Симметрирующие трансформаторы

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. 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.

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.

Несимметрией токов и напряжений в электротехнике называется появление в 3-фазной сети неравномерности амплитуд фазных токов и углов меж ними. Такая несимметрия может возникнуть при неравномерной межфазной нагрузке.

Например, при соединении обмоток по типу звезда и четырёхпроводном питании, возможны такие последствия несимметрии, как:

• обрыв «нуля». При этом линейное напряжение не меняется, а фазовые напряжения перераспределяются в прямой пропорциональности от электрического сопротивления нагрузки. При протекании тока по нулевой жиле разбалансировки не происходит (у каждого потребителя напряжение будет равно 220 В). Как только случается обрыв «нуля» по причине неравномерности, потребители могут выйти из строя;
• короткое замыкание «фазы на нуль». Напряжение между другими фазами и нулем вырастает. И по идее должен отключить цепь защитный автомат. Исход зависит от сопротивления проводов и самого трансформатора.

Что происходит при перекосе фаз?

Данное явление получается из-за нагрузочной неравномерности фаз. Происходит увеличение токов и падение напряжения, компенсирующегося другими фазами. При этом на остальных фазах возрастает напряжение, что плохо влияет на потребителей.

Самым энергоэффективным способом исправления перекоса фаз считается использование симметрирующих устройств (СУ), которые способны убрать токи нулевой и обратной последовательности.

Они делятся на виды:

• конденсаторные;
• преобразующие;
• компенсационные СУ.

Последние аппараты представляют собой устройства с подсоединением в рассечку «нуля» трансформатора симметрирующего трехфазного (ТСТ) компенсационной обмотки. Этот способ самый эффективный, так как характеризуется высокими показателями симметрирования.

Симметрирующий трансформатор трехфазный

Симметрирующие трансформаторы – это устройства, устраняющие перекос фаз в 3-фазных электросетях.

Работа симметрирующего трансформатора заключается:

• в выравнивании тока нагрузки на сети питания вне зависимости от потребительской нагрузки;
• в уменьшении просадки в сети при подключении мощной нагрузки;
• в снижении потерь энергии, уменьшении гармоник и сопротивления.

Электрическая схема приведена на рисунке,

где 1 – магнитопровод, 2, 3 – обмотки высокого, низкого напряжения, 4 – компенсационная обмотка, 5 – клинья.

Конструкция хорошо понижает сопротивление нулевой последовательности 3-фазного трансформатора. Благодаря ей значительно увеличиваются токи КЗ – одно из основных преимуществ симметрирующих трансформаторов, поскольку это облегчает настройку релейной защиты при КЗ. Помимо этого, нет такого сильно разрушающего воздействия тока ОКЗ, так как обеспечивается компенсация несимметричного потока нулевой последовательности.

Посмотрим, что будет, если подключить однофазную несимметричную нагрузку в 3-фазную четырехпроводную электросеть с применением ТСТ и без него.

На изображении видно, что наибольшая нагрузка одной фазы равна 1/3 от 3-фазной мощности энергоисточника.

В результате включения мощного 1-фазного потребителя получится перекос фаз. Повысится риск выхода из строя присоединённых к источнику питания потребителей. Если мощность приёмников повысится на 1/3 трехфазной мощности источника, то возможна поломка прибора.

На этом рисунке показано, что наибольшая нагрузка на одну фазу может равняться половине 3-фазной мощности источника энергии. Тем не менее, источник станет принимать нагрузку как равномерно распределенную пофазно.

Использование ТСТ даёт возможность уменьшить мощность генератора, подключив к нему те же электроприемники. Для энергетического источника нагрузка будет приниматься равномерно распределенной по фазам.

Целесообразность решения о включении в схему ТСТ зависит от каждого конкретного случая.

Конструкция и применение симметрирующего трансформатора

Основными составляющими трансформатора являются силовой агрегат, устройство кабельного «ввода-вывода» с защитными автоматами. Способ электромонтажа стационарный. Выводы к сети и нагрузке располагаются в нижней панели. Трансформаторные катушки исполнены с помощью медного провода. Первичная со вторичной обмоткой обладают гальванической развязкой. Вторичная обмотка выполняется по схеме «звезда».

На входе трансформатора монтируется автомат, который обеспечивает защиту от перегрузок и КЗ. Трансформатор обладает световой индикацией наличия выходного напряжения.

Применение

Трансформаторы ТСТ широко применяются в следующих сферах:

• военное вооружение;
• технологические машины с ЧПУ;
• служба ЖКХ;
• садово-дачные поселения.

ТСТ размещаются между источником электроэнергии и электрическими потребителями.

