Równoległa praca transformatorów: rozdział obciążenia, dopasowanie procentowego impedancji (%Z) oraz błędy powodujące przestoje w sieciach elektroenergetycznych

Dwa lata temu przedsiębiorstwo energetyczne w Teksasie zainstalowało drugi transformator typu pad-mounted o mocy 1000 kVA obok istniejącego urządzenia, aby obsłużyć rosnące zapotrzebowanie na energię w sieci zasilającej obszar mieszkalny. Plan wydawał się prosty: połączyć uzwojenia wtórne na wspólnej szynie i umożliwić obu jednostkom współdzielenie obciążenia. Na papierze dane z tabliczek znamionowych obu urządzeń zgadzały się. W rzeczywistości pierwsza próba połączenia spowodowała głośny brzęk, przepalenie się zwory bezpiecznikowej po stronie niskiego napięcia oraz wyłączenie stacji transformatorowej na cały popołudniowy okres. Przyczyną nie były uszkodzone elementy sprzętu – była niestosowna zgodność impedancji, której nikt nie sprawdził przed podaniem napięcia. Równoległego działania transformatorów wygląda prosto na schemacie jednoliniowym, ale surowo karze za szczegóły, których nikt nie weryfikuje.

Dlaczego elektrownie i zakłady przemysłowe łączą transformatory równolegle

Eksploatacja dwóch jednostek na jednej szynie nie jest już przypadkiem szczególnym. Obciążenie rośnie szybciej, niż można zamówić i dostarczyć pojedynczą jednostkę, dlatego właściciele stopniowo zwiększają moc: instalują jeden transformator teraz, a drugi dołączają równolegle w momencie, gdy obciążenie doprowadzającego przewodu osiągnie maksimum. Przedsiębiorstwa energetyczne łączą jednostki równolegle, aby móc wyjmować jedną z nich z eksploatacji w celu konserwacji bez odcięcia odbiorców. Zakłady przemysłowe łączą równolegle mniejsze jednostki, ponieważ dwa zwarte transformatory zmieszczą się w budynku, w którym nie zmieści się jeden duży transformator. W każdym przypadku cel pozostaje ten sam — jedna szyna, dwa źródła zasilania, obciążenie dzielone automatycznie.

Pułapka: jednostki połączone równolegle rozdzielają obciążenie zgodnie z oczekiwaniami tylko wtedy, gdy ich cechy elektryczne są zgodne. Jeśli jedna z warunków nie zostanie spełniona, para przestaje działać jak pojedynczy bank o mocy 2000 kVA i zaczyna zachowywać się jak dwie maszyny walczące ze sobą. Awarie objawiają się przegrzewaniem, zadziałaniem bezpieczników oraz wyłączeniem przez układy zabezpieczające — zawsze w najmniej odpowiednim momencie, zwykle po zakończeniu rozmów dotyczących gwarancji.

 

Warunki bezpiecznego równoległego działania transformatorów

Przed podłączeniem dwóch transformatorów do wspólnej szyny muszą być spełnione pięć warunków:

• Taka sama kolejność faz i taki sam przesunięcie fazowe (grupa wektorowa). Jednostka typu Dyn11 nie może pracować równolegle z jednostką typu Dyn1 ani Yyn0 bez wystąpienia problemu kąta fazowego.
• Stosunki napięć równe przy działającej pozycji uzwojenia, z odchyleniem nie przekraczającym ok. 0,5 procenta. Pozycje odchylenia od wartości znamionowej również są istotne — obie jednostki muszą znajdować się na tej samej pozycji uzwojenia.
• Wartości impedancji procentowej powinny być zbliżone, z odchyleniem nie przekraczającym ok. 10 procent. Im bliższe sobie wartości %Z, tym bardziej sprawiedliwy jest podział obciążenia.
• Zgodność zdolności zwarciowych i ochrony. Szyna, bezpieczniki oraz wyzwalacze muszą wytrzymać łączny udział obu jednostek w prądzie zwarcia.
• Taka sama częstotliwość systemu i wspólna referencja — jednostki zaprojektowane do różnych sieci nie mogą pracować na wspólnej szynie.

Te teksty brzmią jak cytaty z podręcznika, dopóki nie pojawia się rzeczywisty projekt. Zanim nasz zespół inżynierów przygotuje jakiejkolwiek propozycji równoległej, porównuje wartości zmierzone w raportach z badań rutynowych — a nie obietnice zawarte na tabliczce znamionowej. Mierzona wartość %Z oraz mierzony stosunek przekładni przy rzeczywistym stopniu regulacji decydują o tym, czy dwie jednostki mogą bezpiecznie współdziałać na wspólnej szynie.

