توضیح امپدانس ترانسفورماتور: چگونه درصد امپدانس جریان اتصال کوتاه، افت ولتاژ و کار موازی را تعیین می‌کند

دو دستگاه ۲۰۰۰ کیلوولت‌آمپری در بهار گذشته در یک ایستگاه فرعی وارد شدند. نسبت ولتاژ یکسان، ولتاژ ثانویه یکسان ۲۰۸Y/۱۲۰ ولت، و هر دو روی پلاک سازنده مورد تأیید UL بودند. تیم راه‌اندازی با بستن کلید اتصال، دو دستگاه را به‌صورت موازی قرار داد؛ اما در عرض دو ساعت، آلارم دمای سیم‌پیچ یکی از دستگاه‌ها فعال شد. هیچ قطعه‌ای معیوب نبود. یکی از ترانسفورماتورها با امپدانس ۵٫۷۵ درصد و دیگری با امپدانس ۴٫۰ درصد خریداری شده بود؛ و هنگامی که دو دستگاه یک اتوبوس مشترک را به اشتراک می‌گذارند، بار به‌صورت معکوس با امپدانس تقسیم می‌شود. دستگاه ۴٫۰ درصدی حدود ۵۹ درصد بار کل را بر عهده داشت، در حالی که همتای آن تنها ۴۱ درصد را تحمل می‌کرد. این دستگاه در واقع کار ترانسفورماتوری بزرگ‌تر را انجام می‌داد و مانند آن گرم می‌شد.

همین یک درصد واحد دلیل آن است ایمپدانس ترانسفورمر نیاز به توجه بیشتری دارد تا آنچه معمولاً در سفارش خرید تنها در یک خط ذکر می‌شود. درصد امپدانس همزمان سه چیز را تعیین می‌کند: مقدار جریان اتصال کوتاهی که تجهیزات قطع و وصل شما باید قطع کنند، مقدار افت ولتاژ بین حالت بدون بار و حالت بار کامل، و اینکه آیا دو دستگاه می‌توانند به‌صورت موازی کار کنند بدون اینکه یکی از آنها بخشی از بار دیگری را تحمل کند. اگر در محاسبات اشتباه کنید، این اشتباه در محل نصب، در مطالعه انفجار قوس الکتریکی یا در جلسه راه‌اندازی آشکار می‌شود.

 

در واقع امپدانس ترانسفورماتور چه چیزی را اندازه‌گیری می‌کند؟

درصد امپدانس با اتصال کوتاه کردن یک سیم‌پیچ و اعمال ولتاژ متغیر به سیم‌پیچ دیگر اندازه‌گیری می‌شود. این ولتاژ را تا جایی افزایش دهید که جریان نامی از سیم‌پیچ عبور کند، سپس ولتاژ اعمال‌شده را به‌صورت درصدی از ولتاژ نامی بیان کنید. برای یک ترانسفورماتور با امپدانس ۵٫۷۵ درصد، برای ایجاد جریان نامی در شرایط اتصال کوتاه صلب، باید ۵٫۷۵ درصد ولتاژ نامی آن را اعمال کرد. بیشتر این امپدانس از شار نشتی ناشی می‌شود که بین هر دو سیم‌پیچ پیوند ندارد، علاوه بر مقاومت ذاتی مس.

روش انجام این کار استاندارد شده است. اندازه‌گیری امپدانس و تلفات بار در IEEE C57.12.90 برای واحدهای غوطه‌ور در مایع، در صفحهٔ انجمن استانداردهای آی‌تی‌آی‌ئی (IEEE) برای کد آزمون منتشر شده است ؛ الزامات عمومی برای ترانسفورماتورهای قدرت، از جمله نحوهٔ اعلام امپدانس اتصال کوتاه، در IEC 60076-1 مشخص شده‌اند. هر دو سند خواستار این هستند که این مقدار نسبت به جریانی مشخص و دمای مرجعی بیان شود، زیرا مؤلفهٔ مقاومتی — و در نتیجهٔ کلی — با افزایش دمای پیچش‌ها تغییر می‌کند.

