии правильного согласования витков рабочих обмоток и компенсационных.
Разработанная конструкция значительно снижает сопротивление нулевой последовательности силового трансформатора. Это означает существенное увеличение токов однофазного короткого замыкания и является одним из достоинств трансформаторов Y/Y_н с СУ, так как обеспечивает легкую и надежную наладку релейной защиты и ее четкую работу при КЗ. Кроме того, разрушающее воздействие увеличенного тока однофазного КЗ на обмотки трансформатора Y/Y_н с СУ значительно ниже, чем от тока КЗ при отсутствии компенсационной обмотки, так как мощный несимметричный разрушающий поток нулевой последовательности полностью компенсируется.

Об экономической эффективности
Проведенный анализ сетей Республики Беларусь позволил определить среднестатистическую сеть 0,4 кВ. Она имеет следующие параметры: мощность трансформатора – 100 кВА (с учетом коммунально-бытовых потребителей в городах и городских поселках); длина линии – 0,8 км; количество линий на одной ТП – 2,5; сечение провода линии – 35 мм2. Нагрузка линий 0,4 кВ принята пропорциональной мощности трансформатора, от которого она запитана, и считалась равномерно распределенной по всей длине линии. Время использования максимума нагрузки в году – 2000 часов. Величина тока в нулевом проводе 0,25 от номинального фазного.
Расчеты дополнительных потерь электрической энергии за счет несимметрии нагрузки были выполнены «Белэнергосетьпроектом» (г. Минск) по известным формулам с применением метода симметричных составляющих. Они производились в зависимости от величины тока в нулевом проводе, значение которого изменялось от 0 до 0,5 номинального фазного для трансформаторов мощностью от 25 до 250 кВА. Сечение нулевого провода принималось равным сечению фазных проводов.
Результаты расчетов приведены в табл. 1 (S_н – номинальная мощность трансформатора, кВА; I_нб – ток в нулевом проводе (в относительных единицах); P_к – потери короткого замыкания, Вт; D Р_л – дополнительные потери электроэнергии в линиях сети с трансформаторами Y/Y_н, Y/Z_н по сравнению с сетью с трансформаторами Y/Y_н с СУ; Q – годовая экономия электроэнергии в сетях с трансформаторами Y/Y_н с СУ по сравнению с сетями с трансформаторами Y/Y_н, Y/Z_н).

Табл. 1 Расчеты потерь электроэнергии в трансформаторах за счет несимметрии нагрузки

• отсутствие дополнительного нагрева бака потоками F₀;
• повышение устойчивости к однофазным токам КЗ;
• надежность работы защиты и пр.

Табл. 2 Срок окупаемости трансформатора Y/Y_н с СУ, лет

Из таблицы следует, что при среднестатистическом токе в нулевом проводе 0,25 от номинального фазного симметрирующая обмотка только у трансформаторов S_н = 25 кВА окупается в срок 2 года и у S_н = 40 кВА в срок 1 год, для всех остальных мощностей окупаемость менее года.
Трансформаторы в среднем работают около 40 лет, поэтому несложно определить итоговую прибыль предприятия, установившего в сетях 0,4 кВ с несимметричной нагрузкой фаз трансформаторы со схемой соединения обмоток Y/Y_н с СУ. Причем значительный экономический эффект получается только за счет сокращения ничем не оправданных потерь электроэнергии в линиях и трансформаторах.

экспертное мнение

Сергей Сергеевич Кустов, заведующий лабораторией надежности электроснабжения ОАО «РОСЭП»:

