Transzformátorok párhuzamos üzemeltetése: terheléselosztás, %Z-illesztés és azok a hibák, amelyek leállási időt okoznak a villamosenergia-szolgáltatóknál

Két nyárral ezelőtt egy texasi közművállalat egy második, 1000 kVA-os pad-mount típusú transzformert telepített egy meglévő egység mellé, hogy kezelje egy növekvő lakóterületi elosztóvezeték terhelését. A terv egyszerűnek tűnt: a másodlagos oldalakat közös sínre kapcsolták, és mindkét egység osztozott a terhelésen. Papíron a két névleges adattábla egyezett. A gyakorlatban az első próbálkozás erős zümmögést, egy alacsony feszültségű oldali biztosítószálat kiolvadását és egy délutánig leállt alállomást eredményezett. Az ok nem hibás berendezés volt – hanem egy impedancia-mismatch, amelyet senki sem ellenőrzött az üzembe helyezés előtt. Transzformátorok párhuzamos üzemeltetésénél egyszerűnek tűnik egy egyszerűsített kapcsolási rajzon, és keményen megbünteti azokat a részleteket, amelyeket senki sem ellenőriz.

Miért üzemeltetik a villamosművek és ipari üzemek párhuzamosan transzformátorokat

Két egység egy főelosztón történő üzemeltetése már nem különleges eset. A terhelés gyorsabban nő, mint ahogy egy egységet megrendelhetnének és szállíthatnának, ezért a tulajdonosok lépcsőzetesen bővítik a kapacitást: most telepítenek egy transzformátort, majd akkor párhuzamosítanak egy másodikat, amikor a tápláló vonal megtelik. A villamosművek párhuzamosan üzemeltetik az egységeket, hogy karbantartás céljából kivonhassanak egyet anélkül, hogy le kellene választaniuk a fogyasztókat. Az ipari üzemek kisebb egységeket üzemeltetnek párhuzamosan, mert két kompakt transzformátor elfér egy épületben ott, ahol egy nagyobb egység nem férne el. Minden esetben ugyanaz a cél: egy főelosztó, két forrás, a terhelés automatikusan megoszlik.

A csapda: a párhuzamosan üzemeltetett egységek csak akkor osztják fel a terhelést úgy, ahogy várjuk, ha elektromos jellemzőik összhangban vannak. Ha egy feltétel sem megfelelő, a pár nem egy 2000 kVA-os bankként, hanem két egymással harcoló gépként kezd viselkedni. A hibák túlmelegedésként, biztosítékkioldásként és védelmi kioldásként jelentkeznek – mindig a legrosszabb pillanatban, általában akkor, amikor a garanciával kapcsolatos beszélgetés már lezárult.

 

A transzformátorok biztonságos párhuzamos üzemének feltételei

Két transzformátor összekötése egy közös buszra öt feltétel teljesülését igényli:

• Azonos fázissorrend és azonos fáziseltolódás (vektorcsoport). Egy Dyn11 típusú egység nem üzemelhet párhuzamosan egy Dyn1 vagy egy Yyn0 típusú egységgel fázisszög-probléma nélkül.
• A működési szabályozóponton azonos feszültségarány, kb. 0,5 százalékos eltérésen belül. A névleges értéktől eltérő szabályozópontok is számítanak — mindkét egységnek ugyanazon a szabályozóponton kell lennie.
• A százalékos belső impedancia közel azonos, kb. 10 százalékos eltérésen belül. Minél közelebb vannak egymáshoz a %Z értékek, annál igazságosabb a terheléselosztás.
• Kompatibilis rövidzárlati teljesítmény és védelem. A busz, az olvadóbiztosítók és a megszakítók képeseknek kell lenniük mindkét egység együttes rövidzárlati hozzájárulásának kezelésére.
• Azonos rendszerfrekvencia és közös referencia — két különböző hálózatokra tervezett egység nem üzemelhet egy buszon.

Ezek a mondatok úgy hangzanak, mint egy tankönyvből való idézetek, amíg valódi projekt nem kerül szóba. Mérnökeink azonban bármely párhuzamos ajánlat előtt a rutin tesztjelentésekben szereplő mért értékeket hasonlítják össze – nem a névleges adatokat. A tényleges üzemelési fokozaton mért %Z és a mért áttétel dönti el, hogy két egység biztonságosan oszthatja-e a buszt.

