Третичная обмотка автотрансформатора (обмотка НН), как правило, бывает соединена в треугольник. В автотрансформаторе обмотка НН, соединенная по схеме треугольника, выполняет те же функции, что и в трансформаторе.
Стабилизация междуфазовых напряжений при несбалансированной нагрузке
Если однофазная нагрузка включена между двумя фазами, система токов на первичной стороне содержит составляющие прямой и обратной последовательности, но не содержит составляющих нулевой последовательности.
В случае однофазной нагрузки, включенной между фазой и нейтралью, токи обмоток содержат составляющую нулевой последовательности. Более благоприятны для однофазной нагрузки трансформаторы с большим сопротивлением нулевой последовательности.
Для трехстержневых трехфазных трансформаторов благодаря взаимному влиянию магнитных потоков трех стержней условия для однофазной нагрузки более благоприятны, чем, например, для группы однофазных трансформаторов или пятистержневых трансформаторов как и для трансформаторов броневого типа.
Без третичной обмотки ток, протекающий в некомпенсированных фазах, является чисто намагничивающим, и насыщение приводит к искажению фазовых напряжений, смещению нейтрали и нагреву стенок бака вследствие искажения потока рассеяния. Введением треугольника третичной обмотки достигается баланс ампервитков в фазах и устраняются эти явления.
В любом случае однофазная нагрузка 10% от номинальной трехфазной мощности, включенная между линейным выводом фаз и нейтралью, может быть получена от трехстержневого трансформатора без чрезмерного смещения нейтрали.
Подавление третьей и кратных ей гармоник
При заземленной нейтрали третья гармоника присутствует в токе холостого хода Третья и кратные ей гармоники создают помехи в ближайших низковольтных кабелях, особенно в телефонных линиях, которые не защищены экранами.
В случае изолированной нейтрали гармоники появляются в напряжении и магнитном потоке, вызывая смещение нейтрали.
Треугольник третичной обмотки подавляет эти явления.
Применение магнитно-ориентированной стали для изготовления магнитной системы снижает ток холостого хода до минимального значения. При этом отрицательный эффект гармоник не очень заметен.
Уменьшение сопротивления нулевой последовательности
Соединение в треугольник применяется для уменьшения сопротивления нулевой последовательности трансформаторов, соединенных по схеме звезда — звезда, и, следовательно, сопротивления системы. Следствием этого является стабилизация нейтрали как при однофазных замыканиях, так и при несимметричной нагрузке между фазой и нейтралью, а также уменьшение коэффициента заземления системы и возможных токов однофазных коротких замыканий.
Для системы с эффективно заземленной нейтралью коэффициент заземления не превышает 1,4.
Сопротивление нулевой последовательности со стороны обмотки, соединенной в звезду с заземленной нейтралью, при разомкнутой вторичной обмотке*.
*Коэффициентом заземления называют отношение напряжения рабочей частоты между здоровой фазой и землей при однофазном замыкании к напряжению этой фазы до замыкания.
Возможны следующие случаи:
1. Отсутствует обмотка, соединенная в треугольник:
1.1. Группа однофазных трансформаторов. Так как весь намагничивающий поток
может протекать в сердечнике, сопротивление нулевой последовательности при разомкнутой вторичной обмотке равно сопротивлению прямой последовательности, т.е. равно сопротивлению намагничивания и может быть принято равным бесконечности. При этом в баке тока нет.
1.2. Трехфазный трехстерхневой трансформатор.
Намагничивающие потоки одинаковы во всех трех стержнях. Поэтому поток должен замыкаться вне магнитопровода в среде с низкой магнитной проводимостью. В результате сопротивление нулевой последовательности оказывается сравнительно низким. Однако при разомкнутой вторичной обмотке оно все же оказывается в 5—10 раз больше, чем сопротивление короткого замыкания между обмотками. Это объясняется влиянием бака на магнитную проводимость вне магнитопровода, а, следовательно, на сопротивление нулевой последовательности.
Бак можно рассматривать как короткозамкнутую обмотку. При низком напряжении бак является для потока рассеяния высокопроницаемой средой, причем значение сопротивления нулевой последовательности оказывается зависимой от напряжения.
1.3. Трехфазный пятистержневой трансформатор.
В пятистержневом трансформаторе боковые стержни, не несущие обмоток, могут служить путем для замыкания потока стержней. Поэтому сопротивление нулевой последовательности будет высоким. До напряжения примерно 30% номинального (в зависимости от конструкции) оно равно сопротивлению намагничивания.
При более высоком напряжении происходит насыщение боковых ярем и сопротивление уменьшается. Зависимость тока от напряжения будет соответствовать кривой намагничивания. При номинальном напряжении боковые стержни и ярма оказываются полностью насыщенными, и сопротивление нулевой последовательности будет примерно таким, как в случае 1.2.
2. При наличии третичной обмотки, соединенной в треугольник.
2.1. Группа однофазных трансформаторов.
Сопротивление нулевой последовательности при разомкнутой вторичной обмотке то же, что и сопротивление короткого замыкания между рассматриваемой обмоткой и третичными обмотками, так как треугольник третичных обмоток для токов нулевой последовательности аналогичен закорочению этих обмоток. Тока в стенках бака нет.
2.2. Трехфазный трехстерхневой трансформатор.
Бак действует как наружная обмотка, соединенная в треугольник, и сопротивление может быть определено с помощью методов расчета полей рассеяния.
Влияние бака несколько уменьшает сопротивление нулевой последовательности по сравнению с сопротивлением короткого замыкания возбуждаемой обмотки и обмотки, соединенной в треугольник.
2.3. Трехфазный пятистержневой трансформатор.
До напряжения несколько выше 30% номинального сопротивление нулевой последовательности холостого хода равно сопротивлению короткого замыкания между рассматриваемой обмоткой и обмоткой, соединенной в треугольник. При напряжении, близком к номинальном, в баке появляется ток, и сопротивление может быть определено как в 2.2.
Подключение источников реактивной мощности или питание местных сетей
Возможна также выдача энергии в сеть ВН и СН при подключении генератора к обмотке НН. В этом случае обмотку удобно располагать между концентрами последовательной и общей обмоткой автотрансформатора.
Низкое значение сопротивления короткого замыкания между основными обмотками автотрансформатора и обмоткой НН может привести к высоким значениям тока короткого замыкания в этой обмотке. Кроме того, обмотка НН подвергается воздействию больших токов однофазных коротких замыканий. Поэтому часто возникает необходимость увеличить электродинамическую прочность третичной обмотки или увеличить ее сопротивление короткого замыкания.
Наличие третичной обмотки мощностью 1/3 S, где S — проходная мощность трансформатора, увеличивает его стоимость примерно на 10 %.
Для автотрансформаторов увеличение стоимости в зависимости от напряжений может достигать 50 % .
Поэтому, если нет требований подключения источников энергии НН, необходимость третичной обмотки с учетом п.п. 1 — 3 определяется условиями системы и конструкции трансформатора.
Обычно трехфазный трехстержневой трансформатор, мощность которого не превышает нескольких десятков МВ-А, может изготавливаться без обмотки, соединенной в треугольник.
Такой же анализ всех условий необходим и для автотрансформатора, если по соображениям экономии стремиться определить возможность отказа от третичной обмотки.
Автотрансформаторы без третичной обмотки работают как в странах Европы и Америки, так и в России.