Схемы симметрирующих трансформаторов

Рассмотрим для примера две схемы:

СУ с трехфазным трансформатором состоит из трёх обмоток. Обмотка «2» подключена с «4» последовательно, с обмоткой «2» на других стержнях – встречно зигзагообразно. Общее количество витков первой и третьей равно числу витков второй обмотки.

Эффективное применение СУ получается благодаря снижению сопротивления токам нулевой последовательности, что повышает надежность работы в аварийном режиме.

В схему между выводом «нуля» для подключения фазных нагрузок N2 и нулевым выводом N1 подключены последовательно тиристорный ключ (6 и 7), стабилитроны (8 и 9) и резистор 10.

Следующая схема включает в себя:

• 3-стержневой магнитопровод 1;
• 3-фазную симметричную первичную обмотку 2 с питанием от сети;
• вторичную обмотку 3, подсоединённую по схеме зигзага трёх лучей.

Особенность этой схемы заключается в неимении тока нулевой последовательности во всех обмотках при любых режимах. Такой трансформатор отличается простотой и надёжностью.

ТСТ позволяют сократить потери энергии за счет снижения амплитуд гармоник, уменьшения сопротивления. Это увеличивает рабочий ресурс энергетических источников в сетях с перекосами фаз. Аппараты предназначены для повышения надежности автономных генераторов и потребителей, когда нагрузки несимметричны.

Трансформаторы дают возможность рационально применять электростанции с меньшей мощностью. Электрическим генераторам, производимым по синхронному типу, требуется равномерность нагрузки, при этом допускается лишь тридцати процентный перекос по фазам. В таком случае весьма полезным становится применение симметрирующего трансформатора.

Трансформатор ТСТ предназначен для обеспечения заданного качества электрической энергии для электроприемников при их электроснабжении как от Госсети, так и от автономных (резервных) источников электроэнергии.

Область применения
Трансформаторы ТСТ предназначены для обеспечения заданного качества электрической энергии для электроприемников при их электроснабжении как от Госсети, так и от автономных (резервных) источников электроэнергии. Трансформаторы ТСТ выравнивают напряжение в фазах питающей сети (устраняют перекос напряжений), равномерно распределяют нагрузки (устраняют перекос нагрузок) между фазами, и этим в значительной мере способствуют:

• энергосбережению (уменьшению количества потребляемой электроэнергии за счет обеспечения требуемых уровней напряжения и симметричной нагрузки фаз);
• ресурсосбережению (уменьшению расхода топлива и масла, необходимых для выработки электроэнергии);
• надежности (увеличению назначенного ресурса и длительности безотказной работы источников электроэнергии) и безопасности эксплуатации (безопасность в трехфазных, четырехпроводных электрических сетях с глухозаземленной нейтралью обеспечивается за счет применения такой защитной меры, как зануление, при этом «ноль» трансформатора ТСТ используется, как нулевой рабочий проводник, а «ноль» сети – как нулевой защитный проводник) электрооборудования.

Трансформаторы ТСТ находят широкое применение в следующих областях

• военная техника и вооружение;
• медицинская техника и оборудование;
• информационные системы и технологии, компьютерная техника;
• автозаправочная техника и оборудование;
• технологические линии с ЧПУ (лазерная и механическая обработка металлов, выпуск полиграфической продукции, фасовка жидких и сыпучих материалов, в т.ч. продуктов питания);
• организации входящие в состав ЖКХ (предприятия электрических сетей, водоснабжения, теплоснабжения, связи, электофицированного транспорта, ремонта и т.д.);
• дачные поселки и индивидуальные коттеджи.

Симметрирующие трансформаторы (ТСТ) размещают между источником электрической энергии (Госсеть или автономный источник электроэнергии) и электроприемниками – потребителями электрической энергии.

Основными функциями ТСТ являются:

• выравнивание фазных напряжений, как правило, при питании от Госсети для качественного электроснабжения потребителей;
• выравнивание линейных напряжений, как правило, при питании от Госсети для качественного электроснабжения потребителей;
• выравнивание фазных напряжений и равномерное распределение нагрузки по фазам при питании от Госсети для качественного электроснабжения потребителей;
• равномерное распределение нагрузки по фазам, как правило, при питании от автономного источника электроэнергии ограниченной мощности (газо-, бензо-, дизель-генератора).

Дополнительными функциями модифицированных ТСТ являются:

• преобразование трехфазной сети в однофазную:

– с гальванической развязкой питающей сети и потребителя;
– с гальванической развязкой питающей сети и потребителя и изменение (увеличение или уменьшение) выходного напряжения;
– без гальванической развязки питающей сети и потребителя и изменение (увеличение или уменьшение) выходного напряжения;
– без гальванической развязки питающей сети и потребителя;

• преобразование трехфазной трехпроводной сети в трехфазную четырехпроводную (т.е. формирование нулевого рабочего проводника для возможности подключения фазной нагрузки).

