Объяснение векторных групп трансформаторов: Dyn11, Yyn0 и совместимость с системой

Краткое резюме

• Dyn11 имеет обмотку высокого напряжения, соединенную по схеме «треугольник». Yyn0 имеет обмотку высокого напряжения, соединенную по схеме «звезда». Обе обмотки имеют обмотку низкого напряжения, соединенную по схеме «звезда», с выводом на нейтраль.
• При значении HV в положении «12 часов» фазор низкого напряжения Dyn11 указывает на 11 и опережает на 30°. У Yyn0 нулевое фазовое смещение.
• При замене или параллельной проверке необходимо проверить фактическую фазировку, соотношение и отводы, импеданс, заземление и защиту, а также векторную группу.

Векторная группа трансформатора — это лаконичное описание сразу двух вещей: как подключена каждая трехфазная обмотка и как фазоры низкого напряжения располагаются относительно фазоров высокого напряжения. Она указывается в виде краткого кода на паспортной табличке — Dyn11, Yyn0, YNd11, YNyn0 — и читается слева направо в порядке «высокое напряжение/низкое напряжение», независимо от того, в каком направлении фактически протекает ток через устройство.

Эта единственная строка кода дает ответ на удивительно много практических вопросов. Она позволяет проектировщику определить, имеется ли нейтральная клемма на стороне низкого напряжения, какие соединения обмоток необходимо учитывать при расчете нулевой последовательности, а также можно ли подключить два агрегата к одной шине без постоянного фазового угла между ними. Она не сообщает вам импеданс трансформатора, схему его заземления, диапазон отводов или то, настроена ли для него схема защиты. Четкое соблюдение этих границ — вот что отличает полезное толкование кода от дорогостоящего его неверного толкования.

Ознакомьтесь с обозначениями обмоток трансформатора и обозначениями нейтрали

Буквы стоят на первом месте, поскольку они описывают физические связи, а именно эти связи определяют все возможные значения числа.

Заглавные буквы обозначают обмотку высокого напряжения, а строчные — обмотку низкого напряжения. D/d означает «дельта», Г/г означает «звезда» или «треугольник», и Z/z означает «зигзаг». Суффикс N/n означает, что нейтральная точка этой обмотки выведена на клемму. Порядок обмоток определяется напряжением, а не направлением передачи энергии: в случае повышающего трансформатора генератора, который передает энергию со стороны низкого напряжения на сторону высокого напряжения, обмотка высокого напряжения по-прежнему указывается первой. Руководство компании Schneider Electric по обозначениям обмоток объясняет значение этих букв.

Расшифровка двух символов, приведённых в этой статье рядом:

• Dyn11 — Обмотка высокого напряжения подключена по схеме «треугольник», обмотка низкого напряжения — по схеме «звезда», нейтраль низкого напряжения выведена наружу, положение 11 по часовой стрелке.
• Yyn0 — Обмотка высокого напряжения подключена по схеме «звезда», обмотка низкого напряжения подключена по схеме «звезда», нейтраль низкого напряжения выведена наружу, положение стрелки часов — 0. Большой буквы «N» нет, поэтому нейтраль высокого напряжения не выведена на клемму, хотя обмотка высокого напряжения подключена по схеме «звезда».

Именно в этом последнем пункте у многих возникают затруднения при чтении. Оба кода содержат букву «n», и легко предположить, что она обозначает трансформатор в целом, а не какую-то конкретную обмотку. Однако это не так. В схеме Yyn0 нейтраль доступна только на стороне низкого напряжения; точка соединения звезды высокого напряжения существует электрически внутри трансформатора, но не представлена в виде клеммы для подключения. С точки зрения системы «YNyn0» — это другой трансформатор, поскольку он имеет обе нейтральные клеммы и, следовательно, предоставляет различные возможности для привязки стороны высокого напряжения.

Номер фазы — это вторая половина формулировки, и он приобретает смысл только после того, как определены буквы. Обмотка типа «дельта» не имеет физической точки нейтрали, поэтому любая величина «фаза-нейтраль» на этой стороне должна вычисляться, а не измеряться на клемме. Стандартная конвенция решает эту проблему, допуская использование условной нейтрали для указания фазового сдвига. Эта условная нейтраль служит ориентиром для фазорной диаграммы; она не является доступной клеммой, и к ней ничего не должно подключаться.

