Объяснение групп векторов трансформаторов: Dyn1, Dyn11 и Yyn0, а также почему «часовой номер» определяет успех вашего проекта

Два трансформатора выглядели идентичными на бумаге: каждый — 1250 кВА, 13,8 кВ / 480Y/277 В, значения импеданса отличались менее чем на 0,5 % друг от друга. Тем не менее их нельзя было включать в параллельную работу. Причина заключалась в одной строке на табличке — группа векторов трансформатора — где установленный трансформатор имеет обозначение Dyn11, а резервный, подлежащий замене, — Dyn1. В трёхфазных системах именно этот «часовой номер» решает, являются ли два устройства «близнецами» или «чужими», и при этом эта графа чаще всего остаётся незаполненной в техническом запросе.

Что на самом деле сообщает вам группа векторов трансформатора

Буквы обозначают схему соединения обмоток, а цифры — сдвиг фаз. Прописные буквы относятся к ВН-обмотке, строчные — к НН-обмотке: D и d означают «треугольник», Y и y — «звезда», Z и z — «зигзаг», а маленькая буква n означает, что нейтральная точка выведена и оконцована. группа векторов трансформатора запись Dyn11 означает ВН-обмотку, соединённую в «треугольник», НН-обмотку, соединённую в «звезду» с выведенной нейтралью, и сдвиг фаз 11 × 30 = 330 градуса.

Условное обозначение «часовой циферблат» определяется с использованием символов соединений IEC 60076-1 (https://webstore.iec.ch/en/publication/588/). Представьте, что вектор высокого напряжения указывает на 12 часов; вектор низкого напряжения располагается на часовой отметке, указанной цифрой. 11 часов соответствуют 330 градусам, то есть вторичное напряжение опережает первичное на 30 градусов. 1 час соответствует 30 градусам в противоположном направлении, поэтому в трансформаторе Dyn1 вторичное напряжение отстаёт от первичного на 30 градусов. Оба варианта допустимы и чрезвычайно распространены. При этом они отличаются друг от друга на 60 градусов, а не на 0 градусов — именно этот нюанс часто вызывает затруднения.

Ни один из этих параметров нельзя изменить при вводе в эксплуатацию. Группа определяется физическим соединением обмоток внутри бака и способом вывода выводов к клеммам, поэтому она фиксируется на стадии проектирования, указывается на табличке и подтверждается заводскими испытаниями. В рамках одного заказа вы также можете встретить YNd11 (звезда на стороне ВН с нейтралью, треугольник на стороне НН) для повышающих трансформаторов, Yzn11 — для зигзагообразных вторичных обмоток и Dd0 — для промышленных трансформаторов «треугольник–треугольник».

 

Группы векторов, с которыми вы столкнётесь в реальных проектах

Шесть групп охватывают почти всё, что проходит через нашу испытательную зону. Ниже приведена практическая версия таблицы, которую мы направляем инженерам проектов, когда они спрашивают, какую группу следует указать в технической спецификации.

Группа векторов	Сдвиг фаз (НН относительно ВН)	Где вы это встречаете	Причины выбора
Yyn0	0 градусов, в фазе	Малые распределительные устройства и сети НН, которые должны сохранять совпадение фаз с питанием ВН	Простое четырёхпроводное питание, но без обмотки «треугольник» для подавления гармоник кратных трём
Dyn1	НН отстаёт от ВН на 30 градусов	Трёхфазные распределительные устройства и наземные блоки, выполненные по североамериканской практике	Распространённая схема распределения ANSI и CSA; обмотка «треугольник» подавляет гармоники кратных трём
Dyn11	НН опережает ВН на 30 градусов	Европейские и соответствующие стандарту IEC распределительные сети, а также большинство экспортных проектов	Стандартная группа распределения по стандарту IEC с тем же гармоническим эффектом, что и у Dyn1
YNd11	НН опережает ВН на 30 градусов	Трансформаторы повышения напряжения генераторов и передачи электроэнергии: ВН — звезда с заземлённой нейтралью	Обеспечивает заземлённую нейтраль ВН в системе при дельта-соединении обмотки НН
Yzn11 / Dz0	НН опережает на 30 градусов / находится в фазе	Устройства, питающие сильно несимметричную четырёхпроводную нагрузку НН	Зигзагообразная вторичная обмотка пропускает ток нулевой последовательности без перегрева
Dd0 + Dy11	сдвиг фаз между двумя вторичными обмотками составляет 30 градусов	Трансформаторы для выпрямителей и двенадцатипульсных приводов	Угол 30 градусов между вторичными обмотками компенсирует пятые и седьмые гармоники

