Трансформаторные подстанции высочайшего качества

Трехфазная система.

Под трехфазной системой э. д. с. (напряжений) понимают совокупность трех электрических цепей переменного тока одной частоты, э. д. с. которых не совпадают по фазе. На рис. 1,а приведена схема простейшего синхронного генератора трехфазного тока. Обмотки, в которых получается переменная э. д. с, помещены в пазы статора, смещенные по окружности на 120°. По обмотке ротора проходит постоянный ток, создавая магнитное поле. При пересечении обмоток статора магнитным полем вращающегося ротора в них наводится симметричная система трех синусоидальных э. д. с. одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых по фазе на 120° (рис. 1,б). За один оборот ротора, что соответствует периоду времени Т, в каждой из обмоток происходит полный цикл изменения э. д. с. Когда ось ротора I—I пересекает витки обмотки статора, в них наводится максимальная э.д. с. Но так как для трех обмоток статора это происходит в разные моменты времени, то

Рис 1 Получение трехфазной симметричной системы э. д. с.
а-синхронный генератор; б-график э.д.с.; в-векторная дивграмма э.д.с.; 1-статор; 2-обмотка статора; 3-ротор; 4-обмотка ротора

и максимумы наведенных э. д. с. не совпадают по фазе, т. е. их амплитуды Еа, Ев, Ес оказываются сдвинутыми одна относительно другой на 1/3 периода, или на 120°.

Фаза.
Угол, характеризующий определенную стадию периодически изменяющегося параметра (в данном случае э. д. с), называют фазовым углом или просто фазой. При совместном рассмотрении двух (и более) синусоидально изменяющихся э. д. с. одной частоты, если их нулевые (или амплитудные) значения наступают не одновременно, говорят, что они сдвинуты по фазе. Сдвиг всегда определяют между одинаковыми фазами, например между началами синусоид, как это показано на рис. 1,6, или между фазами амплитуд. При сдвиге двух синусоид по фазе одна из них будет отставать от другой по времени. Чтобы определить, какая из синусоид отстает, находят их начала, т. е. нулевые значения э. д. с. при переходе от отрицательных к положительным значениям. На рис. 1,6 начала обозначены буквами а, Ь, с. Из рисунка видно, что начало одной синусоиды (например, синусоиды, проходящей через точку Ь) расположено правее начала другой (синусоиды, проходящей через точку а). Это свидетельствует о том, что синусоида с началом в точке b отстает во времени от синусоиды с началом в точке а. Еще более отстает синусоида, проходящая через точку с, так как ее начало сдвинуто на 2/3 Т или на 240° от начала координат (момента, когда t = 0).
На практике под фазой трехфазной системы понимают также отдельный участок трехфазной цепи, по которому проходит один и тот же ток, сдвинутый относительно двух других по фазе. Исходя из этого, фазой называют обмотку генератора, трансформатора, двигателя, провод трехфазной линии, чтобы подчеркнуть принадлежность их к определенному участку трехфазной цепи.
Фазы именуют прописными буквами А, В, С. Но навешивать надписи букв на оборудование станций и подстанций не всегда удобно. Поэтому при окраске оборудования (например, сборных и соединительных шин в закрытых РУ), которая применяется с целью защиты от коррозии, используют красители различного цвета. В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) шины фазы А окрашивают в желтый цвет, фазы В -в зеленый и фазы С -в красный. Поэтому фазы часто называют Ж, 3, К. Для распознания фаз оборудования на кожухах, арматуре изоляторов, конструкциях и опорах наносят соответствующие цветные метки в виде кружков или полос.
Таким образом, в зависимости от рассматриваемого вопроса фаза — это либо угол, характеризующий состояние синусоидально изменяющейся величины в каждый момент времени, либо участок трехфазной цепи, т. е. однофазная цепь, входящая в состав трехфазной.

Порядок следования фаз.

