Одной из главных задач электроснабжения является обеспечение качества выходных напряжений распределительных трансформаторов, удовлетворяющих требования ГОСТ 13109-87 при всевозможных нормальных режимах их работы, а также решение этой задачи с минимальными издержками.
В четырехпроводных электрических сетях 0,38 кВ России и других стран СНГ в основном используются трансформаторы со схемой соединения обмоток “звезда-звезда-нуль” (У/Ун). Однако, эти самые дешевые в изготовлении трансформаторы в эксплуатации экономичны лишь при симметричной нагрузке фаз. Реально в сетях с большим удельным весом однофазных нагрузок равномерность их подключения во времени пофазно нарушается и потери электрической энергии в таких трансформаторах резко возрастают. На рисунке 1 показаны зависимости потерь короткого замыкания Рк трансформатора ТМГ 100/10 при различных схемах соединения обмоток от величины тока в нулевом проводе, при Ib =Ic = Iни Ia = 0 — Iн. Из рисунка следует, что в трансформаторах У/Ун с увеличением тока Iнб резко растут потери Рк.

Этот рост обусловлен появлением потоков нулевой последовательности (Ф0) в магнитных системах трехфазных трансформаторов У/Ун, создаваемых токами небаланса Iнб ( равных 3 I0), протекающих в нулевом проводе сети. Ф0 носят характер потоков рассеяния, аналогичных потокам короткого замыкания Фкз, но по величине они значительно больше, о чем, в частности, позволяют судить соотношения полных сопротивлений Z0 и Zкз. Экспериментальные данные показывают, что Z0 больше Zкз в 5 — 8, а для некоторых конструкций трансформаторов — в 12 и более раз.
Неизбежным последствием неравномерности нагрузки фаз в сетях с трансформаторами У/Ун является резкое искажение системы фазных напряжений (на практике это называют смещением нулевой точки). Как следствие — увеличение потерь также и в линиях 0,38 кВ.
Искажение фазных напряжений в реальных условиях эксплуатации нередко вызывает такое их отклонение уже на низковольтных вводах трансформатора, которое значительно превышает нормы ГОСТ на качество электроэнергии. В конце линий, по данным исследований, это отклонение напряжений приблизительно в два раза выше. При указанном качестве питания токоприемников, повышение в них потерь электроэнергии и отказы в работе, в том числе у бытовых приборов (холодильников и т. п.), вполне естественно. К сожалению, до настоящего времени целенаправленных работ по данным вопросам проводилось недостаточно, однако, как показывает практика, экономический урон от искажения напряжений у токоприемников огромен.
Завышение установленной мощности трансформаторов У/Ун, сверх требуемой по расчету (для понижения несимметрии напряжения), дает незначительный эффект, зато повышение потерь электроэнергии в сети дает значительное.
Кроме того токи нулевой последовательности, при несимметрии нагрузки, в магнитной системе трансформатора У/Ун 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 в увеличении номинальной мощности трансформатора на одну, а иной раз на две ступени больше необходимой (расчетной) со всеми вытекающими последствиями.
Для устранения указанных недостатков кафедрой электроснабжения сельского хозяйства БАТУ, Минским электротехническим заводом им. В. И. Козлова и Минскэнерго разработано специальное новое симметрирующее устройство (СУ), которое является неотъемлемой частью трансформатора со схемой У/Ун.
Симметрирующее устройство представляет собой отдельную обмотку, уложенную в виде бандажа поверх обмоток высшего напряжения трансформатора со схемой соединения обмоток У/Ун. Обмотка симметрирующего устройства рассчитана на длительное по ней протекание номинального тока трансформатора, т. е. на полную номинальную однофазную нагрузку.
Обмотка симметрирующего устройства включена в рассечку нулевого провода трансформатора из расчета того, что при несимметричной нагрузке и появлении тока в нулевом проводе трансформатора, а также связанного с ним потока нулевой последовательности, поток, создаваемый симметрирующим устройством равный по величине и направленный в противоположном направлении, компенсирует действие потока нулевой последовательности, предотвращая этим самым перекос фазных напряжений.
