Особенности намагничивания трехфазных трансформаторов

Рассмотрим особенности намагничивания магнитопроводов трехфазных трансформаторов. Как было выяснено в предыдущем параграфе при синусоидальном напряжении сети магнитный поток  однофазного трансформатора и ЭДС также синусоидальны, а намагничивающий ток  вследствие нелинейности кривой намагничивания (насыщение магнитопровода) несинусоидален. Искажение формы кривой тока  определяется наличием в ней высших гармоник. Сильнее всего сказывается влияние первой (основной) и третьей гармоник. В дальнейшем гармониками выше третьей будем пренебрегать ввиду их относительно небольших значений.

В трехфазных трансформаторах первые гармоники намагничивающего тока сдвинуты по фазе на  и изменяются во времени с частотй сети  Гц. Третьи гармоники намагничивающего тока сдвинуты по фазе на  и изменяются во времени с тройной частотой сети  Гц. Это приводит к тому, что третьи гармоники намагничивающего тока могут протекать не при всех схемах соединения обмоток трехфазного трансформатора. Следовательно, намагничивающий ток при некоторых схемах соединения обмоток будет синусоидальный, а магнитный поток и ЭДС в обмотках трансформатора будут несинусоидальные.

Намагничивающий ток третьей гармоники может протекать в каждой фазе при соединении обмоток по схемам «треугольник» и «звезда» с выведенной нейтралью. При соединении обмоток по схеме «звезда» намагничивающий ток третьей гармоники в каждой фазе трансформатора протекать не может, т.к. нет выхода токов каждой фазы из нулевой точки (нет проводящего контура).

Рассмотрим различные схемы соединения обмоток трехфазного двухобмоточного трансформатора

Соединение обмоток Д/У. Пусть на холостом ходу к трехфазной сети подключена обмотка, соединенная «треугольником» (рис.2.5, а). Т.е. первичная обмотка – обмотка ВН (соединение Д). Треугольник является проводящим замкнутым контуром для токов третьей гармоники. В намагничивающем токе каждой фазы есть третья гармоника . Токи третьей гармоники будут циркулировать внутри замкнутого треугольника. Так как каждая фаза этой обмотки подключена к синусоидальному напряжению сети, поток каждой фазы будет синусоидальным, а намагничивающий ток каждой фазы  - несинусоидальным.

Пусть теперь на холостом ходу к трехфазной сети подключена обмотка, соединенная «звездой». (рис. 2.5, б). Т.е. теперь первичная обмотка − обмотка НН (соединение У). В соединении «звезда» токи третьей гармоники протекать не могут физически. Поэтому намагничивающий ток в этом случае является синусоидальным. Кривая магнитного потока , возбуждаемого синусоидальным намагничивающим током, вследствие насыщения будет несинусоидальной, уплощенной формы (рис.2.6, а). Кривая потока наряду с основной гармоникой  содержит третью гармонику . Третьи гармоники потока  всех трех фаз совпадают по фазе и индуктируют во вторичной обмотке, соединенной «треугольником» три равные по значению и совпадающие по фазе ЭДС  (рис.2.6, б). Под действием этих ЭДС в каждой фазе замкнутого «треугольника» начинают протекать токи третьей гармоники . За счет преобладания в обмотках силовых трансформаторах индуктивного сопротивления  почти чисто индуктивные. Эти токи возбуждают в магнитопроводе трансформатора магнитные потоки третьей гармоники , которые почти полностью компенсируют потоки . Поэтому результирующие потоки фаз будут практически синусоидальными.

Из изложенного следует, что в случае соединения одной из обмоток трансформатора «треугольником» магнитные потоки, ЭДС и напряжения фаз остаются синусоидальными. Это существенное преимущество трехфазных трансформаторов, у которых одна из обмоток соединена «треугольником». При соединении одной из обмоток трансформатора в треугольник искажение кривой фазных ЭДС и напряжений не зависит от типа магнитопровода.     

Соединение обмоток У/У. В трансформаторах с таким соединением обмоток третьи гармоники в намагничивающих токах первичной и вторичной обмоток существовать не могут. Поэтому магнитные потоки фаз наряду с основной гармоникой  содержат еще третьи гармоники потока . Из-за наличия третьей гармоники магнитного потока кривая потока становится уплощенной формы. Т.о. характерной особенностью намагничивания трехфазного трансформатора с соединением обмоток по схеме У/У является наличие третьих гармоник магнитного потока . Третьи гармоники потока  в каждой фазе трансформатора наводят третьи гармоники ЭДС . Кривые фазных ЭДС и напряжений становятся несинусоидальными. Величина этих гармоник, а следовательно и синусоидальность фазного напряжения зависит от типа магнитопровода трансформатора.

В трехфазной группе однофазных трансформаторов и бронестержневом трансформаторе поток  замыкается по магнитопроводу, как и поток  (рис. 2.7 а, б). Так как сопротивление магнитопровода мало, то величина потока  может достигать 10 – 20 % от потока , а наводимые им в обмотках амплитудные ЭДС третьей гармоники составят 30 – 60 % от ЭДС первой гармоники. Кривые ЭДС первичной и вторичной обмоток искажаются, а действующие значения фазных ЭДС вырастают на 5 – 17 %, вызывая возрастание электрического поля в изоляции (преждевременное старение изоляции). Однако линейные ЭДС и напряжения останутся синусоидальными, так как в разности ЭДС двух фаз ЭДС  исчезают.

В трехстержневом трансформаторе потоки  беспрепятственно замкнуться по магнитопроводу не могут, так как в каждый момент времени во всех стержнях направлены одинаково (рис. 2.7, в). Поэтому потоки  вытесняются на пути магнитных потоков рассеяния и замыкаются от одного ярма к другому через трансформаторное масло, воздух, крепежные детали и стенки бака трансформатора. Магнитное сопротивление этих участков достаточно велико и потоки  по сравнению с такими потоками в трансформаторах других типов значительно меньше. Соответственно в трехстержневом трансформаторе значительно меньше искажаются кривые фазных ЭДС и напряжений.

Соединение обмоток У/У₀ обеспечивает протекание намагничивающих токов третьей гармоники . Поэтому потки и фазные напряжения трансформатора  и  будут синусоидальными.

Токи  протекают по нулевому проводу (при заземленной нагрузке) и оказывают вредное влияние на металлические подземные сооружения, вызывая их усиленную коррозии, так как частота этих токов равна тройной частоте сети, т. е. 150 Гц.

Токи повышенной частоты  замыкаются через емкости находящиеся между обмотками трансформатора и землей и создают помехи линиям связи (рис. 2.8). Емкости устанавливают для борьбы с перенапряжениями (создают колебательный контур) и при частоте 50 Гц данные емкости не влияют на работу трансформатора.