محدوده‌های رایج به این صورت است:

نوع ترانسفورماتور	امپدانس رایج (%Z)	عوامل تعیین‌کنندهٔ این مقدار
نوع خشک، تا ۱۰۰۰ کیلوولت‌آمپر	۴٪ تا ۶٪	محدودسازی جریان اتصال کوتاه در مقابل افت ولتاژ
توزیع غوطه‌ور در مایع، ۵۰۰ تا ۲۵۰۰ کیلوولت‌آمپر	۴٪ تا ۶٪	هماهنگی جریان اتصال کوتاه شبکه
توان متوسط، ۵ تا ۲۰ مگاولت‌آمپر	۶ تا ۱۰ درصد	رده‌بندی تجهیزات قطع و وصل ثانویه، سختی سیستم
توان بزرگ، بیش از ۲۰ مگاولت‌آمپر	۸ تا ۱۶ درصد	جریان اتصال کوتاه، هزینه واحد، تنظیم ولتاژ

 

آن را به‌عنوان بازه‌ای در نظر بگیرید، نه قاعده‌ای اجباری. دو تأمین‌کننده می‌توانند برای یک ظرفیت کیلوولت‌آمپری یکسان، مقادیری در دو انتهای این بازه پیشنهاد دهند و هر دو صحیح باشند. عددی که دریافت می‌کنید، جبرانی طراحی‌شده است که در مرحله مشخصات فنی توافق شده و نه چیزی که در آزمون پذیرش کارخانه کشف می‌شود.

 

چرا درصد امپدانس، جریان اتصال کوتاه قابل‌دسترس شما را تعیین می‌کند

این محاسبات ریاضی است که اکثر خریداران هرگز نمی‌بینند. امپدانس ترانسفورماتور در هر واحد، جریان قابل‌دسترس در سمت ثانویه را تعیین می‌کند: جریان اتصال کوتاه (Isc) برابر است با جریان نامی سمت ثانویه تقسیم‌بر امپدانس برحسب واحد نسبی. فرض کنید ترانسفورماتوری سه‌فاز با ظرفیت ۲۰۰۰ کیلوولت‌آمپر و ولتاژ ۴۸۰ ولت داریم. جریان نامی سمت ثانویه آن ۲۴۰۶ آمپر است. در 5.75%امپدانس مشخصی، اتصال کوتاه سه‌فاز صلب در سمت ثانویه می‌تواند به حدود ۴۱۸۰۰ آمپر . در 4.0%همان ترانسفورماتور در امپدانس دیگری به حدود ۶۰۱۵۰ آمپر .

برسد. این تفاوت ۱٫۷۵ واحدی، جریان اتصال کوتاه قابل‌دسترس را تقریباً ۱۸ کیلوآمپر جابه‌جا می‌کند. این تفاوت، تفاوتی میان دو رده از تجهیزات قطع و وصل ولتاژ پایین، دو نوع نیازمندی برای تقویت باس و دو نتیجه متفاوت از نظر انرژی حاصل از قوس الکتریکی در مطالعات مربوطه است. پیمانکاران تگزاس و آلبرتا به‌طور مداوم از ما در این باره سؤال می‌کنند، معمولاً پس از اینکه یک مطالعه هماهنگی نتایجی ارائه داده که تجهیزات مورد نیاز را نمی‌توان در قیمتی که آنها پیش‌بینی کرده‌اند تهیه کرد.

امپدانس نیز شکلی دارد. درصد امپدانس، جمع برداری مؤلفهٔ مقاومتی است که تلفات بار را ایجاد می‌کند و مؤلفهٔ واکنشی که انرژی نشتی را ذخیره می‌کند. نسبت این دو مؤلفه تعیین‌کنندهٔ میزان نامتقارن بودن چند سیکل اول جریان خطا است و قطع‌کننده‌ای که انتخاب می‌کنید باید قادر به بسته شدن در شرایط این نامتقارنی باشد. دو ترانسفورماتور با مقدار امپدانس یکسان اما نسبت‌های متفاوت در مطالعات خطایی قابل جایگزینی نیستند.

 

 

تنظیم ولتاژ: نیمهٔ دیگر همان مبادله

امپدانس محدودیت جریان خطا را فراهم می‌کند اما قیمت آن تنظیم ولتاژ است. تحت بار، ولتاژ دوسر ترانسفورماتور به میزانی کاهش می‌یابد که با امپدانس و جریان بار تناسب دارد؛ این افت تقریباً برابر است با حاصل‌ضرب مؤلفهٔ مقاومتی در کسینوس زاویهٔ بار به علاوهٔ حاصل‌ضرب مؤلفهٔ واکنشی در سینوس آن زاویه. ترانسفورماتوری با امپدانس پایین‌تر (سخت‌تر) ولتاژ ثانویه‌اش را بهتر حفظ می‌کند — که دقیقاً همان چیزی است که یک واحد صنعتی با بار اصلی موتوری یا یک سالن داده با پنجرهٔ ولتاژ باریک نیاز دارد.