Схема подсоединения обмотки симметрирующего устройства (СУ) к обмоткам НН:

Трансформаторы с СУ улучшают работу защиты, повышают безопасность электрической сети. В них резко снижено разрушающее воздействие на обмотки токов при однофазных коротких замыканиях.
СУ значительно улучшает синусоидальность напряжения при наличии в сети нелинейных нагрузок, что крайне важно при питании многих чувствительных приборов, например, эвм, автоматики, телевизоров.
Таблица сравнительных характеристик трансформаторов ТМГ и ТМГСУ напряжением 6 — 10/0,4 кВ, схема и группа соединения обмоток У/Ун-0:
|
|
Мощность, кВА |
Потери, кВт |
Габаритные размеры, мм |
Zо, Ом |
Масса, кг |
хх |
кз |
L |
B |
H |
ТМГ |
25 |
0,115 |
0,6 |
800 |
640 |
930 |
4,05 |
240 |
ТМГСУ |
25 |
0,115 |
0,6 |
900 |
530 |
930 |
1,316 |
280 |
ТМГ |
40 |
0,155 |
0,88 |
840 |
680 |
1000 |
2,72 |
300 |
ТМГСУ |
40 |
0,155 |
0,88 |
900 |
560 |
1000 |
0,82 |
370 |
ТМГ |
63 |
0,22 |
1,28 |
950 |
730 |
1020 |
1,905 |
420 |
ТМГСУ |
63 |
0,22 |
1,28 |
950 |
730 |
1020 |
0,63 |
420 |
ТМГ11 |
100 |
0,29 |
1,97 |
935 |
730 |
1060 |
1,3 |
490 |
ТМГСУ11 |
100 |
0,29 |
1,97 |
960 |
720 |
1100 |
0,361 |
500 |
ТМГ11 |
160 |
0,41 |
2,6 |
1020 |
755 |
1245 |
1,06 |
670 |
ТМГСУ11 |
160 |
0,41 |
2,6 |
1060 |
725 |
1200 |
0,27 |
660 |
ТМГ11 |
250 |
0,57 |
3,7 |
1140 |
820 |
1270 |
0,56 |
920 |
ТМГСУ11 |
250 |
0,57 |
3,7 |
1170 |
840 |
1270 |
0,197 |
920 |
Энергетические характеристики трансформаторов (потери короткого замыкания, холостого хода и др.) от наложения симметрирующего устройства практически не меняются, но при этом значительно сокращаются потери электроэнергии в сети. Система же фазных напряжений при неравномерной нагрузке фаз симметрируется приблизительно как при схеме соединения обмоток У/Zн.
Это наглядно демонстрируют сравнительные испытания трансформаторов ТМГСУ-25/10-У1 и ТМГ-25/10-У1 в режиме однофазной и двухфазной нагрузки.