В статье белорусских специалистов затрагивается проблема потерь электроэнергии – довольно болезненная для российской энергетики. Основные потери у нас приходятся на сети 0,4 кВ. Несмотря на довольно короткие фидеры, огромные потери здесь образуются за счет несимметрии, вызванной большим количеством однофазных потребителей.
Повсеместно работающие трансформаторы со схемой «звезда–звезда–ноль» имеют собственные достаточно ощутимые потери. Мало того, в случае несимметрии сети 0,4 кВ они создают еще большую дополнительную несимметрию. Установка трансформаторов со схемами «звезда–зигзаг–ноль» или «треугольник» решает эту проблему, однако такое оборудование существенно дороже, поэтому широко не применяется.
Значительно улучшить ситуацию при относительно небольших финансовых вложениях поможет использование симметрирующих устройств. Пример тому – Беларусь, в которой накоплен большой положительный опыт эксплуатации трансформаторов с этими устройствами.
В свое время в руководящих указаниях по проектированию (РУМ) наш институт рекомендовал российским энергетикам применять симметрирующие устройства, о которых пишут белорусские коллеги. К сожалению, ни эти устройства, ни подобные им до сих пор не находят массового спроса и не производятся в нашей стране. При этом их установку вполне можно наладить на любом предприятии, занимающемся ремонтом трансформаторного оборудования. Более того, не обязательно покупать в Беларуси готовые симметрирующие устройства, достаточно приобрести технологию и наладить в России их не слишком сложное производство.
Причина равнодушного отношения к столь важной задаче заключается, на мой взгляд, в том, что до последнего времени в России никому не было дела до потерь электроэнергии, реально за них никто не отвечал, поэтому и решением этого вопроса никто не занимался. Экономическая же выгода от применения симметрирующих устройств очевидна. Их внедрение в российских сетях 0,4 кВ может стать одним из первоочередных шагов на пути реального снижения потерь электроэнергии.

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Симметрирующие трансформаторы: что это такое

Симметрирующие трансформаторы являются важной частью современных электрических систем и играют ключевую роль в обеспечении стабильности и надежности электроэнергетических сетей. Они обеспечивают симметрию напряжений и токов, что позволяет улучшить качество электрической энергии, предотвращая сбои и повышая эффективность системы.

Основы работы симметрирующих трансформаторов

Симметрирующий трансформатор — это тип трансформатора, который используется для уравнивания или симметризации напряжений и токов в электрических системах. Он состоит из двух обмоток, каждая из которых связана с одной из трех фаз системы переменного тока. Одна обмотка называется «положительной», а другая — «отрицательной». Главная цель симметрирующего трансформатора — поддерживать баланс напряжений между фазами и минимизировать небаланс токов.

Значение в современной электроэнергетике

Поддержание симметрии напряжений: Одной из главных функций симметрирующих трансформаторов является поддержание симметрии напряжений между фазами. Это важно для стабильной работы оборудования, подключенного к системе, и предотвращения перенапряжений, которые могут привести к повреждениям и выходу из строя оборудования.

Управление небалансами токов: Небалансы токов могут возникнуть из-за неравномерной нагрузки или других факторов. Симметрирующие трансформаторы позволяют уравновесить токи, минимизируя негативное воздействие небалансов на систему и улучшая эффективность передачи энергии.

Снижение потерь энергии: Благодаря симметризации напряжений и токов симметрирующие трансформаторы помогают снизить потери энергии в электрической сети. Это способствует экономии ресурсов и снижению негативного воздействия на окружающую среду.

Поддержание качества электроэнергии: Симметрирующие трансформаторы помогают поддерживать высокое качество электроэнергии, предотвращая колебания напряжения и частоты. Это важно для нормальной работы электронного оборудования и минимизации риска сбоев.

Применение симметрирующих трансформаторов

Электроэнергетика: Они применяются в электроэнергетических подстанциях для стабилизации напряжения и симметризации токов, что позволяет эффективно передавать энергию на дальние расстояния.

Промышленность: В промышленных предприятиях симметрирующие трансформаторы используются для поддержания стабильности внутренних сетей и обеспечения нормальной работы оборудования.

Обновляемая энергетика: При интеграции возобновляемых источников энергии, таких как солнечные батареи и ветрогенераторы, симметрирующие трансформаторы помогают уравнять переменные выходы этих источников, обеспечивая стабильность в сети.

Транспорт: В системах электрической тяги, таких как электрические поезда и трамваи, симметрирующие трансформаторы используются для поддержания стабильных напряжений и обеспечения плавного движения.

Симметрирующие трансформаторы являются важной составной частью современных электрических систем. Они обеспечивают симметрию напряжений и токов, что способствует стабильности, эффективности и надежности работы электроэнергетических сетей. Симметрирующие трансформаторы играют ключевую роль в поддержании качества электроэнергии, управлении небалансами токов и снижении потерь энергии.

• Преимущества полусухой стяжки пола
• Арматура для фундамента
• Мебель из искусственного ротанга
• Виды цельностеклянных дверей
• Радиографический контроль: что нужно знать
• Парная в русской бане: материалы и особенности отделки
• Почему выбирают клинкерный облицовочный кирпич
• Особенности и преимущества матовых натяжных потолков
• Каркасные дома под ключ: современное решение для комфортного проживания
• Почему стоит выбрать биокамин для квартиры

Трансформаторы симметрирующие трехфазные (380В)



Симметрирующий трансформатор — это электромагнитное устройство состоящее из нескольких обмоток на магнитопроводе, преобразующее переменный ток посредством электромагнитной индукции.

