A transzformátor impedanciájának magyarázata: Hogyan határozza meg a százalékos impedancia a rövidzárlati áramot, a feszültségesést és a párhuzamos üzemeltetést

Két 2000 kVA-os egység érkezett ugyanarra az alállomásra tavaly tavasszal. Ugyanaz a feszültségarány, ugyanaz a 208Y/120 V másodlagos feszültség, mindkét készülék UL-listázott a típistolcán. A üzembe helyezési csapat bekapcsolta a kötő megszakítót a párhuzamos kapcsoláshoz, és két órán belül az egyik egység tekercshőmérséklet-riasztója aktiválódott. Semmi nem volt hibás. Az egyik transzformátort 5,75%-os impedanciával vásárolták, a másikat 4,0%-ossal – és amikor két egység osztozik egy buszon, a terhelés az impedanciával fordított arányban oszlik el. A 4,0%-os egység kb. 59%-át vitte a teljes terhelésnek, míg partnerének csak 41%-a jutott. Így egy nagyobb transzformátor feladatait látta el, és úgy is melegedett.

Ez az egyetlen százalékpont az oka transzformátor impedancia több figyelmet érdemel, mint amennyit általában egyetlen sorban kap egy megrendelési feladatban. A százalékos impedancia egyszerre három dolgot határoz meg: mennyi rövidzárlati áramot kell megszakítania a kapcsolóberendezésnek, mennyi feszültségesést szenved el a terhelésmentes és a teljes terhelés között, valamint hogy két egység párhuzamos üzemeltetése lehetséges-e anélkül, hogy az egyik egység a másik terhelését is magára vállalná. Ha hibát követünk el a tervdokumentációban, az hibát eredményez a gyakorlatban, az ívgyújtási tanulmányban vagy a üzembe helyezési megbeszélésen.

 

A transzformátor impedanciája valójában mit mér

A százalékos impedanciát úgy mérik, hogy az egyik tekercset rövidre zárják, és a másikra változó feszültséget kapcsolnak. Emeljük a feszültséget addig, amíg a névleges áram folyik, majd fejezzük ki az alkalmazott feszültséget a névleges feszültség százalékában. Egy 5,75%-os transzformátor névleges áramának átfolytatásához egy rögzített rövidzárlatra 5,75%-a a névleges feszültségének szükséges. Az impedancia legnagyobb része a két tekercs között nem kölcsönösen átjáró szórófluxusból, valamint a rézvezeték saját ellenállásából származik.

Az eljárás szabványosított. Az impedancia- és terhelésveszteség-mérés a IEEE C57.12.90 folyadékkal hűtött egységek esetében a IEEE Standards Association tesztkód oldalán jelent meg ; az általános követelmények teljesítménynyomókra, beleértve a rövidzárlati impedancia megadásának módját, a IEC 60076-1 szabványban vannak meghatározva. Mindkét dokumentum előírja, hogy a megadott értéket egy megadott áramerősségre és egy referencia-hőmérsékletre kell vonatkoztatni, mivel az ellenállás-komponens – és ezáltal az összesített érték is – változik a tekercsek felmelegedésével.

A tipikus tartományok így néznek ki:

Transzformátortípus	Tipikus impedancia (%Z)	Mi határozza meg az értéket
Száraz típusú, legfeljebb 1000 kVA-ig	4–6%	Rövidzárlati áram korlátozása feszültségesés ellen
Folyadékkal hűtött elosztótranszformátor, 500–2500 kVA	4–6%	Hálózati rövidzárlati áram összehangolása
Közepes teljesítmény, 5–20 MVA	6–10%	Másodlagos kapcsolóberendezés névleges értéke, rendszer merevsége
Nagy teljesítmény, 20 MVA felett	8–16%	Rövidzárlati áram, egységköltség, feszültségszabályozás

 

Ezt egy tartományként kezelje, ne szabályként. Két beszállító ugyanazt a kVA-értéket különböző végpontokon is megadhatja, és mindkettő helyes lehet. A kapott szám egy tervezési kompromisszum, amelyet a specifikációs szakaszban állapodtak meg, nem pedig olyan adat, amelyet a gyári átvételi vizsgálat során derítenek fel.

 

Miért határozza meg a százalékos impedancia a rendelkezésre álló rövidzárlati áramot

Ez az aritmetika, amelyet a vásárlók többsége soha nem lát. Egységenként a transzformátor impedanciája határozza meg a szekunder oldalon elérhető áramot: Isc = névleges szekunder áram / impedancia (per unit mértékegységben). Vegyünk egy 2000 kVA, 480 V-os háromfázisú transzformátort. A névleges szekunder áram 2406 A. Az 5.75%impedancia esetén egy rövidre zárt háromfázisú hiba a szekunder oldalon kb. 41 800 A - Nem. A 4.0%ugyanazon transzformátor esetén kb. 60 150 A .