 

Terheléselosztás és %Z: Ahol a matematika megcsíp

A fő szabály transzformátorok párhuzamos üzemeltetésénél a terhelés az impedanciára, nem a jó szándékra oszlik. Két azonos névleges teljesítményű egység esetén a kVA-érték, amelyet mindegyik átvállal, fordítottan arányos saját %-os impedanciájával: az alacsonyabb impedanciájú egység nagyobb részt vállal. Vegyünk két 1000 kVA-os egységet, amelyek névleges tábláján 5,5 százalék és 6,5 százalék impedancia szerepel. Egy 2000 kVA-os bank teljes terhelése mellett az 5,5 százalékos egység körülbelül 1083 kVA-t próbál átvinni – névleges teljesítményének 108 százalékát –, míg a 6,5 százalékos egység csak 917 kVA-t visz. Az alacsonyabb impedanciájú egység eléri a 100 százalékos terhelést, amikor a bank teljes terhelése csupán körülbelül 1846 kVA, azaz a tulajdonos által kifizetett kapacitás kb. 92 százaléka.

Bank: két 1000 kVA-os egység	Nem egyező %Z (5,5% / 6,5%)	Egyező %Z (5,5% / 5,5%)
Terheléselosztás 2000 kVA teljes terhelésnél	1083 kVA / 917 kVA (108% / 92%)	1000 kVA / 1000 kVA (100% / 100%)
Az a maximális bankkapacitás, amelynél egyik egység sem éri el a 100%-os terhelést	kb. 1846 kVA (92%)	2000 kVA (100%)
Kockázat teljes bankterhelés esetén	Az alacsonyabb %-Z egység túlmelegszik, gyorsabban öregszik, és kikapcsol	Nincs impedanciából eredő veszteség

Ezért két „azonos” egység, amelyek névleges impedanciája egy teljes ponttal tér el egymástól, a bankot már az üzembe helyezés előtt lefokozza. A megoldás nem egy nagyobb biztosíték. Hanem vagy a %Z értékek egyeztetése a specifikációban – kérjük mindkét gyártótól a mért értékeket a fő szabályozóponton –, vagy egy alacsonyabb bankteljesítmény elfogadása és ennek feltüntetése a védelmi beállításokban.

Számára transzformátor terheléselosztás , ugyanez a fordított arányossági szabály érvényes különböző névleges teljesítményekre is: mindegyik egység a saját névleges kVA-ját osztja a saját %Z-értékével, és csak akkor osztoznak arányosan a terhelésen, ha a %Z értékek közel vannak egymáshoz. Amikor egy ügyfelünk megkérdezi tőlünk, hogy egy 750 kVA-os egység párhuzamosítható-e egy 1000 kVA-os egységgel, válaszunk ugyanazzal a kérdéssel kezdődik: milyenek a mért impedanciaértékek, és melyik szabályozóponton fog működni mindkét egység?

 

Keringő áram: Mi történik, ha az áttételek nem egyeznek?

A feszültségarány-különbség olyan áramot hoz létre, amely két párhuzamosan kapcsolt egység között folyik, még akkor is, ha a sín terhelése zéró. A mérnökök ezt keringő áramnak nevezik, és értéke csak a két egység impedanciáinak összegétől függ. Gyors ellenőrzésként: két, egyenként 5,5 százalékos impedanciájú egység közötti 2,5 százalékos kapcsolási fokozat-különbség körülbelül 0,025 / (0,055 + 0,055) – azaz kb. 23 százalékos névleges áramot eredményez keringő áramként terhelés nélkül. Ez az áram veszteséget okoz, mindkét olajtartályt felmelegíti, és a tekercsek hőmérsékletét emeli anélkül, hogy bármilyen hasznos munkát végezne. Egy 0,5 százalékos aránykülönbség a terhelésmentes keringő áramot körülbelül 5 százalékra korlátozza, ezért a gyakorlati szabály: „az arányt fél százalékon belül kell illeszteni.”

Az arányeltérés terhelés alatt a terheléselosztást is torzítja, ami a magasabb áttételű egységet túlgerjesztés felé tolja, és a párost egyenetlen melegedés irányába. A fázisszöghibák még súlyosabbak: a kompatibilis vektorcsoportokkal nem rendelkező egységek összekötése gyakorlatilag rövidzárlatot jelent a buszon keresztül, és a védelem működésbe lép, mielőtt bárki idejében elolvashatná a mérőóra leolvasását. Minden párhuzamos telepítés, amelyet eddig láttunk, a buszon kezdődik a fázissorrend-ellenőrzéssel – nem azért, mert a mérnökök kétségbe vonnák a típistolapokat, hanem mert egy megfordított kábel megtalálása olcsóbb, mint egy leégett transzformátorállomás.