Трехфазный симметрирующий трансформатор серии ТСТ предназначен для создания устойчивой нулевой точки в трехфазной сети, для выравнивания токов по фазам и симметрирования фазных напряжений в питающей сети 380В, частотой 50 Гц (устранения перекосов фазных напряжений из-за не симметрии токов нагрузок по фазам, в т. ч. в динамических режимах работы), при наличии однофазных нагрузок большой мощности (электродвигатели для погружных насосов, кондиционеры, копировально-множительная техника, компьютеры и другое высокочастотное оборудование).

Трансформатор симметрирующий ТСТ предназначен для работы и от электросети и может работать с различными автономными источниками электропитания такие, как бензиновые, дизельные, газовые электростанции.
Трансформатор служит для устранения перекоса напряжений. Он равномерно распределяет всю нагрузку между фазами.
Это нужно для энергосбережения. Возможно уменьшить потребляемую электроэнергию за счет симметричной нагрузки на фазы.
Уменьшение расходов на топливо для электростанций, необходимых для получения электроэнергии, благодаря равномерному распределению нагрузки по фазам.

Симметрирующие трансформаторы (ТСТ) подключают между входным источником (Государственная электросеть или автономный источник электроэнергии) и потребителями.

Возможно изготовление симметрирующих трансформаторов на заказ необходимой Вам мощности, в корпусе с более высоким IP (степень защиты оболочки), установка дополнительных измерительных приборов.

Симметрирующий трансформатор. Устройство и работа. Применение



В идеале напряжение в трехфазной сети между каждой из фаз и нулевым проводником равно 220 В. Но, при подключении к фазам сети разных потребителей, которые различаются по величине и характеру, появляется перекос фаз.

Симметрирующий трансформатор

Если бы при подключении нагрузок обеспечивалось равенство сопротивлений потребителей, то и проходящие через них токи были бы одинаковыми. В результате того, что токи на фазах не равны, в нулевом проводнике появляется уравнительный ток и напряжение смещения.

Напряжения на фазах изменяются между собой, и возникает перекос фаз, следствием которого становится повышение расхода электрической энергии и неправильное функционирование потребителей, которое приводит к отказам, сбоям и быстрому износу изоляции.

Для трехфазных автономных источников энергии перекос фаз может привести к разным неисправностям механизмов. В результате может возрасти расход топлива и масла на приводном двигателе, а также жидкости для охлаждения генератора. Эти неисправности приводят к повышению расходов на электричество, расходные материалы.

Не всегда, получается, рассчитать токи потребителей на фазах, чтобы выровнять их напряжения. Поэтому для предотвращения отрицательных последствий используют симметрирующий трансформатор, который выравнивает напряжения на фазах.

Устройство и принцип работы

Симметрирующий трансформатор монтируется в стационарном исполнении. Выводы к нагрузке и сети обычно размещены на нижней панели. Для намотки катушек трансформатора используют только медные провода. Обмотки имеют гальваническую развязку, то есть, не имеют между собой электрического соединения. На входе в устройство устанавливается электрический автомат, позволяющий обеспечить защиту трансформатора от короткого замыкания и чрезмерных нагрузок. Трансформатор имеет индикаторы присутствия напряжения на выходе.

Первичная и вторичная обмотки трехфазного трансформатора соединены по схеме звезды. В них включена вспомогательная симметрирующая обмотка, охватывающая первичную высоковольтную обмотку трансформатора. Эта обмотка спроектирована таким образом, чтобы она могла выдержать продолжительный ток нагрузки трансформатора при работе в номинальном режиме на одной фазе. Вспомогательная симметрирующая обмотка включена в разрыв нулевого проводника трансформатора.

При появлении уравнительного тока в нулевом проводнике вследствие несимметричной нагрузки, магнитные потоки обмоток в магнитопроводе компенсируются противоположными потоками вспомогательной обмотки. В итоге перекос напряжений на фазах полностью исчезает.

Схема подключения обмоток для выравнивания фаз изображена на рисунке.



Энергетические параметры симметрирующих трансформаторов ввиду добавления вспомогательной обмотки практически не изменяются, однако заметно уменьшаются потери электрической энергии в сети. При возникновении перекоса напряжений на фазах происходит их выравнивание.