Наибольшие трудности вызывает региональный вариант обозначения. В Северной Америке для распределительных трансформаторов применяется обозначение Dyn1, при котором низкое напряжение отстаёт от высокого на 30 градусов; в стандартах МЭК и в Европе используется Dyn11, при котором низкое напряжение опережает высокое. Оба варианта корректны, и на однолинейной схеме часто указывают только буквы обмоток без цифры «часового» обозначения. Если в техническом задании указано лишь «треугольник–звезда» и больше ничего, поставщик изготовит трансформатор в соответствии с местной практикой, и запасной агрегат, заказанный в другой стране, может оказаться сдвинутым на 60 градусов относительно того устройства, которому он должен соответствовать.

Поэтому следует указывать полное обозначение: Dyn11, а не «треугольник–звезда». Также необходимо явно прописать требование к нейтрали, поскольку отсутствие буквы «n» в обозначениях Dd или Dy означает полное отсутствие нейтрального вывода — это влияет как на способ заземления сети НН, так и на работу защитных устройств. Дополнительные шесть символов на чертеже не увеличивают стоимость на стадии коммерческого предложения и не могут быть исправлены позднее без повторного подключения на заводе-изготовителе и проведения новых испытаний.

 

Почему число на циферблате определяет возможность параллельной работы двух устройств

Прежде чем два трансформатора смогут работать на общую шину, должны выполняться четыре условия: одинаковое фазовое смещение, одинаковое напряжение трансформации, близкие значения импедансов и идентичные положения регулировочных отводов. Только первое условие является обязательным. Руководство по параллельной работе в стандарте IEC 60076-8 (https://webstore.iec.ch/en/publication/606/) рассматривает этот вопрос именно в таком порядке: группа соединений должна совпадать, коэффициент трансформации — отличаться не более чем на долю процента, а импедансы — быть достаточно близкими, чтобы ни одно из устройств не превысило свой номинальный режим.

Вот что на самом деле происходит при несоответствии. Возьмём два блока мощностью по 1000 кВА с номинальным вторичным напряжением 480 В и внутренним сопротивлением 5,5 %. Если их векторные группы отличаются на 30 градусов, то вторичные напряжения находятся под разными углами сдвига фаз, а напряжение между соответствующими фазами двух устройств составляет 2 × 480 × sin 15°, то есть около 52 % от номинального напряжения. Разделив это значение на сумму двух сопротивлений, получим циркулирующий ток, приблизительно в 4,7 раза превышающий номинальный ток — ещё до подключения какой-либо нагрузки. Если номера «часовых» групп отличаются на 60 градусов — например, трансформатор Dyn1 рядом с Трансформатором Dyn11 — то разность напряжений между соответствующими фазами достигает полного номинального значения, а циркулирующий ток приближается к девятикратному номинальному току. Замыкание устройства параллельного включения в таком состоянии — это не просто неудобство при вводе в эксплуатацию; это короткое замыкание с выключателем.

Различия в коэффициентах трансформации и импедансах вызывают меньший шум, но обходятся дороже. При разнице коэффициентов трансформации на 1 % между двумя идентичными устройствами возникает циркулирующий ток примерно 9 % от номинального тока при импедансе 5,5 %; это проявляется как дополнительные потери холостого хода и нагрев трансформатора без нагрузки. Несовпадение импедансов не препятствует параллельной работе устройств — оно лишь определяет, какое из них работает интенсивнее: при одинаковых коэффициентах трансформации нагрузка распределяется обратно пропорционально импедансам, поэтому устройство с меньшим импедансом достигает полной нагрузки, тогда как его партнёр продолжает работать с меньшей нагрузкой. Именно так трансформатор перегружается на объекте, где все таблички с номинальными данными выглядят корректно.