Сравнение фазового сдвига Dyn11 и Yyn0 на векторных часах

Чтобы объективно сравнить две группы векторов, обе должны быть нанесены на одну и ту же систему отсчёта. В стандарте IEC 60076-1 для фазового сдвига используется следующая конвенция: берутся соответствующие фазоры «клемма–нейтраль» с каждой стороны, при этом используется реальная нейтраль, если она существует, и условная — если её нет; к клеммам высокого напряжения применяется положительная последовательность фаз, а фазоры вращаются против часовой стрелки. Фазор высокого напряжения располагается в положении «12 часов». Затем с того же циферблата считывается число, соответствующее фазору НН, причем увеличение этого числа соответствует увеличению отставания НН. См. Определение IEC, воспроизведённое GSO.

В соответствии с этой конвенцией:

• Dyn11. Опорная точка высокого напряжения (HV) находится в положении 12. Фазор «клемма низкого напряжения (LV) — нейтраль» отображается в положении 11. Положение 11 соответствует отставанию в 330°, что равнозначно опережению в 30°. Оба описания верны и отражают одну и ту же физическую зависимость; выбор того или иного варианта в документе зависит от того, используется ли «короткий» или «длинный» способ подсчета. В документации по оборудованию иногда прямо указывается, что низкое напряжение опережает на 30°, и отсчет низкого напряжения наносится на отметку 11, а высокого — на отметку 12 — при той же геометрии. Руководство по применению компании Danfoss иллюстрирует эту конвенцию.
• Yyn0. Ориентир высокого напряжения (HV) находится в положении 12. Фазор «к нулю» на клемме низкого напряжения (LV) также находится в положении 12, поскольку отметка 0 означает нулевое смещение. Оба фазора указывают в одном направлении на циферблате.

Два момента, на которые следует обратить внимание при считывании показаний этих приборов.

Во-первых, сравнение проводится между направлениями, а не величинами. Часовая диаграмма отражает углы. Следует отдельно рассматривать номинальные напряжения на клеммах и данные о соотношении по величине, четко разграничивая величины напряжения между фазами и напряжения обмоток. На циферблате направления используются для наглядности угла; длины стрелок не отражают расчёт соотношения напряжений. Группа векторов предоставляет информацию о подключении и фазах, тогда как фактические номинальные напряжения являются отдельными величинами, указанными на паспортной табличке.

Во-вторых, термины «опережение» и «запаздывание» описывают поворот фазора, а не ток. Группа векторов ничего не говорит ни о фазовом угле между напряжением и током, ни о коэффициенте мощности, ни о том, какая сторона в данный момент является источником. Это соотношение между двумя наборами напряжений, определяемое геометрией обмотки.

Практическое следствие сопоставления этих двух схем очевидно: между стороной низкого напряжения (НН) Dyn11 и стороной НН Yyn0, обе из которых отсчитываются от одного и того же эталона высокого напряжения (ВН), существует угловая разница в 30°. Именно этот факт лежит в основе большей части последующего обсуждения вопросов совместимости.

Отделить нейтральную клемму от заземляющей схемы

Строчные буквы n Это указание, касающееся аппаратного обеспечения. В нём говорится, что точка звёзды низкого напряжения выведена на клемму, к которой можно подключить кабель. В нём не указано, заземлена ли эта клемма, не указан импеданс заземления, а также не указано, рассчитана ли сетевая нейтраль на ток, который будет протекать через неё при работе какой-либо конкретной нагрузки.

Когда границы между этими понятиями стираются, происходит смешение трёх совершенно разных вещей:

1. Топология обмотки — существует ли вообще нейтральная точка, что является свойством схемы подключения (в схеме «дельта» её нет, а в схеме «звезда» — есть).
2. Терминал с удобным доступом — подчеркивается ли этот момент, то есть то, что фиксируется в записях N или n.
3. Заземление системы — как нейтраль (если она имеется) заземлена в установленной системе, а также что ещё и где заземлено.