Ez a 1,75 százalékpontos különbség kb. 18 kA-val növeli a rendelkezésre álló rövidzárási áramot. Ez két különböző alacsonyfeszültségű kapcsolóberendezés-osztály, két különböző sín merevítési követelmény és két különböző eredmény az ívkibocsátási tanulmányban. A texasi és az albertai vállalkozók folyamatosan kérdezik tőlünk ezt – általában akkor, amikor egy koordinációs tanulmány eredménye olyan berendezéseket mutatott ki, amelyeket nem tudnak megvenni a feltételezett áron.

Az impedancia szintén alakot is tartalmaz. A százalékos érték a ellenállás-összetevő és a reaktív összetevő vektoriális összege, amelyek közül az első a terhelésveszteséget okozza, a második pedig a szivárgási energiát tárolja. Az arányuk meghatározza, mennyire lesz aszimmetrikus a rövidzárlati áram első néhány ciklusa, és a kiválasztott megszakítónak ezen aszimmetrián kell zárnia. Két azonos impedanciaértékkel, de különböző arányokkal rendelkező transzformátor nem cserélhető ki egymással egy rövidzárlati tanulmányban.

 

 

Feszültségszabályozás: Ugyanannak a kompromisszumnak a másik fele

Az impedancia korlátozza a rövidzárlati áramot, de ára a feszültségszabályozás romlása. Terhelés alatt a kivezetési feszültség annyira csökken, amennyire az impedancia és a terhelésáram aránya engedi, és a csökkenés közelítőleg egyenlő az ellenállás-összetevő szorozva a terhelési szög koszinuszával, plusz a reaktív összetevő szorozva a terhelési szög szinuszával. Egy merevebb transzformátor – alacsonyabb impedancia – jobban tartja a szekunder feszültséget, ami pontosan azt jelenti, amire egy motoros gyártóüzem vagy egy szűk feszültségtartományú adatközpont vágyik.

Ha csökkentjük az impedanciát, a szekunder feszültség sík marad, de a rendelkezésre álló rövidzárási áram és minden lefelé irányuló eszköz költsége is nő. Ha növeljük az impedanciát a rövidzárási áram korlátozására, ugyanazok a terhelések nagyobb feszültségesést és nagyobb reaktív veszteséget tapasztalnak. Egyetlen tekercselési geometria sem biztosítja mindkét tulajdonságot, ezért ezt az értéket a specifikációs megbeszélésekbe kell bevonni, nem pedig alapértelmezett sablonba.

A szabványok azt is elfogadják, hogy a megadott érték nem pontos. IEC 60076-1 meghatározza, hogyan kell megadni a rövidzárási impedanciát, és milyen tűrés vonatkozik a megadott értékre; ezek a tűrések olyan szélesek, hogy egy készülék jogosan néhány tized százalékponttal eltérhet a szerződésben megadott értéktől. Ha a párhuzamos üzem tervezett, írja le a tűrési sávot, ne feltételezze, hogy a típistolapon szereplő érték pontos.

 

Párhuzamos üzem: ahol egy százalékpont valódi pénzt jelent

A párhuzamos üzemnek négy feltétele van, és az impedancia csupán az egyik: azonos feszültségáttétel és kapcsolóállás, azonos vektorcsoport és fáziseltolódás, azonos fázissorrend, valamint az impedancia nagyságának és a reaktív-ellenállás-arányának egyezése.

Ha a két egység impedanciája nem egyezik, akkor a terhelés az impedanciával fordított arányban oszlik el. A fenti üzembe helyezési példa a szövegkönyvi eset. Üzemeltesse egy 4,0%-os és egy 5,75%-os egységet a kombinált kapacitásuk 90%-ánál, és a kisebb impedanciájú egység már túllépte saját névleges értékét, miközben a másiknak még tartaléka maradt. A nagyobb impedanciájú egység soha nem éri el a telítettséget; partnerének kell hordoznia a párost.

A legtöbb ipari és üzemi szabvány a párhuzamos üzemre tervezett egységek közötti impedancia-különbség felső határát 10%-ra korlátozza, és ez a figyelmeztetés indokolt, mivel az egyensúlytalanság gyorsan nő, ahogy a különbség szélesedik. Ha két transzformátor jövőbeni összekötése akár csak lehetséges is, akkor mindkét beszerzési megrendelésbe egyszerre be kell írni az impedancia-tartományt. Öt évvel később egy illeszkedő egység beszerzése éppen ott teszi drágává ezeket a projekteket.