 

Гармоники, заземление и несимметричная нагрузка: вторая причина, по которой группа имеет значение

Расположение обмоток выполняет функции, выходящие за рамки простого вращения фазора. В блоке Dyn соединённая треугольником ВН-обмотка обеспечивает замкнутый путь для токов третьей гармоники и нулевой последовательности внутри трансформатора, поэтому напряжение на вторичной стороне остаётся близким к синусоидальному даже при сильном возбуждении магнитопровода. В блоке Yyn, не имеющем обмотки треугольника и дополнительной обмотки, указанные токи не могут циркулировать в обмотках и вместо этого вызывают смещение нейтральной точки; именно поэтому конструкции Yyn обычно ограничиваются меньшими распределительными мощностями и плохо подходят для промышленных объектов, оснащённых частотно-регулируемыми приводами.

Дельта также обеспечивает путь для тока нулевой последовательности, необходимый для работы защиты от замыканий на землю. В трансформаторе типа Dyn замыкание на землю в низковольтной сети создаёт ток, который может быть обнаружен и измерен защитой со стороны высоковольтной обмотки, поскольку дельта обеспечивает обратный путь. Если выбрана группа без такого пути, ток замыкания вынужден проходить через систему заземления, что обычно приводит к более медленной или менее чувствительной настройке защиты. Наличие вывода нейтрали (буква «n» в обозначении Dyn11) определяет, будет ли использоваться четырёхпроводная низковольтная система, будет ли доступен нейтральный зажим для подключения резистора заземления или же нагрузка будет трёхпроводной и потребует заземления в другом месте.

Ещё два случая встречаются достаточно часто, чтобы учитывать их при проектировании. Объекты с высокой однофазной нагрузкой низкого напряжения, например коммерческое здание с большой нагрузкой на освещение и розетки, приходящейся на одну фазу, лучше всего обслуживать трансформаторами в группе «зигзаг», например Yzn11, которые рассчитаны на длительное протекание тока нулевой последовательности. Кроме того, двенадцатиимпульсный выпрямитель или мощный привод постоянного тока обычно питается от трёхобмоточного трансформатора, вторичные обмотки которого сдвинуты по фазе на 30 градусов, поскольку именно такой сдвиг обеспечивает подавление пятых и седьмых гармоник до их попадания в питающую сеть. Оба решения принимаются на стадии технического задания; ни одно из них не может быть реализовано в виде модернизации.

 

Что включить в техническое задание и как его проверить

Пять пунктов в запросе практически полностью устраняют риски. Во-первых, полный символ соединения с указанием часового числа, например Dyn11, а также требование к нейтрали. Во-вторых, диапазон регулирования напряжения (отпайки) и необходимость работы устройства на той же отпайке, что и существующий трансформатор — запасной трансформатор, идентичный по всем параметрам, кроме положения отпайки, не может быть подключён параллельно. В-третьих, требуемое значение импеданса с указанием допуска, поскольку диапазон 5,5–6 % — это иной продукт по сравнению с «примерно 6 %». В-четвёртых, уровень тока короткого замыкания, который должна выдерживать низковольтная обмотка, поскольку группа соединения взаимодействует со схемой заземления и защиты. В-пятых, требуемая последовательность фаз и принятые обозначения выводов, поскольку обозначения выводов по стандартам Северной Америки и IEC не совпадают.

Проверка проста и представляет собой рутинный, а не специальный тест. В стандарте IEC 60076-1 предусмотрены измерение коэффициента трансформации и проверка сдвига фаз, а в стандарте IEEE C57.12.90 среди измерений, выполняемых на маслонаполненных трансформаторах, указаны испытания коэффициента трансформации, а также испытания полярности и фазовых соотношений. Запросите протокол испытаний, в котором указан фактически измеренный сдвиг фаз для данного устройства, а не только значения коэффициентов трансформации. Протокол, содержащий три значения коэффициентов трансформации, но не включающий проверку схемы соединения, ничего не говорит о том, соответствует ли группа чертежу.