کاهش امپدانس ورودی باعث می‌شود ولتاژ ثانویه تخت بماند، اما جریان اتصال کوتاه قابل دسترس افزایش یافته و هزینهٔ تمامی تجهیزات پایین‌دست نیز روند صعودی پیدا می‌کند. افزایش امپدانس برای کنترل جریان اتصال کوتاه، افت ولتاژ و تلفات راکتیو را برای بارهای مشابه افزایش می‌دهد. هیچ هندسهٔ واحدی برای سیم‌پیچ وجود ندارد که هر دو ویژگی را فراهم کند؛ بنابراین این موضوع باید در بحث مشخصات—نه در قالب پیش‌فرض—مطرح شود.

استانداردها همچنین می‌پذیرند که مقدار اعلام‌شده دقیق نیست. IEC 60076-1 روش تعیین امپدانس اتصال کوتاه و میزان تحمل خطا برای عدد اعلام‌شده را مشخص می‌کند؛ این محدوده‌های تحمل آن‌قدر گسترده‌اند که یک دستگاه می‌تواند به‌طور مشروع چند دهم درصد با عدد ذکرشده در قرارداد تفاوت داشته باشد. اگر قصد موازی‌سازی دارید، محدودهٔ تحمل را به‌صورت صریح در سند قرار دهید و فرض نکنید که عدد روی پلاک دقیقاً صحیح است.

 

موازی‌سازی: جایی که یک درصد تفاوت، پول واقعی می‌شود

عملیات موازی چهار شرط دارد و امپدانس تنها یکی از آن‌هاست: نسبت ولتاژ و موقعیت تپ منطبق، گروه برداری و جابجایی فاز یکسان، ترتیب فاز یکسان، و امپدانسی که هم از نظر بزرگی و هم از نظر نسبت مؤلفه‌های راکتیو به مقاومتی منطبق باشد.

هنگامی که امپدانس دو واحد با یکدیگر منطبق نباشد، بار به‌صورت معکوس با آن تقسیم می‌شود. مثال راه‌اندازی ذکرشده در بالا مورد کلاسیکی از کتاب‌های درسی است. اگر یک واحد با امپدانس ۴٫۰٪ و واحد دیگری با امپدانس ۵٫۷۵٪ را تا ۹۰٪ ظرفیت ترکیبی‌شان به‌کار ببرید، واحد با امپدانس پایین از ظرفیت خود عبور کرده است، درحالی‌که واحد دیگر هنوز حاشیه‌ی ظرفیت دارد. واحد با امپدانس بالاتر هرگز به حداکثر ظرفیت خود نمی‌رسد؛ بلکه شریکش بار کل زوج را تحمل می‌کند.

بیشتر مشخصات صنعتی و تأسیساتی حداکثر تفاوت امپدانس بین واحدهایی که قرار است به‌صورت موازی کار کنند را در ۱۰ درصد محدود می‌کنند، و این هشدار مستحق توجه است، زیرا نامتعادلی با گسترش شکاف به‌سرعت افزایش می‌یابد. اگر اتصال آینده دو ترانسفورماتور حتی امکان‌پذیر باشد، باند امپدانس را همزمان در هر دو سفارش خرید وارد کنید. تأمین یک واحد هماهنگ پنج سال بعد همان جایی است که این پروژه‌ها گران می‌شوند.

 

چگونه امپدانس را بدون محدود کردن خود مشخص کنیم

عدد امپدانس ترانسفورماتور یک ورودی مشخصاتی است، نه نتیجه‌ای آزمایشی که بعداً کشف می‌شود. هفت مورد در بخش امپدانس یک درخواست پیشنهاد قیمت (RFQ) جای می‌گیرند و اکثر آن‌ها برای بیان کردن هزینه‌ای ندارند:

• مقدار امپدانس و تحمل آن. مقدار اسمی و بازهٔ مجاز را هر دو در جریان نامی بیان کنید.
• ترموست ترجیحی. امپدانس در سرتاسر محدودهٔ ترمinals تغییر می‌کند، بنابراین بگویید این مقدار به کدام ترمینال اعمال می‌شود و همچنین مقادیر امپدانس در ترمینال‌های حدی را نیز درخواست کنید.
• دمای مرجع. مقاومت وابسته به دماست و عددی که شما مشخص می‌کنید نیز چنین ویژگی‌ای دارد.
• رتبه‌ی خطا در جهت جریان خروجی. رتبه‌ی تجهیزات قطع و وصل را به تأمین‌کننده اعلام کنید و از او بخواهید پنجره‌ی امپدانس مناسب با آن را پیشنهاد دهد.
• نیازمندی‌های تنظیم ولتاژ در ضریب توان بار طراحی‌شده.
• قصد موازی‌سازی. اگر امکان افزودن واحد دوم در آینده وجود دارد، هم‌اکنون این موضوع را اعلام کنید و محدوده‌ی تطبیق مورد نیاز را مشخص نمایید.
• الزامات گزارش‌دهی. در گزارش آزمون‌های معمولی، علاوه بر محاسبات طراحی، امپدانس و تلفات بار اندازه‌گیری‌شده را درخواست کنید.