В случае проекта, в котором на стороне низкого напряжения предполагается наличие нагрузок, подключенных между фазой и нейтралью, наличие нейтральной клеммы является обязательным условием, но не решением проблемы. При проектировании необходимо убедиться, что нейтральный провод действительно подведен к нагрузкам, что клемма и провод рассчитаны на ток нейтрали, который будет генерироваться при данном составе нагрузок, и что уровень дисбаланса в установке находится в допустимых пределах. Руководство компании Schneider Electric по заземлению систем показывает, как взаимосвязаны соединения обмоток и заземление системы. Четырёхпроводная распределительная система, питающаяся от трансформатора с доступным нейтральным проводом, представляет собой целостную конструкцию; тот же трансформатор, у которого нейтральный провод не подведён к нагрузке, такой конструкцией не является, независимо от того, что указано на паспортной табличке.

Как векторные группы влияют на замыкания на землю и дифференциальную защиту

Поведение при замыкании на землю — это уже совсем другой вопрос. Импеданс нулевой последовательности трансформатора зависит от группы обмоток и магнитной конструкции, а ток замыкания, протекающий в реальной установке, дополнительно зависит от того, как заземлена подключенная система с обеих сторон. Обертка, соединенная треугольником, может обеспечивать внутренний контур циркуляции для составляющих нулевой последовательности, но это отличается от пути тока нулевой последовательности по линии через три внешних вывода — однако величина любого тока замыкания на землю и его распределение между путями определяются расчетами по сети, для которых требуются фактические данные о трансформаторе и фактическая схема заземления системы. Сама по себе группа не определяет импеданс нулевой последовательности и не устанавливает способность обмотки пропускать ток нейтрали. См. Справочник ABB по распределению электроэнергии с учётом влияния схемы подключения обмоток и конструкции магнитного поля.

При замене оборудования векторная группа проявляет себя ещё в одном месте: в дифференциальной защите трансформатора. Дифференциальная схема для трансформатора с двумя обмотками может компенсировать фазовый сдвиг, вызванный группой обмоток, поскольку токи, поступающие в агрегат и выходящие из него, кажутся сдвинутыми на тот же угол. При замене агрегата необходимо проверить фактически используемый метод релейной защиты, характеристики трансформатора и данные трансформатора тока на соответствие параметрам нового агрегата. Схема защиты, введенная в эксплуатацию для одной векторной группы, не обязательно будет правильной для другой. Руководство по эксплуатации реле ABB приводит пример компенсации векторной группы.

Могут ли Dyn11 и Yyn0 параллельно питать одну и ту же шину низкого напряжения?

Рассмотрим конкретный случай. На предприятии установлен распределительный трансформатор Dyn11, питающий распределительный щит низкого напряжения. Предлагается установить второй трансформатор для распределения нагрузки на той же шине низкого напряжения; в качестве варианта предлагается трансформатор Yyn0 с той же мощностью в кВА и тем же номинальным коэффициентом трансформации, питаемый от той же последовательности фаз высокого напряжения, с традиционным соответствием клемм между обозначениями высокого и низкого напряжения.

На бумаге эти два агрегата выглядят взаимозаменяемыми. У обоих указаны одинаковые номинальные значения напряжения между фазами и мощности в кВА; у обоих предусмотрен вывод нейтрали низкого напряжения. Однако совпадение этих номинальных значений напряжения на клеммах не означает, что соотношения числа витков отдельных катушек одинаковы для различных схем подключения обмоток. Единственная строка на заводской табличке, которая отличается, — это группа векторного соединения, и именно она имеет решающее значение. При отсчете от одной и той же опорной точки высокого напряжения существующая сторона низкого напряжения находится в положении «11 часов», а сторона низкого напряжения предлагаемого агрегата — в положении «0 часов». Это означает смещение на 30° между двумя сторонами низкого напряжения. До замыкания предполагаемого соединения шин соответствующие напряжения на клеммах низкого напряжения будут различаться по фазе на 30°. Поэтому они непригодны для прямого параллельного подключения в указанной конфигурации. Совпадение значений kVA и номинального напряжения не устраняет эту разницу, поскольку ни один из этих параметров не характеризует угол.