Результаты представлены в таблицах:
Однофазная нагрузка
Трансформатор с СУ
Iнн,А
фаза «а» | Uаb,В | Ubc,В | Uac,В | Uao,В | Ubo,В | Uco,В |
---|
3,61 | 402 | 398 | 398 | 232 | 230 | 232 |
7,22 | 402 | 398 | 398 | 228 | 231 | 232 |
10,83 | 400 | 398 | 398 | 225 | 232 | 232 |
14,44 | 400 | 400 | 396 | 224 | 232 | 234 |
18,05 | 400 | 400 | 394 | 222 | 232 | 236 |
21,66 | 400 | 400 | 392 | 216 | 232 | 236 |
25,27 | 400 | 396 | 388 | 216 | 232 | 236 |
28,88 | 396 | 400 | 388 | 212 | 232 | 236 |
32,49 | 396 | 400 | 389 | 208 | 232 | 236 |
36,1 | 400 | 404 | 388 | 208 | 236 | 240 |
Iнн,А
фаза «а» | Uаb,В | Ubc,В | Uac,В | Uao,В | Ubo,В | Uco,В |
---|
3,61 | 404 | 404 | 396 | 224 | 231 | 229 |
7,22 | 400 | 404 | 396 | 216 | 237 | 233 |
10,83 | 400 | 404 | 394 | 210 | 239 | 234 |
14,44 | 396 | 404 | 392 | 200 | 241 | 235 |
18,05 | 394 | 404 | 390 | 194 | 245 | 237 |
21,66 | 392 | 403 | 389 | 188 | 249 | 241 |
25,27 | 390 | 403 | 388 | 180 | 253 | 245 |
28,88 | 388 | 403 | 384 | 172 | 253 | 249 |
32,49 | 384 | 403 | 380 | 164 | 255 | 253 |
36,1 | 384 | 402 | 380 | 160 | 257 | 257 |
Двухфазная нагрузка
Трансформатор c СУ
Iнн,А
фаз а,b | Uаb,В | Ubc,В | Uac,В | Uao,В | Ubo,В | Uco,В |
---|
3,61 | 408 | 404 | 406 | 234 | 232 | 231 |
7,22 | 402 | 402 | 404 | 232 | 231 | 232 |
10,83 | 400 | 402 | 402 | 231 | 229 | 233 |
14,44 | 396 | 402 | 402 | 228 | 226 | 234 |
18,05 | 392 | 400 | 400 | 227 | 234 | 234 |
21,66 | 388 | 400 | 396 | 224 | 224 | 234 |
25,27 | 384 | 400 | 396 | 222 | 222 | 234 |
28,88 | 380 | 400 | 394 | 220 | 220 | 234 |
32,49 | 380 | 400 | 392 | 218 | 218 | 234 |
36,1 | 376 | 400 | 392 | 216 | 216 | 234 |
Iнн,А
фаз а,b | Uаb,В | Ubc,В | Uac,В | Uao,В | Ubo,В | Uco,В |
---|
3,61 | 400 | 401 | 398 | 229 | 231 | 232 |
7,22 | 396 | 400 | 396 | 225 | 228 | 232 |
10,83 | 396 | 400 | 400 | 224 | 227 | 238 |
14,44 | 393 | 400 | 400 | 223 | 225 | 240 |
18,05 | 392 | 402 | 401 | 220 | 224 | 244 |
21,66 | 392 | 401 | 404 | 220 | 223 | 248 |
25,27 | 392 | 404 | 406 | 218 | 222 | 250 |
28,88 | 386 | 404 | 406 | 216 | 218 | 252 |
32,49 | 382 | 400 | 406 | 214 | 217 | 256 |
36,1 | 380 | 400 | 406 | 212 | 214 | 258 |

В настоящем докладе приведены результаты оценочных расчетов экономической эффективности использования в четырехпроводных электрических сетях 0,38 кВ Республики Беларусь трансформаторов с новой схемой соединения обмоток “звезда-звезда-нуль с симметрирующим устройством”, исходя только из потерь электрической энергии в трансформаторах и линиях.
Проведенный анализ сетей РБ позволил определить среднестатистическую сеть 0,38 кВ со следующими параметрами: мощность трансформатора — 100 кВА (с учетом коммунально-бытовых потребителей в городах и городских поселках); длина линии — 0,8 км; количество линий на одной ТП — 3; сечение провода линии — 35 мм2; нагрузка линий 0,38 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 и использованием ЭВМ. Они производились в зависимости от величины тока в нулевом проводе, значения 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 сведены в таблице 1 (Sн — номинальная мощность трансформатора, кВА; Iнб — ток в нулевом проводе (в относительных единицах); Рк — потери короткого замыкания, Вт ( для трансформаторов со схемами соединения обмоток У/Ун, У/Zн, У/Ун с СУ); ?Рл — дополнительные потери электроэнергии в линиях сети с трансформаторами У/Ун, У/Zн по сравнению с сетью с трансформаторами У/Ун с СУ; Q — годовая экономия электроэнергии в сетях с трансформаторами У/Ун с СУ по сравнению с сетями с трансформаторами У/Ун, У/Zн.

