Особенности работы насыщенных однофазных и трехфазных трансформаторов

Процессами, происходящими в электротехнической стали в постоянных и переменных магнитных полях, занимаются специалисты в области физики твердого тела. Электромехаников интересуют интегральные эффекты сложных событий в доменных структурах стали — потери, реактивная мощность, характеристики намагничивания, влияние механической обработки и другие показатели.

Основной характеристикой электротехнической стали является магнитная характеристика (рис. 2.45). Магнитная характеристика снимается на постоянном токе. При этом потери в стати отсутствуют, поэтому она соответствует мгновенным значениям потока и реактивной составляющей намагничивающего тока при снятии характеристики намагничивания па переменном токе.

Между потоками и реактивной составляющей тока намагничивания существует нелинейная связь, определяемая сортом стали, размерами и конструкцией магнитной системы, частотой и температурой. Поэтому снятая в опыте холостого хода характеристика трансформатора дает возможность в полной мере судить о магнитных свойствах магнитной системы.

При проектировании используются снятые экспериментально зависимости удельных потерь и удельной намагничивающей мощности от индукции и частоты. Удельные потери в стали характеризуют потери в ваттах на 1 кг массы.

Рис. 2.45. Магнитная характеристика электротехнической стали.

магнитопровода, а удельная намагничивающая мощность — это реактивная мощность в вольтамперах на 1 кг массы. Обычно в таблицах дается также удельная намагничивающая мощность стыковых соединений ярма и стержня трансформатора.

Магнитная характеристика снимается экспериментально или рассчитывается. Она приближенно может быть выражена аналитически.

Точного аналитического описания магнитная характеристика не имеет. Существуют десятки приближенных математических описаний магнитной характеристики, т. е. зависимости магнитного потока от реактивной составляющей тока намагничивания:

Рис. 2.46. К аналитическому описанию магнитной характеристики.

где а, b и показатель степени (3 могут быть найдены по двум точкам характеристики и начальному наклону характеристики (рис. 2.46).

Характеристики намагничивания в каждом цикле иеремагничивания отличаются друг от друга. Восходящая и нисходящая ветви характеристики В = f (H) не совпадают (см. рис. 2.45). Площадь петли характеристики В = f (H) характеризует потери на псремагничиванис, т. е. потери на гистерезис. При снятии напряжения с трансформатора остается остаточное поле Ф_ост, которое влияет на будущий процесс включения трансформатора.

При проектировании трансформаторов и электрических машин расчетную индукцию выбирают па колене характеристики намагничивания. Это обеспечивает снижение массы и стоимости трансформатора. Насыщение магнитной системы вызывает ряд особенностей в работе трансформаторов.

Рис. 2.47. К вопросу появления высших гармоник в намагничивающем токе.

Рассмотрим нелинейный однофазный трансформатор. Если к его первичной обмотке приложено синусоидальное напряжение, поток в магнитопроводе будет синусоидальным, а намагничивающий ток — несинусоидальным (рис. 2.47). В насыщенном трансформаторе при синусоидальном токе несинусоидален поток. В общем случае в насыщенном трансформаторе несинусоидальны поток и намагничивающий ток.

Из-за нелинейности магнитной характеристики в реактивной составляющей тока холостого хода появляются высшие гармоники.

Если в потоке отсутствует постоянная составляющая, в намагничивающем токе будут только нечетные гармоники. Наибольшую.

Рис. 2.48. Возможный вид кривых намагничивания.

высших гармоник дают прямоугольные характеристики В = = /(#) (прямые 1 и 2). При прямоугольных характеристиках амплитуда 3-й гармоники достигает 30% 1-й, а 5-я — 20%.

амплитуду имеют 3-я и 5-я гармоники, которые оказывают значительное влияние на работу трансформатора.

Амплитуды высших гармоник магнитного поля трансформатора определяются нелинейностью характеристики намагничивания (рис. 2.48). Наибольшие амплитуды Магнитные характеристики электротехнических сталей лежат между прямоугольной характеристикой 1 и линейной характеристикой 3. Стали с магнитной характеристикой 3 для силовых трансформаторов не применяются. Такой вид магнитные характеристики имеют в слабых полях. При прямолинейном изменении В =/(#), когда трансформатор ненасыщен, амплитуды высших гармоник равны нулю (прямая 3). При промежуточном характере кривых намагничивания амплитуды 4—7-й гармоник нс равны нулю и не превышают соответственно значений для прямоугольной характеристики намагничивания.

При наличии в потоке постоянной составляющей в намагничивающем токе или потоке наряду с нечетными спектрами появляются спектры четных гармоник.

В многофазных трансформаторах нелинейность кривой намагничивания вносит свои особенности в работу трансформатора. Рассмотрим трехфазную группу однофазных трансформаторов с соединением обмоток по схеме звезда — звезда (см. рис. 2.8). К первичной обмотке каждого трансформатора подводится синусоидальное линейное напряжение, поэтому можно рассматривать работу каждого однофазного трансформатора отдельно.

При соединении обмоток в звезду 3-й гармоники намагничивающего тока по обмоткам трансформатора замыкаться не могут. Поэтому потоки в однофазных трансформаторах будут несинусоидальными и, следовательно, ЭДС и фазные напряжения будут нссинусоидальными (рис. 2.49). Наличие в потоке и ЭДС высших гармоник приводит к увеличеншо амплитудного значения фазного напряжения. Это является нежелательным, особенно в высоковольтных трансформаторах, так как приводит при проектировании трансформаторов к увеличению толщины изоляции. Увеличение амплитуды потока приводит также к увеличению потерь в стали.