Применение трансформаторов ТСТ при электроснабжении от Госсети

Применение трансформаторов ТСТ при электроснабжении электроприемников от Госсети целесообразно в случаях, когда:

• необходимо устранить перекос линейных напряжений, т.е. сделать линейные напряжения питающей сети одинаковыми;
• необходимо не только устранить перекос линейных напряжений питающей сети, но и обеспечить необходимую величину напряжений;
• необходимо устранить перекос фазных напряжений, т.е. сделать фазные напряжения питающей сети одинаковыми;
• необходимо не только устранить перекос фазных напряжений питающей сети, но и обеспечить необходимую величину напряжений;
• необходимо устранить перекос фазных напряжений питающей сети, связанный с неравномерностью фазной нагрузки в отходящей линии;
• необходимо преобразовать трехфазную сеть в одно- или двух фазную сеть;
• необходимо преобразовать трехфазную сеть в одно- или двух фазную сеть и гальванически развязать потребитель от сети;
• необходимо преобразовать трехфазную сеть в одно- или двух фазную сеть и гальванически развязать потребитель от сети, а также уменьшить величины напряжения до значений, соответствующих требованиям электробезопасности в специальных сооружениях.

Применение трансформаторов ТСТ при электроснабжении от источников ограниченной мощности (дизель-генераторов, газогенераторов)

Применение трансформаторов ТСТ при электроснабжении электроприемников от дизель-генераторов целесообразно в случаях, когда:

• необходимо устранить перекос фазных напряжений дизель-генератора, связанный с неравномерностью фазной нагрузки в отходящей линии;
• необходимо преобразовать трехфазную сеть в одно- или двух фазную сеть;
• необходимо преобразовать трехфазную сеть в одно- или двух фазную сеть и гальванически развязать потребитель от сети;
• необходимо преобразовать трехфазную сеть в одно- или двух фазную сеть и гальванически развязать потребитель от сети, а также уменьшить величины напряжения до значений, соответствующих требованиям электробезопасности в специальных сооружениях.

Трансформатор ТСТ обеспечивает устранение перекосов нагрузки при электроснабжении электроприемников от дизель-генераторов. При этом ТСТ допускает 100%-ый перекос нагрузки. Так, например, симметрирующий трансформатор мощностью 100 кВА, получающий электроэнергию от дизель-генератора мощностью 100 кВт при 100 %-ом перекосе нагрузки обеспечит в одной или двух фазах нагрузку равную 33 кВт.

Максимальная однофазная мощность, которая может быть обеспечена симметрирующим трансформатором при электроснабжении от дизель-генератора не может превышать 65% мощности дизель-генератора, при отсутствии нагрузки в двух других фазах. Так, при мощности дизель-генератора 200 кВт, максимальная мощность однофазной нагрузки не должна превышать 130 кВА, а мощность симметрирующего трансформатора в этом случае должна быть не менее 390 кВА.

Применение трансформаторов ТСТ в системах электроснабжения, оборудованных вводом от Госсети и резервным дизель-генератором

При электроснабжении потребителей от Госсети перекос напряжений, вызванный неравномерностью нагрузки фаз сети, может не проявляться из-за того, что мощность Госсети значительно превышает мощность потребителей.

Однако, при переводе электроснабжения от Госсети на резервный источник ситуация меняется. Мощность потребителей в данной ситуации соизмерима (равна) мощности резервного дизель-генератора и перегрузка хотя бы одной из фаз может привести к отказу дизель-генератора.

Даже непродолжительная работа дизель-генератора с незначительной перегрузкой фаз приводит к износу и разрушению подшипниковых щитов генератора, повышенному расходу дизельного топлива, закоксовыванию форсунок. Применение симметрирующего трансформатора в данной ситуации обеспечивает надежную работу дизель-генератора.

Устранение перекоса напряжений

Перекос напряжений в сети независимо от источника электроснабжения (Госсеть или дизель-генератор) может быть вызван несколькими причинами:
– подключением неравномерной или неодинаковой по величине однофазной нагрузки;
– подключением одного или двух электроприемников на линейное напряжение двух фазных проводов без использования нулевого рабочего проводника (нуля).

В первом случае при условии, что линейные напряжения питающей сети составляют 380-400 В, устранение перекоса фазных напряжений обеспечивается симметрирующим трансформатором ТСТ.