 

Hogyan adjunk meg impedanciát anélkül, hogy magunkat korlátoznánk?

Egy transzformátor impedancia-értéke egy megadott specifikáció, nem pedig egy később kiderítendő vizsgálati eredmény. Hét tényező tartozik az RFQ impedancia-szakaszába, és ezek többsége semmibe sem kerül a megadásuk:

• Impedancia-érték és tűrés. Add meg a névleges értéket és az elfogadható tartományt, mindkettőt a névleges áramra vonatkoztatva.
• Referencia-csatlakozási pont. Az impedancia a csatlakozási pontok teljes skáláján változik, ezért jelezd, hogy melyik csatlakozási pontra vonatkozik az érték, és kérjük a szélső csatlakozási pontok értékeit is.
• Referencia-hőmérséklet. Az ellenállás hőmérsékletfüggő, és az általad megadott szám is az.
• A lefelé irányuló hibabíróság. Adja meg a szállítónak a kapcsolóberendezés névleges értékét, és hagyja, hogy ő javasolja az ahhoz illő impedancia-tartományt.
• Feszültségszabályozási követelmény a tervezési terhelés teljesítménytényezőjénél.
• Párhuzamos üzem szándéka. Ha később egy második egység is hozzáadható, jelezze ezt most, és adja meg a megfelelő sávot.
• Jelentési követelmények. Kérje a mért impedancia- és terhelésveszteség-adatokat a szokásos vizsgálati jelentésben, ne csak a tervezési számításban.

Az utolsó pont fontosabb, mint amilyennek látszik. Több projekt során is figyeltük, ahogy egy párhuzamosan üzemelő egységpár nem osztja el a terhelést, mert a két szokásos vizsgálati jelentés sosem került egymás mellé helyezésre a üzembe helyezés előtt.

 

Hogyan méri és jelenti a Ryan Electric az impedanciát

Minden egység, amely elhagyja a tesztterületünket, impedancia- és terhelésveszteség-méréseken megy keresztül névleges áramerősségnél, és az eredményeket a deklarált értékhez viszonyítva jelentjük, a ténylegesen szállított csatlakozási helyzetekre vonatkozóan, nem csupán a fő csatlakozási helyzetre. Amennyiben az ügyfél jövőbeli párhuzamos üzem céljából megadott egy illeszkedési sávot egy egyedi háromfázisú transzformátor , ugyanaz a jelentés tartalmazza a szélsőszabályozási értékeket is, így a üzembe helyezést végző mérnök ellenőrizheti a párost az üzembe helyezés előtt.

Egy 120 000 négyzetméteres gyártóüzemben gyártunk, ahol több mint 180 darab gyártó- és tesztelőberendezés áll rendelkezésre, valamint 37 szabadalommal rendelkezünk; emellett UL-, CSA-, IEEE-, DEKRA-, CNAS- és CE-tanúsítványaink vannak. 2023 óta a Ryan Electric hivatalos közös vállalkozási partnere az Eaton cégnek, és ez a kapcsolat szigorította minden általunk kiadott tesztjelentés mögötti dokumentációs szabványt. A névplacson feltüntetett impedanciaérték egy mért érték, amely mögött nyomon követhető rögzítés áll, és ez az egyetlen olyan változata ennek a számnak, amely érdemes bevonni egy koordinációs tanulmányba.

 

Küldje el nekünk az egyszerűsített kapcsolási rajzot a megrendelés leadása előtt

Küldje el nekünk az egyvonalas kapcsolási rajzot, a transzformátor névleges teljesítményét, a másodlagos kapcsolóberendezés névleges teljesítményét és a terhelési profilját. Mérnöki csapatunk visszajelzést ad egy olyan transzformátor-impedancia-tartományról, amely egyszerre kielégíti a rövidzárlati áramra és feszültségesésre vonatkozó korlátozásokat, valamint – ha párhuzamos üzem tervezett – egy olyan összhangban lévő tartományt mindkét egység számára, hogy a páros már az első naptól egyenletesen ossza el a terhelést. Az impedancia papíron történő meghatározása nem jár költséggel. A későbbi üzembe helyezési út során történő korrekció viszont kiesést eredményez.

 

A szerzőről: Ezt a cikket a Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) mérnöki csapata írta, egy 2007 óta működő gyártó, amely öntött műgyantás, olajjal töltött és pad-mounthoz készült transzformátorokat gyárt hasznosító, adatközponti, megújuló energiatermelési és ipari ügyfelek számára. A csapat naponta dolgozik az IEEE C57 és az IEC 60076 előírásokkal, és támogatja a fejlesztőket és az EPC-kivitelezőket a specifikációban, a gyári tesztelésben és a helyszíni üzembe helyezésben.