آخرین مورد ذکرشده اهمیت بیشتری دارد تا آنچه به نظر می‌رسد. در بیش از یک پروژه، شاهد این بوده‌ایم که جفت ترانسفورماتورهای موازی به دلیل اینکه گزارش‌های آزمون معمولی آنها پیش از راه‌اندازی هرگز در کنار هم قرار نگرفته بودند، نتوانستند بار را به‌طور مساوی تقسیم کنند.

 

روش رایان الکتریک برای اندازه‌گیری و گزارش امپدانس

هر واحدی که از سالن آزمون ما خارج می‌شود، امپدانس و تلفات بار آن در جریان نامی اندازه‌گیری می‌شود و در گزارش، مقادیر اندازه‌گیری‌شده در مقابل مقادیر اعلام‌شده در موقعیت‌های تنظیم (تاپ) ارائه‌شده — نه صرفاً در تاپ اصلی — ثبت می‌گردد. در مواردی که مشتری برای موازی‌سازی آینده محدوده‌ی تطبیق خاصی تعیین کرده باشد، در ترانسفورماتور سه‌فاز سفارشی ، همان گزارش شامل اعداد مربوط به اکسترم‌تاپ نیز می‌شود تا مهندس راه‌اندازی بتواند جفت را قبل از روشن‌کردن بررسی کند.

ما در یک مجتمع تولیدی به مساحت ۱۲۰۰۰۰ مترمربع با بیش از ۱۸۰ دستگاه تجهیزات تولیدی و آزمایشی و ۳۷ اختراع ثبت‌شده فعالیت می‌کنیم و گواهینامه‌های UL، CSA، IEEE، DEKRA، CNAS و CE را داریم. از سال ۲۰۲۳، شرکت رایان الکتریک به‌عنوان شریک رسمی اتحاد مشترک اتون فعالیت می‌کند و این رابطه استانداردهای مستندسازی پشت هر گزارش آزمایشی صادرشده توسط ما را سخت‌تر کرده است. عدد امپدانس در پلاک محصول ما مقداری اندازه‌گیری‌شده است که سوابق قابل ردیابی پشت آن وجود دارد و تنها نسخه‌ای از این عدد است که برای استفاده در مطالعات هماهنگی ارزشمند است.

 

پیش از صدور سفارش، نمودار تک‌خطی را برای ما ارسال کنید

طرح یک‌خطی، ظرفیت ترانسفورماتور، ظرفیت تابلوی فشار متوسط و نمودار بار را برای ما ارسال کنید. تیم مهندسی ما پنجره‌ای از امپدانس ترانسفورماتور را ارائه خواهد داد که هم محدودیت جریان اتصال کوتاه و هم محدودیت افت ولتاژ را به‌طور همزمان رعایت می‌کند؛ و در مواردی که قصد موازی‌سازی وجود دارد، بازه‌ای منطبق برای هر دو واحد تعیین می‌شود تا از روز اول بار به‌صورت متعادل بین آن‌ها تقسیم شود. تعیین امپدانس در مرحله طراحی هیچ هزینه‌ای ندارد، اما اصلاح آن پس از سفر راه‌اندازی منجر به قطع برق می‌شود.

 

درباره نویسنده: این مقاله توسط تیم مهندسی شرکت Ryan Electric (ترانسفورماتورهای جیانگسو رایان) تهیه شده است؛ شرکتی تولیدکننده ترانسفورماتورهای رزینی ریخته‌گری‌شده، روغنی و نصب‌شده روی پایه که از سال ۲۰۰۷ به مشتریان برق‌رسانی، مراکز داده، تولیدکنندگان انرژی‌های تجدیدپذیر و صنایع خدمات ارائه می‌کند. این تیم هر روز با الزامات IEEE C57 و IEC 60076 کار می‌کند و در مراحل مشخصات فنی، آزمایش کارخانه‌ای و راه‌اندازی در محل، توسعه‌دهندگان و پیمانکاران EPC را پشتیبانی می‌کند.