Во втором случае, влияние перекоса фазных и линейных напряжений сети, вызванных подключением мощных потребителей на две фазы, значительно ослабляется (устраняется) за счет применения трансформатора (автотрансформатора), преобразующего трехфазную сеть в однофазную.

Устранение перекоса линейных напряжений

Трансформатор ТСТ обеспечивает выравнивание линейных напряжений (устранение перекоса напряжения (неодинаковости) из-за неравномерной линейной нагрузки, в т.ч. в динамических режимах работы. Так если входное линейное напряжение равно, соответственно, UАВ=348 В, UВС=396 В, UСА=465 В, то после ТСТ линейные напряжения будут составлять приблизительно 389В, 398 В и 409В соответственно.

Если после симметрирования напряжение сети значительно ниже (выше) нормы, то симметрирующий трансформатор целесообразно изготовить с дополнительными обмотками, позволяющими повысить (понизить) напряжение до нормы (дополнительные обмотки выполняются из расчета изменения напряжения на (5-15 )% Uн).

Устранение перекоса фазных напряжений

Трансформатор ТСТ обеспечивает выравнивание фазных напряжений (устранение перекоса напряжения (неодинаковости) из-за неравномерной нагрузки по фазам, в т.ч. в динамических режимах работы. Так если входное напряжение по фазам равно, соответственно, Uа=148 В, Uв=196 В, Uс=265 В, то после ТСТ все фазные напряжения будут составлять приблизительно 201 В (потери выходного напряжения на фазу составят приблизительно 2 В).

Если после симметрирования напряжение сети значительно ниже нормы, то симметрирующий трансформатор целесообразно изготовить с дополнительными обмотками, позволяющими повысить напряжение до нормы (дополнительные обмотки выполняются из расчета изменения напряжения на (5-15 )% Uн).

Устранение перекоса фазных напряжений, связанных с неравномерностью фазных нагрузок в отходящей линии.

Трансформатор ТСТ допускает 100 %-ый перекос нагрузки. Это значит, что в одной или в двух фазах мощность нагрузки равна нулю, а другие фазы загружены полностью. Так например, для симметрирующего трансформатора мощностью 63 кВА 100%-ый перекос нагрузки составит: 21 кВА в одной или в двух фазах и 0 кВА в двух или в одной фазе соответственно.

Применение трансформатора ТСТ совместно со стабилизатором СНТ-П

Если питающая сеть характеризуется значительными перекосами напряжений между фазами (более 15 %) и значениями напряжения хотя бы в одной из фаз менее 75 % номинального, то рекомендуется совместное применение симметрирующего трансформатора ТСТ и стабилизатора напряжения СНТ-П.

ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Подключение симметрирующего трансформатора

К входу блока «ввода-вывода” ТСТ подключаются три фазы от питающей сети, а к выходу (к трем фазам и нулевому рабочему проводнику) – электроприемники. Нулевой рабочий проводник питающей сети подсоединяется к шпильке «ЗАНУЛЕНИЕ” корпуса ТСТ. Автоматический выключатель QF1 обеспечивает защиту потребителей при коротком замыкании (токовая отсечка), при перегрузке (тепловой расцепитель) и при обрыве нулевого рабочего проводника (электромагнитный расцепитель).

Основные составные части трансформатора:

• силовой трансформатор;
• блок «ввода-вывода” для подключения силовых кабелей сети и нагрузки (расположен под съемной панелью) с автоматическими выключателями сети QF1 и защиты QF2;
• металлический корпус.

Конструктивное исполнение:

1. Трансформаторы изготавливаются в металлическом корпусе со степенью защиты IP20 по ГОСТ 14254.
2. По способу монтажа трансформаторы относятся к стационарным.
3. Класс нагревостойкости изоляции обмоток – В по ГОСТ 8865.
4. Выводы к сети и нагрузке расположены в нижней части трансформатора под съемной панелью.
5. Катушки трансформатора выполнены медным обмоточным проводом.
6. Первичная и вторичная обмотки трансформатора имеют гальваническую развязку. Вторичная обмотка может быть выполнена по схеме «звезда” или «звезда с выведенным нулем”.
7. На входе трансформатора устанавливается автоматический выключатель, обеспечивающий защиту при перегрузках и коротких замыканий.
8. Трансформатор имеет световую индикацию наличия напряжения на выходе.

Условия эксплуатации:

1. Диапазон температур окружающей среды от – 45 0С до +40 0С;
2. Относительная влажность воздуха при температуре 25 0С не более 80 %;
3. Высота над уровнем моря не более 1000 м;
4. Окружающая среда не взрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли, агрессивных паров и газов в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию.
5. Ударные нагрузки не допускаются.
6. Режим работы продолжительный.