Рис. 2.49. Кривые ЭДС в насыщенном трансформаторе при синусоидальных намагничивающих токах.

Соединение звезда — звезда с нулевым проводом обеспечивает протекание токов 3-й гармоники в нулевом проводе, поэтому потоки и фазные напряжения однофазных трансформаторов в этой схеме синусоидальные.

Токи 3-й гармоники, замыкаясь через емкости, имеющиеся между проводами линии передачи и землей, создают помехи для линии связи. Если нагрузка также имеет заземленную нейтраль, то токи 3-й гармоники, проходя по земле, могут оказывать вредное влияние на металлические подземные сооружения, вызывая их усиленную коррозию (рис. 2.50).

Схема соединения звезда — треугольник имеет преимущество перед схемами звезда — звезда. Токи 3-й гармоники замыкаются внутри треугольника, поэтому потоки и фазные напряжения в схеме трансформатора Y/Д синусоидальны.

В зависимости от того, откуда поступает реактивная мощность — со стороны обмоток, соединенных в звезду, или со стороны обмоток, соединенных в треугольник, — реактивный ток имеет различную форму.

Рис. 2.50. Контуры 3-й гармоники в схеме Y/Y0.

Рис. 2.51. Формы намагничивающего тока в схеме соединения звезда — треугольник:

а — при питании трансформатора реактивным током со стороны треугольника; б — при питании со стороны звезды активная мощность по 1-й гармонике поступает со стороны первичной обмотки, а со стороны вторичной обмотки создается магнитное поле 3-й гармоники (рис. 2.51, б). Как активные токи в первичной и вторичной обмотках сдвинуты на электрический угол, равный примерно 180°, так и намагничивающий ток 3-й гармоники сдвинут на электрический угол 180° при питании трансформатора со стороны треугольника и звезды.

Когда к сети подключена обмотка трансформатора, соединенная в треугольник, магнитное поле в трансформаторе создается только со стороны первичной обмотки (намагничивающий ток 1-й и 3-й гармоник протекает в обмотке, соединенной в треугольник, рис. 2.51, а).

При питании насыщенного трансформатора со стороны звезды ре Процессы намагничивания в трансформаторе были рассмотрены без учета вихревых токов в магнитопроводе. Это вполне допустимо, так как сопротивление стали велико и влиянием вихревых токов можно пренебречь.

Для того чтобы поток в трансформаторе был синусоидальным, необходимо создать контур, в котором будут замыкаться токи 3-й гармоники. В трехфазных двухи трехобмоточных трансформаторах 3-я гармоника может замыкаться в одной из обмоток, соединенной в треугольник. В современных трансформаторах и автотрансформаторах классов напряжений 110,150, 220,330 и 500 кВ одна из обмоток обязательно соединяется в треугольник. Соединение в треугольник одной из обмоток применяется в трансформаторах класса напряжения 35 кВ при мощности 4000 кВ, А и выше.

Конструкция трансформаторов сказывается на особенностях работы трансформаторов. Так, в трехфазном трехстержневом трансформаторе поток 3-й гармоники замыкается по воздуху и по стенкам бака. В броневом трансформаторе поток 3-й гармоники замыкается по стали. В трехфазной группе однофазных трансформаторов потоки 3-й гармоники также замыкаются по стали. В броневом трансформаторе и в трехфазиой группе однофазных трансформаторов индуктивное сопротивление 3-й гармоники большое, что ограничивает ток 3-й гармоники.

В многофазных системах обмотки могут быть соединены в многофазную звезду и многоугольник. Например, для пятифазной системы может быть соединение обмоток в пятифазную звезду и пятиугольник (см. рис. 2.43). В пятифазной системе особое положение занимает 5-я гармоника — она может замыкаться в пятиугольнике и сумма токов 5-й гармоники будет равна нулю. При этом 3-я гармоника в пятифазной системе не компенсируется. В шестифазной системе преимущественное положение имеет б-я гармоника, а в многофазной системе — т-я гармоника.

Насыщенный трансформатор в отличие от ненасыщенного является генератором высших гармоник. Наибольшее влияние на работу трансформаторов оказывают гармоники с частотами 3/, 5/, 7/и т.д. Эти гармоники являются источниками добавочных потерь и шума в трансформаторах.

Добавочные потери в насыщенных трансформаторах возникают из-за протекания токов высших гармоник по обмоткам, соединенным в треугольник или звезду с нулевым проводом. Добавочные потери имеют место также вследствие увеличения потерь в стали. Высшие гармоники потока являются причиной добавочных потерь в стали. Хотя амплитуды потоков высших гармоник небольшие, из-за высокой частоты перемагпичивания эти потери могут оказывать заметное влияние па нагрев трансформатора.

Уровень шума в трансформаторах связан с магнитострикционными колебаниями. Максимум магнитострикционных колебаний лежит в районе частоты 100 Гц. Магнитный шум увеличивается с насыщением. Увеличение шума обычно связано также с некачественной шихтовкой стали и креплением основных и вспомогательных частей трансформатора.