Сопоставление потерь в среднестатистической электрической сети при неравномерной нагрузке с трансформаторами со схемами соединения У/Ун, У/Zн, и У/Ун с СУ показывает, что наиболее экономичной из них является схема У/Ун с СУ.
Выполненные Белэнергосетьпроектом расчеты сроков его окупаемости в зависимости от величины тока в нулевом проводе дали результаты, приведенные в таблице 2.(ток небаланса указан в относительных единицах)
Таблица 2 |
Iнб
|
Номинальная мощность трансформатора У/Ун СУ(Sн), кВА |
25 |
40 |
63 |
100 |
160 |
250 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,1 |
13,5 |
7 |
5,1 |
4,7 |
2,9 |
1,9 |
0,2 |
3,2 |
1,7 |
1,2 |
1,0 |
0,6 |
0,4 |
0,25 |
2,0 |
1,0 |
0,7 |
0,6 |
0,4 |
0,2 |
0,3 |
1,4 |
0,7 |
0,5 |
0,4 |
0,2 |
0,2 |
0,4 |
0,7 |
0,4 |
0,2 |
0,2 |
0,1 |
0,1 |
0,5 |
0,4 |
0,2 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
Из таблицы следует, что при среднестатистическом токе в нулевом проводе 0,25 от номинального фазного, симметрирующая обмотка только у трансформаторов Sн = 25 кВА окупается в срок 2 года и у Sн = 40 кВА в срок 1 год, для всех остальных мощностей окупаемость менее года.
Трансформаторы в среднем работают около 40 лет, отсюда не трудно определить прибыль предприятия, установившего в сетях 0,38 кВ с несимметричной нагрузкой фаз трансформаторы со схемой соединения обмоток У/Ун с СУ.
Использование в электрических сетях 0,38 кВ с несимметричной нагрузкой фаз трансформаторов ТМ и ТМГ со схемой У/Ун с СУ мощностью от 25 до 250 кВА, выпуск которых осуществляется на МЭТЗ им. В. И. Козлова, позволяет получить значительный экономический эффект только за счет сокращения ничем не оправданных потерь электроэнергии в линиях и трансформаторах.
Трансформаторы с симметрирующим устройством мощностью от 63 до 250 кВА разработаны и выпускаются в герметичном исполнении (типа ТМГ).
Внутренний объем таких трансформаторов не имеет сообщения с окружающей средой, они полностью заполнены маслом. Расширитель и воздушная или газовая «подушка» отсутствуют. Это значительно улучшает условия работы масла, исключает его увлажнение, окисление и шламообразование. Трансформаторное масло перед заливкой в трансформатор дегазируется. Благодаря этому масло своих свойств, практически не меняет в течение всего срока службы трансформатора, поэтому производить отбор пробы масла не требуется.
Трансформаторы в герметичном исполнении практически не требуют расходов на предпусковые работы и на обслуживание в процессе эксплуатации, не нуждаются в профилактических ремонтах и ревизиях в течение всего срока эксплуатации. Это позволит снизить непроизводственные расходы в течение всего срока эксплуатации трансформатора, в зависимости от его мощности, на 40 — 63% его полной стоимости.
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ СЕРИИ ТМГ15 ПРОИЗВОДСТВА ОАО «МЭТЗ ИМ. В.И.КОЗЛОВА»
подробнее
Перегрузочная способность трансформаторов ОСМР мощностью 4…10 кВА, ТСР мощностью 0,16…1,0 кВА, ТСЗР мощностью 1,6…40 кВА.
подробнее
Графики фазных напряжений в действующих трансформаторных подстанциях
подробнее