Порядок, в котором э. д. с. трех фаз непрерывно проходит через одни и те же значения (например, через положительные амплитудные значения), называют порядком следования фаз. Трехфазные системы э. д. с. могут отличаться друг от друга порядком следования фаз. Если вращение ротора генератора происходит в направлении, изображенном на рис. 1,а, то порядок следования фаз будет А, В, С — это так называемый прямой порядок следования фаз. Если направление вращения ротора изменить, то изменится и порядок следования фаз. Фазы будут проходить через максимальные значения в порядке А, С, В,- это обратный порядок следования фаз.
Иногда вместо термина «порядок следования фаз» говорят «порядок чередования фаз». Во избежание путаницы условимся применять термин «чередование фаз» только в том случае, когда это связано с понятием фазы как участка трехфазной цепи.

Чередование фаз.
Итак, под чередованием фаз понимают очередность, в которой фазы трехфазной цепи (отдельные провода линии, обмотки и выводы электрической машины ит. д.) расположены в пространстве, если обход «их каждый раз начинать из одного и того же пункта (точки) и производить в одном и том же направлении, например сверху вниз, по часовой стрелке и т. д. На основании такого определения говорят о чередовании обозначений выводов электрических машин и трансформаторов, расцветки проводов и сборных шин. В ряде случаев порядок чередования фаз строго регламентирован. Так, согласно ГОСТ порядок чередования обозначений выводов синхронных машин принимается соответствующим порядку следования фаз для установленного направления вращения ротора. Правила устройства электроустановок предусматривают для закрытых РУ следующий порядок чередования окрашенных сборных шин при их вертикальном расположении: верхняя шина — желтая, средняя — зеленая, нижняя — красная. При расположении шин горизонтально наиболее удаленная шина окрашивается в желтый цвет, а ближайшая — в красный. Ответвления от сборных шин выполняются так, чтобы слева располагалась фаза А, справа — фаза С, если смотреть на шины из коридора обслуживания (при трех коридорах в РУ — из центрального).
На открытых подстанциях чередование окраски сборных и обходных шин ориентируют по силовым трансформаторам. Ближайшая к ним фаза шин окрашивается в желтый цвет, средняя — в зеленый, отдаленная — в красный. Ответвления от сборных шин выполняют таким образом, чтобы слева располагалась шина фазы А, справа — фазы С, если смотреть из ОРУ на вводы трансформаторов.
Отступление от указанных выше требований порядка чередования окраски крайних шин РУ ПУЭ допускает в виде исключения в тех отдельных случаях, когда соблюдение этих требований связано с усложнением монтажа или необходимостью установки специальных опор для транспозиции проводов воздушных линий.

Совпадение фаз.

При фазировке трехфазных цепей могут быть различные варианты чередования обозначений (расцветки) зажимов на включающем аппарате и подачи на них напряжения разных фаз. Для простоты дальнейших рассуждений допустим, что фазируемые напряжения двух трехфазных цепей имеют одинаковые порядки следования фаз. При этом условии фазы одноименных напряжений могут совпадать, а порядок чередования обозначений зажимов у выключателя — нет (рис. 2,а) или, наоборот, при одном и том же порядке чередования обозначений зажимов физируемые напряжения могут оказаться сдвинутыми по фазе (рис. 2,6). Поворот одноименных векторов напряжений относительно друг друга может быть не только на угол 120°, как это показано на рис. 2,6, но на любой угол, кратный 30°, что характерно для трансформаторов, имеющих разные группы соединения обмоток. В обоих приведенных случаях включение выключателя неизбежно приводит к к. з.

Рис. 2. Варианты несовпадения (а, б) и совпадения (в) фаз двух частей установки.

Однако возможен вариант, когда совпадает и то, и другое (рис. 2, в). Короткое замыкание между соединяемыми частями установки здесь исключено.
Под совпадением фаз при фазировке как раз и понимают именно этот случай, когда одноименные напряжения фазируемых трехфазных цепей совпадают по фазе, а чередование обозначений у выключателя зажимов (или их расцветка) согласовано с соответствующими фазами напряжений и между собой.

Векторное изображение синусоидально изменяющихся э. д. с. (напряжений, токов).

