Обясняване на трансформаторното съпротивление: Как процентното съпротивление определя тока при късо съединение, падането на напрежението и паралелната работа

Две трансформаторни единици по 2000 кВА пристигнаха в една и съща подстанция миналата пролет. Един и същ коефициент на трансформация, еднакво вторично напрежение 208Y/120 V, и двете са сертифицирани според стандарта UL, както е посочено на табелката им. Екипът за пускане в експлоатация затвори свързващия прекъсвач, за да ги включат успоредно, и след по-малко от два часа се задейства алармата за температура на намотките на единия трансформатор. Нищо не беше повредено. Единият трансформатор беше закупен с импеданс 5,75 %, а другият — с 4,0 %. Когато две единици споделят обща шина, натоварването се разпределя обратнопропорционално на импеданса. Трансформаторът с 4,0 % импеданс поемаше приблизително 59 % от общото натоварване, докато партньорът му работеше при 41 %. Той изпълняваше функцията на по-голям трансформатор и се загряваше съответно.

Този единствен процент е причината импеданс на трансформатора заслужава повече внимание, отколкото обикновено получава в една поръчка – само един ред. Процентното съпротивление определя едновременно три неща: количеството ток при късо съединение, което Вашият разпределителен щит трябва да прекъсне; загубата на напрежение между режима без натоварване и пълното натоварване; и дали две уредби могат да работят паралелно, без едната да поема част от товара на другата. Ако грешите при изчисленията, грешката ще се прояви на място – при изследването на дъговия пробив или по време на събранието за пускане в експлоатация.

 

Какво всъщност измерва съпротивлението на трансформатора

Процентното съпротивление се измерва при късо съединение на една от намотките и прилагане на променливо напрежение към другата. Увеличавайте това напрежение, докато през намотката потече номинален ток, след което изразете приложеното напрежение като процент от номиналното напрежение. За трансформатор с 5,75 % съпротивление е необходимо 5,75 % от номиналното му напрежение, за да протече номинален ток през директно късо съединение. По-голямата част от това съпротивление се дължи на разсейващия магнитен поток, който не свързва двете намотки, както и на омическото съпротивление на медта.

Процедурата е стандартизирана. Измерването на импеданс и загуби при натоварване се извършва според IEEE C57.12.90 стандарт за течни трансформатори, публикуван на страницата на IEEE Standards Association за този изпитателен код ; общите изисквания за силови трансформатори, включително начинът на деклариране на късостворен импеданс, са изложени в IEC 60076-1 . И двата стандарта изискват стойността да се отнася до посочен ток и референтна температура, тъй като резистивната компонента – а следователно и общата стойност – се променя при нагряване на намотките.

Типичните диапазони изглеждат по следния начин:

Клас трансформатор	Типичен импеданс (%Z)	Каква е причината за стойността
Сух тип, до 1000 kVA	4% – 6%	Ограничаване на тока при повреда, за да се предотврати падане на напрежението
Течностно потопено разпределение, 500 – 2500 кВА	4% – 6%	Съгласуване на тока при повреда в електрическата мрежа
Средна мощност, 5 – 20 МВА	6 % – 10 %	Номинален ток на вторичното разпределително устройство, твърдост на системата
Голяма мощност, над 20 МВА	8 % – 16 %	Ток при повреда, единична стойност, регулиране на напрежението

 

Това трябва да се разглежда като диапазон, а не като правило. Два доставчика могат да предложат една и съща стойност в кВА, но в противоположните краища на този диапазон — и двамата ще бъдат прави. Получената цифра представлява компромис в проектното решение, уточнен още на етапа на спецификацията, а не нещо, което се установява при изпитанията за приемане на завода.

