Симметрирующий трансформатор: применение в электроэнергетике

Перекос фазных напряжений - распространенная и опасная проблема трехфазных электрических сетей. Она может привести к авариям и выходу из строя дорогостоящего оборудования. Эффективно бороться с перекосом фаз помогают специальные устройства - симметрирующие трансформаторы. Давайте разберемся, как устроены и применяются эти "спасатели" современных электросетей.

Что такое перекос фазных напряжений и почему это опасно

Перекос фазных напряжений - это состояние трехфазной электрической сети, при котором значения линейных напряжений между разными фазами отличаются друг от друга больше допустимого предела. Причиной перекоса чаще всего является несимметричная нагрузка по фазам.

К примеру, к первой фазе подключено большое количество мощных электроприборов, а ко второй и третьей - лишь несколько лампочек. Из-за большого тока напряжение на первой фазе падает, а на других двух - остается номинальным. В итоге получается перекос.

Почему же перекос фаз опасен?

• Нарушается работа трехфазных электродвигателей, их мощность падает.
• Ускоряется износ изоляции и обмоток электрооборудования.
• Снижается срок службы бытовой техники, компьютеров.
• Возможны сбои в работе автоматики, релейной защиты.
• Повышается опасность возникновения аварий и пожаров.

По данным Ростехнадзора, в 2018 году в России произошло 124 аварии по причине перекоса фазного напряжения. Это на 14% больше, чем годом ранее. А ведь перекосы случаются гораздо чаще, просто не все заканчиваются серьезными последствиями.

Один из примеров последствий перекоса фаз - возгорание кабеля в московском метро в августе 2015 года. Причина - длительная перегрузка одной из фаз в электросети, которая в конце концов не выдержала и загорелась.

Как устранить перекос фазных напряжений

Чтобы избежать проблем с перекосом фаз, нужно выполнять правильное проектирование электроснабжения. Распределять нагрузку по фазам при монтаже равномерно. Но на практике это не всегда удается.

Альтернативный способ - использование трансформаторов со схемой соединения обмоток "звезда-зигзаг". Но такие трансформаторы дороже обычных, к тому же не решают проблему перекоса фаз в уже эксплуатируемых сетях.

Поэтому в большинстве случаев применяют симметрирующие трансформаторы (СТ). Их устанавливают в существующую сеть, и они автоматически выравнивают напряжения на всех фазах.

Устройство и принцип работы симметрирующего трансформатора

Симметрирующий трансформатор конструктивно мало отличается от обычного силового трансформатора.

У него есть магнитопровод, обмотки высокого и низкого напряжения. Основное отличие - наличие дополнительной симметрирующей обмотки. Она размещена поверх рабочих обмоток и намотана встречно, чтобы компенсировать их неравномерную загрузку.

Как это работает? Представим, к первой фазе подключили мощную нагрузку. В ней возникает большой ток I1, который создает магнитный поток Ф1. Этот поток наводит в симметрирующей обмотке ЭДС, пропорциональную току I1. В результате в обмотке протекает ток Ic, создающий компенсирующий поток Фц. В итоге суммарный поток в сердечнике близок к нулю, и фазные напряжения выравниваются.

Симметрирующий трансформатор может подключаться:
- без гальванической развязки - через разделительный трансформатор

В первом случае нулевая точка нагрузки соединяется с нейтралью сети. Во втором случае они разделены для обеспечения электробезопасности.

Принцип работы симметрирующего трансформатора показан на рисунке:

Таким образом, симметрирующий трансформатор автоматически распределяет нагрузку по фазам для выравнивания напряжений. Это позволяет избежать опасного перекоса фаз в трехфазных сетях.

Основные параметры и характеристики симметрирующих трансформаторов

Рассмотрим основные характеристики симметрирующих трансформаторов.

• Мощность. Определяет, какая максимальная нагрузка может быть подключена к симметрирующему трансформатору. Стандартный ряд мощностей: 10, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400 кВА.
• Напряжение и частота. Стандартные симметрирующие трансформаторы рассчитаны на напряжение до 1000 В и частоту 50 Гц. Бывают модели для частоты 60 Гц.
• Класс напряжения обмоток. Характеризует уровень изоляции обмоток трансформатора. Для распределительных сетей используется класс напряжения 10 кВ.
• Потери холостого хода и КЗ. Потери холостого хода отражают расход энергии на намагничивание сердечника. Потери короткого замыкания - на нагрев обмоток. Чем меньше эти потери, тем эффективнее работает трансформатор.
• Тип изоляции и защита от перегрузок. Применяются разные системы изоляции - масляная, литая, сухая. Для защиты от перегрузок и коротких замыканий используют автоматические выключатели или предохранители.
• Климатическое исполнение. Определяет диапазон рабочих температур трансформатора. Для России подходит исполнение У или УХЛ - до -45 градусов.

Таковы основные параметры, которые нужно учитывать при выборе симметрирующего трансформатора.

Преимущества симметрирующих трансформаторов

Рассмотрим, какие преимущества дают симметрирующие трансформаторы.

• Выравнивание фазных напряжений и токов. Главное достоинство симметрирующих трансформаторов - эффективное выравнивание напряжений между фазами, а также балансировка токов по фазам. Это позволяет избежать опасного перекоса и устранить его последствия.
• Снижение потерь электроэнергии в сети. Благодаря выравниванию токов по фазам снижаются потери энергии в питающих линиях за счет уменьшения сопротивления нулевой последовательности.
• Увеличение ресурса электрооборудования. Устранение перекоса фаз снижает нагрузку на изоляцию и обмотки электродвигателей, трансформаторов, другого оборудования. Это увеличивает их срок службы.
• Повышение качества электроэнергии. СТ улучшает форму кривой напряжения, снижает амплитуду высших гармоник. Это важно для чувствительной электроники.
• Простота и надежность конструкции. В отличие от тиристорных стабилизаторов, симметрирующие трансформаторы не имеют подвижных частей и электронных компонентов. Это обеспечивает высокую надежность и долгий срок службы.

Типовые области применения симметрирующих трансформаторов

Где чаще всего используют симметрирующие трансформаторы?

• В распределительных электросетях промышленных предприятий. На производстве, где подключены различные станки, конвейеры, сварочное оборудование, легко возникает значительный перекос фаз. Установка СТ решает эту проблему.
• В бытовом секторе - коттеджи, таунхаусы. В индивидуальных домах часто используются мощные однофазные нагрузки типа кондиционеров, электропечей, что вызывает перекос. СТ восстанавливает баланс фаз.
• В IT-инфраструктуре дата-центров. Для бесперебойной работы серверов нужно качественное электропитание без перекоса фаз. Симметрирующие трансформаторы решают эту задачу.

Для резервных дизельных генераторов характерен перекос фаз из-за неравномерной нагрузки. СТ обеспечивает надежную защиту отдаленных потребителей.