Затем сверьте табличку с контрольным листом до того, как устройство покинет завод. Символ подключения, коэффициент трансформации, импеданс, таблица ответвлений и векторная группа должны однозначно соответствовать одной и той же контрольной записи; на табличке также должен присутствовать знак соответствия, требуемый проектом: знак cULus или CSA — для установок в Канаде или США; стандарт CSA C227.4 определяет требования к трёхфазным распределительным устройствам, устанавливаемым на бетонных основаниях. Вы можете самостоятельно выполнить такую проверку в UL Solutions поиске сертификатов на сайте https://www.ul.com/, и это стоит сделать до того, как принять фотографию таблички в качестве подтверждения. Именно в этот момент следует также сфотографировать табличку и сохранить изображение: фотография станет эталоном при заказе следующего запасного компонента.

 

Как мы изготавливаем и тестируем индивидуальные трёхфазные устройства

Компания Ryan Electric производит трансформаторы с 2007 года на заводе площадью более 120 000 м², оснащённом свыше чем 180 комплектами производственного и испытательного оборудования и обладающей 37 патентами; при этом соблюдаются требования UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS и CE. Как UL listed transformer supplier , мы поставляем устройства с маркировкой cULus и соответствующие стандартам CSA для проектов в Северной Америке, а также группа векторов трансформатора на каждом устройстве проверяется в отсеке до окраски бака. Испытания соотношения и фазового соотношения проводятся на каждом трёхфазном устройстве; измеренное смещение фиксируется в листе рутинных испытаний, а табличка с техническими данными сверяется именно с этим листом, а не с чертежом, где чаще всего скрываются несоответствия.

Большинство индивидуальных работ, которые мы выполняем, не являются экзотическими. Это проект, которому требуется Трансформатором Dyn11 для согласования с европейской коммутационной панелью, или блоком Dyn1 для установки рядом с североамериканским трансформатором на опоре на одной шине, или резервным блоком, созданным в точном соответствии с уже установленным устройством, чья табличка — единственный сохранившийся документ, указывающий способ его подключения. С 2023 года мы также действуем в качестве официального партнёра по совместному предприятию с Eaton; это имеет значение главным образом по одной причине: документация и протоколы испытаний, которые ожидается вести партнёру по совместному предприятию, совпадают с теми записями, которые требуются инженеру проекта при возникновении вопроса о параллельном включении спустя три года после ввода в эксплуатацию.

 

Следующий шаг

Направьте нам два документа — и ответ обычно готов уже через день. Фотографию таблички имеющегося у вас трансформатора (включая символ соединения и таблицу отпаек), а также однолинейную схему шины, к которой будет подключаться новое устройство. Имея эти данные, наши инженеры подтвердят необходимую группу соединения и сообщат, доступен ли нужный вариант в наличии Трансформатором Dyn11 или сборка Dyn1 является подходящим решением, и зафиксируйте в письменной форме коэффициент трансформации, допуск по импедансу и диапазон регулировки ответвлений, обеспечивающие возможность параллельной работы.

Если вы определяете параметры с нуля и ещё не выбрали условное обозначение соединения, именно сейчас следует поднять этот вопрос. группа векторов трансформатора определяется по чертежу и подтверждается испытанием, поэтому на этапе составления коммерческого предложения можно свободно скорректировать его. Запросите проверку технической спецификации с пометками или направьте нам требуемые номинальные значения — мы предоставим группу соединения, диапазон импеданса и программу испытаний для вашего проекта.

О авторе

Это руководство подготовлено группой инженеров по применению компании Ryan Electric, a UL listed transformer supplier работаем с проектами коммунальных предприятий, промышленных объектов, центров обработки данных и возобновляемых источников энергии в Северной Америке, на Ближнем Востоке, в Юго-Восточной Азии и Африке. Наши инженеры проводили надзор за заводскими испытаниями на приемку маслонаполненных и сухих трансформаторов мощностью от 500 кВА до 200 МВА, включая проверку коэффициента трансформации и фазовых соотношений для трёхфазных конструкций. Направьте чертежи, график электродвигателей и фотографию существующей таблички с техническими данными на наш инженерный отдел для предварительного анализа до оформления заказа.