 

Защо процентното съпротивление определя наличния ток при късо съединение

Ето аритметиката, която повечето покупатели никога не виждат. На база на единица импедансът на трансформатора определя тока, достъпен на вторичната страна: Isc е равен на номиналния вторичен ток, разделен на импеданса в относителни единици. Вземете 2000 kVA, 480 V трифазен трансформатор. Номиналният вторичен ток е 2406 A. При 5.75%импеданс болтова трифазна повреда на вторичната страна може да достигне около 41 800 A . При 4.0%същият трансформатор достига около 60 150 A .

Тази разлика от 1,75 пункта променя достъпния ток при късо съединение с приблизително 18 kA. Това е разликата между два класа нисковолтово комутационно оборудване, две изисквания за укрепване на шините и два резултата от изследването за енергия при дъгов удар. Подизпълнителите в Тексас и Алберта постоянно ни питат за това, обикновено след като координационното изследване е показало оборудване, което те не могат да закупят по предположената цена.

Импедансът също има форма. Процентът представлява векторната сума на резистивна компонента, която предизвиква загуби при натоварване, и реактивна компонента, която съхранява енергията от разсейването. Съотношението между тях определя колко асиметрични ще бъдат първите няколко цикъла на аварийния ток, а избраният прекъсвач трябва да може да затваря при тази асиметрия. Две трансформатора с еднаква стойност на импеданса, но различни съотношения, не са взаимозаменяеми в изследване на аварийни режими.

 

 

Регулиране на напрежението: другата половина на същия компромис

Импедансът осигурява ограничаване на аварийния ток, но се плаща с регулирането на напрежението. При натоварване терминалното напрежение намалява с величина, пропорционална на импеданса и тока на натоварването; спадът е приблизително равен на резистивната компонента, умножена по косинуса на ъгъла на натоварването, плюс реактивната компонента, умножена по синуса. По-„твърд“ трансформатор – с по-нисък импеданс – поддържа по-добре вторичното си напрежение, което е точно това, от което се нуждае производствен обект с преобладаващи електродвигатели или център за обработка на данни с тесен допустим диапазон на напрежението.

Намаляването на импеданса поддържа вторичното напрежение плоско, но наличният ток при късо съединение нараства, както и цената на всяко по-нататъшно устройство. Увеличаването на импеданса за ограничаване на тока при късо съединение води до по-голямо падане на напрежението и по-големи реактивни загуби при същите натоварвания. Нито една геометрия на намотката не осигурява едновременно и двете характеристики, което е причината тази величина да се включва в дискусията за техническите изисквания, а не в стандартен шаблон.

Стандартите също признават, че декларираната стойност не е точна. IEC 60076-1 определя как се специфицира импедансът при късо съединение и каква толерантност се прилага към декларираната стойност; тези толерантности са достатъчно широки, така че един агрегат може законно да бъде тестван с отклонение от няколко десети процентни пункта спрямо стойността в договора. Ако паралелното включване е част от вашите бъдещи планове, запишете толерантността явно, вместо да предполагате, че стойността на табелката е точна.

 

Паралелно включване: Където един процентен пункт става реални пари

Паралелната работа изисква четири условия, като импедансът е само едно от тях: съвпадащи коефициент на трансформация и положение на стъпката, еднаква векторна група и фазово изместване, еднаква последователност на фазите, както и импеданс, който съвпада както по големина, така и по съотношението между реактивната и резистивната компонента.

Когато импедансите на двете уреда не съвпадат, натоварването се разпределя обратнопропорционално на тях. Горният пример от пускането в експлоатация е класическия случай. При работа на уред с 4,0 % импеданс и уред с 5,75 % импеданс до 90 % от общата им мощност уредът с по-нисък импеданс вече надвишава собствената си номинална мощност, докато другият все още има резерв. Уредът с по-висок импеданс никога не достига своята граница; неговият партньор поема цялото натоварване.

Повечето употребителски и индустриални спецификации ограничават разликата в импеданса между единици, предназначени за паралелна работа, до 10 %, а предпазната мярка е оправдана, тъй като несъответствието нараства бързо с увеличаването на тази разлика. Ако в бъдеще е възможно свързване на два трансформатора, посочете диапазона на импеданса във всички поръчки едновременно. Закупуването на съвместима единица след пет години е моментът, когато тези проекти стават скъпи.