Периодически изменяющиеся синусоидальные величины изображают в виде синусоид (рис. 1,6) и вращающимися векторами — направленными отрезками прямой линии (рис. 1,в). Связь между синусоидальной кривой и вращающимися векторами показана на рис. 3. Синусоида получается проектированием вращающегося вектора (равного в заданном масштабе амплитуде изменяющейся э. д. с.) на вертикальную ось I—I, перемещаемую по оси абсцисс со скоростью, пропор-циональной частоте вращения вектора. Сдвиг фаз между двумя векторами, начала которых совмещены в одной точке, определяется углом j (рис. 4). Отставание вектора Ев от вектора Еа показано направлением стрелки угла j (против направления вращения векторов).
Следует сказать, что понятие вектора з. д. с. (напряжения, тока и т. д.) в электротехнике несколько отличается от понятия вектора, скажем, силы или скорости в механике. Если в механике векторы не могут быть определены полностью только по их значениям без указания направления их действия, то в электротехнике вращающиеся векторы не определяют действительного направления изображаемых ими величин в пространстве. Однако совокупное расположение вращающихся с одной частотой векторов (например, э. д. с. трех фаз) на диаграмме дает представление о происходящем в электрической цепи процессе во времени и позволяет сделать количественную оценку явлений путем проведения элементарных операций над векторами.

Puc. 3. Получение синусоидального графика при вращении вектора.

Рис. 4. Изображение двух з. д. с. синусоидами и векторами при различных углах сдвига, а — j = 0°; б — j = 90°, в — j = 180°.

Основные схемы соединений трехфазных цепей.
Обмотки электрических машин (генераторов, синхронных компенсаторов, двигателей) и трансформаторов соединяют в звезду или треугольник.

При соединении трех обмоток генератора в звезду концы их объединяют в одну точку (рис. 5, а), которую называют нулевой (или нейтральной). Электродвижущие силы между началами и нулевой точкой обмоток называют фазными э.д. с. и обозначают Еа, Ев, Ес, или просто Еф. Электродвижущие силы между выводами фаз называют линейными Ел. Они получаются как разности векторов соответствующих, фазных э. д. с. генератора, например, Еа — Ев = Еав (рис. 5,6). Порядок индексов в обозначении линейных э. д. с. не произволен — индексы ставятся в порядке вычитания векторов: Ев — Ес = Евс; Ес — Еа = Еса. С учетом заданного направления вращения векторов такой расстановке индексов соответствует вычитание вектора э. д. с. отстающей фазы из э. д. с. опережающей. В результате векторы линейных э. д. с. всегда опережают уменьшаемые фазные векторы на 30° Значения линейных э. д. с. в корень из трех, или в 1,73 раза больше фазных, в чем легко убедиться измерением векторов на диаграмме.

Рис. 5. Соединение обмоток генератора в звезду (а) и векторная диаграмма э. д. с. (б).

Соединение обмоток генератора треугольником показано на рис. 6,а.

Точки А, В, С являются общими для каждой пары фазных обмоток. Если к зажимам генератора не подсоединена нагрузка, то в обмотках, образующих замкнутый контур, отсутствует ток, обусловленный синусоидальными э. д. с. промышленной частоты, сдвинутыми относительно друг друга на 1/3 Т, так как в каждый момент времени геометрическая сумма этих э. д. с. равна нулю (рис. 6,6).
Из рис. 6 следует, что при соединении в треугольник фазная э. д. с. равна линейной и совпадает с ней по фазе. Заметим, что на станциях обмотки генераторов, как правило, соединяют в звезду. Соединение треугольником встречается крайне редко.
Обмотки трансформаторов, так же как и у генераторов, соединяют в звезду и треугольник (схема зигзаг встречается редко). Схема звезды часто выполняется с выведенной нулевой точкой. Схемы соединений в звезду, в звезду с выведенной нулевой точкой и в треугольник в тексте обычно обозначают буквами У, Ун и Д соответственно. Обмотки высшего напряжения (ВН) трансформаторов соединяют в У или Д независимо от схемы соединения источников питания. Вторичные обмотки низшего напряжений (НН) также соединяют в У или Д. 12
В отличие от генераторов у трансформаторов соединение треугольником по крайней мере одной из его обмоток является обычным.

Рис. 6. Соединение обмоток генератора в треугольник (а) и векторная диаграмма э. д. с. (б).