 

Mit ellenőrizzen a vizsgálati jelentésen a párhuzamos kapcsolás előtt

Minden általunk szállított egység tartalmaz egy rutin-vizsgálati jelentést a számokkal, amelyekre egy párhuzamos tanulmány szükséges. Mielőtt új transzformátort párhuzamosítana meglévő berendezésekkel, vonja ki ezeket az öt értéket mindkét egység jelentéseiből:

• A mért %Z érték a fő szabályozóhelyzeten, azonos alapon – nem a garanciálisan megadott típistolapi érték.
• A működési szabályozóhelyzetnél mért feszültségarány, beleértve azokat a nem névleges szabályozóhelyzeteket is, amelyeket tervezett módon használni fognak.
• Vektorcsoport vagy fáziseltolódás, valamint egy helyszíni fázissorrend-ellenőrzés a kapcsolás első elvégzése előtt.
• Üresjárási veszteség és terheléses veszteség – ezek határozzák meg a két egység hatásfokát, és feltárják a mag vagy a tekercsek közötti különbségeket.
• Szabályozókészülék helyzete és tartománya, hogy mindkét egységet ugyanarra a szabályozóhelyzetre lehessen állítani és ott is tartsák.

Ezeket a számokat előállító vizsgálati eljárásokat az IEEE C57.12.90 szabvány határozza meg, a folyadékkal hűtött transzformátorokra vonatkozó szabványos vizsgálati kód , és a névleges értékekkel, illetve a típistolap-konvenciókkal kapcsolatos előírások az IEC 60076-1 szabványból származnak, amelynek hatásköre a IEC Webstore oldalán található. Ha egy szállító nem tudja megadni a pontos egységre vonatkozó, mért impedancia- és arányszámokat, akkor ezt az egységet nem szabad párhuzamosan üzemeltetni más egységgel.

 

Mit ellenőrzünk a Ryan Electricnél, mielőtt két egység elindul a szállításra

Mivel 2023 óta az Eaton közös vállalkozásának partnere vagyunk, és portfóliónkban szerepelnek a UL, a CSA, az IEEE és a DEKRA tanúsítványaink, 120 000 négyzetméteres gyártótelepünk van, valamint 37 szabadalmunk áll mögött, ezért a párhuzamos üzemre kész készülékek rendeléseit dokumentációs feladatnak tekintjük, nem pedig ígéretnek. Amikor egy vevő közli velünk, hogy két egység egyetlen buszra lesz csatlakoztatva, akkor rögzítjük a mért %Z értékeket a fő és a névleges értéktől eltérő beállításoknál, elvégezzük az IEEE C57.12.90 szabvány szerinti szokásos vizsgálatokat, és a vizsgálati jelentésben megadjuk az impedanciát és az áttételt úgy, hogy a helyszíni mérnöknek nem kell telefonálnia vissza a gyárba.

A gyakorlatias tanács rövid. transzformátorok párhuzamos üzemeltetésénél , a pár minősége csak annyira jó, amennyire jó a legrosszabban illeszkedő paraméter – és a legrosszabban illeszkedő paramétert általában a részletes tesztjelentés apró betűs szövegében találjuk, amelyet senki sem hasonlított össze. Ha egy egységet meglévő bankhoz kíván hozzáadni, küldje el a régi egység tesztjelentését is az ajánlatkérésével együtt, és mi elvégezzük az impedancia- és arányösszehasonlítást, mielőtt árajánlatot adnánk. Ez az egyetlen lépés már olyan illeszkedési hiányosságokat is felfedett, amelyek csökkentették volna a bank teljesítményét, vagy első nap égőbiztosítékot okoztak volna.

Új transzformátor párhuzamos üzembe állítását tervezi meglévő berendezésekkel? Küldje el meglévő egységének tesztjelentését és az új névleges teljesítményt a ryantransformers.com webhelyen – mérnökeink ellenőrzik a %Z, az arány és a vektorcsoport kompatibilitását, majd olyan egységekre adnak árajánlatot, amelyek a tervezett egyvonalas kapcsolási rajz szerint osztják el a terhelést.

A szerzőről — Ezt a cikket a Ryan Electric mérnöki csapata írta, amely az Eaton közös vállalkozási partnere és a Jiangsu tartományban, Kínában működő, UL/CSA tanúsítvánnyal rendelkező transzformátor-gyártó, és észak-amerikai, dél-kelet-ázsiai, közel-keleti és afrikai szolgáltatói, megújuló energiaforrásokat használó és ipari ügyfeleket szolgál ki.