Эксперименты и исследования ученых показали, что при соответствующем расчете числа витков рабочих и вспомогательной обмоток, напряжение на вспомогательной обмотке трансформатора при номинальном токе в нулевом проводнике становится равным фазному напряжению. При этом симметрирующая обмотка выравнивает электродвижущую силу до нулевой величины.

Симметрирующий трансформатор значительно уменьшает сопротивление нулевой последовательности трансформатора. Это позволяет значительно повысить ток короткого замыкания на фазе, что стало основным достоинством симметрирующих устройств, из-за легкой и надежной регулировки релейной защиты и ее работы при коротком замыкании.

Разрушающее действие повышенного тока короткого замыкания, возникшего на одной фазе, такого выравнивающего трансформатора намного ниже, в отличие от тока короткого замыкания при отсутствии компенсирующей обмотки, так как этот разрушительный несимметричный поток полностью компенсируется.

Если рассмотреть, как работает симметрирующий трансформатор при подключении несимметричной нагрузки на одну фазу, то видно, что максимальная нагрузка на фазу равна третьей части от трехфазной мощности источника энергии.

После включения мощной нагрузки на одну фазу возникает перекос фаз, поэтому возрастает вероятность выхода из строя подключенных к источнику потребителей нагрузки. Если мощность потребителей возрастет на треть от мощности источника, то трансформатор может выйти из строя.



На рисунке видно, что максимальная нагрузка на фазу может быть равной половине трехфазной мощности источника. Однако, источник будет воспринимать нагрузку, распределенную равномерно по всем фазам.

Применение симметрирующего трансформатора позволяет снизить мощность генератора, при этом к нему будут подключены такие же по мощности приемники, как и без дополнительной обмотки. Для источника электричества нагрузка будет распределенной по фазам равномерным образом.

Как используется симметрирующий трансформатор

Такое устройство широко используется в различных областях:

• В работе жилищно-коммунального хозяйства.
• На садовых и дачных участках.
• В промышленном производстве на станках с программным управлением.
• В военной технике.

Симметрирующие трансформаторы располагают между потребителями нагрузки и источником электрической энергии.

Виды схем

• Симметрирующий прибор с 3-фазным трансформатором включает три обмотки. Вторая обмотка соединена с четвертой по последовательной схеме, а со второй на других магнитопроводах зигзагообразно. Общее количество витков 1-й и 3-й обмотки такое же, как во 2-й обмотке. Эффективное функционирование симметрирующего устройства создается с помощью уменьшения сопротивления протекающим токам нулевой последовательности. Это намного повышает надежность функционирования при возникновении аварии. Между нулевым выводом N2 и N1 в схему подключены тиристорные ключи (6,7), сопротивление (10) и стабилитроны (8,9) для подсоединения фазных нагрузок.



• Эта схема состоит из:
  — магнитопровод 1, состоящий из трех стержней;
  — первичная трехфазная симметричная обмотка 2 с сетевым питанием;
  — вторичная обмотка 3, подключенная тремя лучами зигзага.Особенностью такой схемы является отсутствие тока нулевой последовательности во время любых режимов. Симметрирующий трансформатор наиболее надежен и прост в устройстве.



Симметрирующие устройства могут снижать потери электроэнергии путем падения амплитуд колебаний, падения сопротивления, что увеличивает ресурс работы источников энергии в сетях, в которых возникли перекосы фаз. Такие устройства служат для увеличения надежности работы автономных бензиновых генераторов и различных потребителей энергии при перекосах фаз. Подобные устройства позволяют рационально использовать электростанции с небольшой мощностью.

Похожие темы:

• Измерительные трансформаторы напряжения
• Переключатель фаз. Виды и работа. Применение и как выбрать
• Реле напряжения. Принцип действия, виды, применения
• Фазовращатели. Виды и применение. Работа и особенности
• Дифференциальные трансформаторы (ДТ). Виды и особенности
• Ограничители мощности. Виды и применение. Особенности
• Фазоповоротные трансформаторы (ФТ). Устройство и работа
• Линейный трансформатор (ЛТ). Устройство и работа. Применение
Похожие публикации:
1. Как выбрать теплоту лампочек светодиодных
2. Как выкрутить лопнувшую лампочку из патрона
3. Куда жаловаться на перебои в электроснабжении
4. Что называют индукционным током 9 класс