Это ограниченный вывод, и его достаточно для данного обзора: при указанных условиях эти два агрегата не являются непосредственно совместимыми в рамках предусмотренной общей шины. Из этого следует конструктивное решение — пересмотреть технические характеристики, изменить схему обмоток или пересмотреть схему шины — а не процедура переключения. Ничто из изложенного здесь не следует рассматривать как метод соединения двух трансформаторов; это инженерное и эксплуатационное решение, принимаемое с учётом конкретной установки.

Перед параллельной работой убедитесь в совместимости трансформаторов

Более распространённой и менее заметной ошибкой является противоположная: предположение, что совпадение векторных групп решает вопрос. Это не так. Для двух кандидатов Dyn11 при одинаковых исходных допущениях код больше не вносит эту разницу в 30°, но фактическая фазировка и другие условия совместимости по-прежнему требуют проверки.

• Последовательность фаз и соответствие клемм. В данной группе указана схема подключения, а не схема проводки. Порядок фаз на входе высокого напряжения и фактическое физическое соответствие клемм высокого и низкого напряжения необходимо проверить по чертежам конкретных агрегатов. Даже два правильно маркированных трансформатора Dyn11, подключенных с неверным соответствием фаз, будут работать некорректно.
• Коэффициент и предполагаемый отвод. Коэффициент трансформации и фактическое положение отвода определяют напряжение холостого хода на шине низкого напряжения. Два агрегата с одинаковым номинальным коэффициентом трансформации, но установленные на разных отводах, будут иметь разное напряжение холостого хода, а возникающий циркулирующий ток является следствием разности напряжений, а не векторной группы.
• Импеданс и соединительные звенья. Импеданс короткого замыкания, номинальные мощности обоих агрегатов и импеданс соединительных звеньев низкого напряжения в совокупности определяют распределение нагрузки между ними. Соответствие векторных групп не дает никакой информации ни об одном из этих параметров.
• Нейтральное заземление и защита. Необходимо проверить в соответствии с проектной документацией, заземлены ли оба нейтрали, каким образом они заземлены и охватывает ли схема защиты новую конфигурацию. Две установки с одинаковой векторной группой могут находиться в системе, заземление которой делает их параллельное подключение иным, чем предполагает паспортная табличка.

Руководство по параллельной работе от Schneider Electric перечисляет характеристики, которые необходимо сравнить.

Чтобы получить более полное представление о том, как взаимосвязаны номинальные характеристики, импеданс и критерии выбора, ознакомьтесь с опубликованными материалами по теме чтение данных на заводской табличке трансформатора, Выбор распределительного трансформатора для промышленного проекта и процентное сопротивление при расчетах тока замыкания и падения напряжения охватывает связанные с ним величины. Данный Обзор семейств трансформаторов показывает ассортимент продукции, к которому применяются эти решения. Если вы готовитесь к замене или параллельному анализу, группа «Вектор» станет подходящей отправной точкой — просто убедитесь, что в списке также присутствуют остальные четыре направления исследования.

Часто задаваемые вопросы

Почему у Dyn11 наблюдается опережение на 30°, если такт 11 отстает?

Часы № 11 показывают отставание на 330° от эталона высокого напряжения. Полный оборот составляет 360°, поэтому направление низкого напряжения опережает эталон на 30°.

Что означает буква «n» в обозначении Yyn0?

Это означает, что звездная точка фаз выведена на нейтральную клемму. Ознакомьтесь с чертежами и техническими характеристиками, чтобы узнать о схеме заземления и возможностях использования нейтрали.

Чем YNyn0 отличается от Yyn0?

Оба имеют звездообразную схему подключения и нулевой фазовый сдвиг. Капитал N В схеме YNyn0 указано, что на наружную среду выведены как нейтраль высокого напряжения, так и нейтраль низкого напряжения.

Достаточно ли одной группы сопоставления для параллельной работы?

Проверить последовательность фаз и соответствие клемм, соотношение и отводы, импеданс и распределение нагрузки, а также схему заземления и защиты для предполагаемой общей шины.