Неполный треугольник

Фото: ООО «ЛУКОЙЛ-ЭНЕРГОСЕТИ»

Трёхфазные нагрузки можно питать от двух трансформаторных обмоток вместо трёх, соединённых по схеме треугольника. Такой режим конечно же обладает ограничениями, но вполне допустим как временный.

Бывает так, что в результате обрыва трансформаторной обмотки или по каким-либо другим причинам треугольник оказывается неполным. Поскольку оставшиеся в работе две фазные обмотки связаны между собой индукцией общего переменного магнитного поля, напряжения на их концах изменятся незначительно и в нагрузку можно продолжать подавать энергию, если ограничиться мощностью в 57,8% от номинальной мощности трёхфазного трансформатора.

В аварийных ситуациях такое решение порой может быть целесообразнее, чем отключение потребителей, поскольку позволяет худо-бедно поддерживать энергоснабжение до того момента, когда на энергообъект будет доставлен трансформатор на замену неисправному.

Обмоточная алхимия

Как видно на схеме 1, напряжения фазных обмоток равны напряжениям в линии. На холостом ходу при разрыве одной из обмоток напряжение на её концах не изменится. В этом можно убедиться, построив векторную диаграмму. Конечно, под нагрузкой произойдёт его изменение, но ненамного, при том условии, что фазные потребители сбалансированы и ограничены по мощности.

Попробуем оценить максимальные токи в трёхфазной линии, питаемой разомкнутым треугольником. Число обмоток трансформатора сократилось на треть, но отсюда не следует, что автоматически на треть снизится и передаваемая по линии мощность, поскольку токи в линиях перераспределяются специфическим образом. В случае полного треугольника (см. схему 2) ток в линии, представляя собой векторную сумму токов двух обмоток трансформатора, превышает их по абсолютной величине в 1,73 раза.

На схеме 3 можно видеть, что в случае разомкнутого треугольника токи в фазных проводах L1 и L3 равны токам в одиночных обмотках трансформатора, а ток в проводе L2 – векторной сумме токов двух обмоток.

Передаваемая по трёхфазной линии мощность равна U_L×I_L×1,73 (cosφ считаем равным единице). Значит, от схемы неполного треугольника можно получить мощность U_L×(I_L/1,73)×1,73 = U_L×I_L, а это – 58% от номинальной мощности исправного трансформатора, включённого по схеме треугольника.

Предположим, трансформатор мощностью 150 кВА обеспечивает нагрузку 130 кВА. Одна обмотка трансформатора вышла из строя. Какую часть нагрузки потребуется отключить? 130 кВА – 150 кВА × 58% = 43 кВА.

Устойчивая конфигурация?

Описанный эффект позволяет повысить надёжность энергоснабжения, не резервируя оборудование. Если вместо одного трёхфазного трансформатора взять три одинаковых однофазных и соединить их выходные обмотки треугольником (входные можно соединить треугольником либо звездой), тогда при выходе из строя любого из трёх трансформаторов электроснабжение потребителей хоть и с ограничением мощности, но всё же сохранится.

В теории подобная конфигурация выглядит не намного лучше, чем сдвоенный трёхфазный трансформатор (основной/резервный), но на практике многое зависит от ситуации на электротехническом рынке, то есть от цен, сроков заказа, разнообразия предлагаемых трансформаторов разных классов. Немаловажны и логистические расходы: доставить на объект три небольших однофазных трансформатора наверняка будет легче, чем один трёхфазный. Кстати, можно приобрести и четыре устройства – одно как запасное.

А что на практике? В развитых странах в неполный треугольник принято соединять трансформаторы напряжения, что позволяет одновременно с измерениями параметров электроэнергии организовать защиту линии от однофазных и многофазных замыканий на землю. Для силовых трансформаторов такой режим считается нештатным, его стремятся исключать. Более широкое распространение данная схема получила в развивающихся странах. Так, в Индии выпускаются специальные трёхфазные трансформаторы "open delta transformers" с двумя наборами обмоток. Поставщики отмечают: «Такие трансформаторы встречаются редко и обычно используются на малых мощностях там, где важна экономия».

На старт, внимание...

В принципе энергетики могут использовать режим неполного треугольника для банальной экономии средств или времени: поначалу запустить два однофазных трансформатора (см. схему 4), а третий подключить позднее, повысив располагаемую мощность сразу на 73%. При этом следует учитывать, что в схеме неполного треугольника энергооборудование работает с пониженной эффективностью.

Положим, у нас есть два однофазных трансформатора по 10 кВА, но они не смогут выдать в трёхфазную линию 20 кВА – придётся ограничиться уровнем 17,3 кВА. При этом каждый трансформатор будет нагружен на полную катушку. Таким образом, мощность 17,3 кВА получится при уровне потерь (в железе и меди), характерном для мощности в 20 кВА. Откуда возьмутся повышенные потери? Дело в том, что в такой конфигурации (при активной симметричной нагрузке) оба трансформатора генерируют реактивную мощность в 5 кВАр и сами же её балансируют, то есть между ними постоянно перетекает энергия.

Кроме того, при неполном треугольнике наверняка потребуется дополнительная балансировка фазных нагрузок, а это – тоже затраты и потенциальная причина отказа.