 

Как да определите импеданса, без да се ограничавате

Стойността на импеданса на трансформатор е входен параметър за спецификация, а не резултат от изпитание, който се установява по-късно. В раздела за импеданс в заявката за оферта (RFQ) трябва да се посочат седем елемента, като повечето от тях не изискват допълнителни разходи:

• Стойност на импеданса и допустима грешка. Посочете номиналната стойност и приемливия диапазон, и двете при номинален ток.
• Референтен отвод. Импедансът се променя в целия диапазон на отводите, затова посочете, към кой отвод се отнася стойността, и поискайте също така стойностите за крайните отводи.
• Референтна температура. Съпротивлението зависи от температурата, а също така и числото, което задавате.
• Номинална стойност на тока при повреда в ниско напрежение. Съобщете на доставчика номиналната стойност на превключващото оборудване и го помолете да предложи подходящия диапазон на импеданс.
• Изискване за регулиране на напрежението. при коефициент на мощността при проектен товар.
• Намерение за паралелно включване. Ако по-късно може да се добави втора единица, посочете това още сега и уточнете необходимия диапазон за съвместимост.
• Изисквания към докладите. Поискайте измерената стойност на импеданса и загубите при товар в стандартния изпитателен доклад, а не само в проектните изчисления.

Последният елемент е по-важен, отколкото изглежда. На повече от един проект наблюдавахме как двойка трансформатори, включени паралелно, отказаха да разпределят товара поради това, че двата стандартни изпитателни доклада никога не бяха сравнени един до друг преди пускането в експлоатация.

 

Как Ryan Electric измерва и докладва импеданса

Всяка единица, която напуска нашата изпитателна зона, се подлага на измерване на импеданса и загубите при номинален ток, а резултатите се докладват спрямо декларираната стойност за действително доставените положения на превключвателя, а не само за основното положение. Когато клиентът е посочил диапазон за съвместимост за бъдещо паралелно включване на индивидуален трифазен трансформатор , в същия доклад се включват данните за крайните положения на превключвателя, за да може инженерът по пускане в експлоатация да провери двойката преди включване.

Произвеждаме в производствена база с площ от 120 000 квадратни метра, оборудвана с повече от 180 комплекта производствено и изпитателно оборудване и с 37 патента; притежаваме сертифициране според UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS и CE. От 2023 г. Ryan Electric работи като официален съвместен предприемач на Eaton, което допълнително усилва стандарта за документация, лежащ в основата на всеки издаван от нас изпитателен доклад. Стойността на импеданса, посочена на нашата табелка, е измерена величина с проследима документация зад нея — това е единствената версия на това число, която има смисъл да се използва в изследване за координация.

 

Изпратете ни еднолинейната схема преди поръчката

Изпратете ни еднолинейната схема, номиналната мощност на трансформатора, номиналната мощност на вторичното разпределително табло и профила на натоварването. Инженерният ни екип ще ви предостави диапазон от стойности за импеданса на трансформатора, който едновременно удовлетворява ограниченията за ток при късо съединение и за падане на напрежението; при планирано паралелно включване – също така ще определи съвместим диапазон за двете единици, за да се разпределя натоварването между тях още от първия ден. Определянето на импеданса на хартия не струва нищо. Коригирането му след пускане в експлоатация изисква прекъсване на захранването.

 

За автора: Тази статия е написана от инженерния екип на Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), производител на трансформатори с лито смолено изолиране, с маслено потопяване и монтирани на платформа, обслужващ клиенти от енергийния сектор, центровете за обработка на данни, възобновяемите източници на енергия и промишлеността от 2007 г. Екипът работи ежедневно с изискванията на IEEE C57 и IEC 60076 и подкрепя разработчиците и EPC-изпълнителите по време на специфициране, фабрични изпитания и пускане в експлоатация на обекта.