 

Rozdział obciążenia i %Z: Gdzie matematyka „kłuje”

Podstawowa zasada równoległego działania transformatorów to obciążenie dzieli się przez impedancję, a nie dobrowolnie. Dla dwóch jednostek o tej samej mocy znamionowej wartość kVA każdej z nich jest odwrotnie proporcjonalna do jej własnego %Z: jednostka o niższej impedancji pobiera większą część obciążenia. Rozważmy dwie jednostki o mocy znamionowej 1000 kVA, których tabliczki znamionowe wskazują impedancję odpowiednio 5,5 % i 6,5 %. Przy całkowitym obciążeniu banku wynoszącym 2000 kVA jednostka o impedancji 5,5 % próbuje przyjąć około 1083 kVA — czyli 108 % swojej mocy znamionowej — podczas gdy jednostka o impedancji 6,5 % pobiera jedynie 917 kVA. Jednostka o niższej impedancji osiąga 100 % obciążenia już przy całkowitym obciążeniu banku wynoszącym około 1846 kVA, co stanowi mniej więcej 92 % pojemności, za którą właściciel zapłacił.

Bank: dwie jednostki po 1000 kVA	Niezgodne wartości %Z (5,5 % / 6,5 %)	Zgodne wartości %Z (5,5 % / 5,5 %)
Rozdział obciążenia przy całkowitym obciążeniu 2000 kVA	1083 kVA / 917 kVA (108 % / 92 %)	1000 kVA / 1000 kVA (100 % / 100 %)
Maksymalna użyteczna pojemność banku przed osiągnięciem 100 % obciążenia przez jedną z jednostek	około 1846 kVA (92 %)	2000 kVA (100 %)
Ryzyko przy pełnym obciążeniu banku transformatorów	Jednostka o niższym %Z przegrzewa się, szybko starzeje i wyłącza się	Brak wpływu ze strony impedancji

Dlatego też dwa „identyczne” urządzenia z impedancjami znamionowymi różniącymi się o cały punkt procentowy wymuszają obniżenie mocy znamionowej banku jeszcze przed jego włączeniem do sieci. Rozwiązaniem nie jest większy bezpiecznik. Jest nim albo dopasowanie %Z w specyfikacji — należy zażądać od obu fabryk zmierzonych wartości impedancji przy głównym uzwojeniu roboczym — albo akceptacja niższej mocy znamionowej banku i jasne uwzględnienie tego w ustawieniach ochrony.

Do dzielenie obciążenia między transformatorami , tę samą odwrotną zasadę stosuje się również w przypadku różnych mocy znamionowych: każde urządzenie dostarcza swojej mocy znamionowej podzielonej przez jego %Z, a para dzieli obciążenie proporcjonalnie jedynie wtedy, gdy wartości %Z są zbliżone. Gdy inwestor pyta nas, czy urządzenie o mocy 750 kVA może pracować równolegle z urządzeniem o mocy 1 000 kVA, nasza odpowiedź zaczyna się od tego samego pytania — jakie są zmierzone impedancje i na którym uzwojeniu roboczym będą pracować oba urządzenia?

 

Prąd cyrkulacyjny: co się dzieje, gdy stosunki przełożenia się nie zgadzają

Niezgodność stosunku napięć powoduje przepływ prądu między dwoma połączonymi równolegle urządzeniami, nawet gdy szyna nie obciąża się prądem. Inżynierowie nazywają go prądem cyrkulacyjnym , a jego wartość ograniczana jest wyłącznie sumą impedancji obu urządzeń. Jako szybka kontrola: różnica 2,5 procenta w ustawieniu zaczepów dwóch urządzeń o impedancji 5,5 procenta każde generuje prąd cyrkulacyjny rzędu 0,025 / (0,055 + 0,055) — czyli około 23 procent prądu znamionowego przy zerowym obciążeniu. Ten prąd powoduje straty, nagrzewa oba zbiorniki i podnosi temperaturę uzwojeń bez wykonywania jakiejś użytecznej pracy. Różnica 0,5 procenta w stosunku napięć utrzymuje składową prądu cyrkulacyjnego przy zerowym obciążeniu na poziomie około 5 procent, dlatego regułą empiryczną jest „dopasowanie stosunku napięć z dokładnością do pół procenta”.

Niezgodność przełożenia powoduje również zniekształcenie rozdziału obciążenia pod obciążeniem, co prowadzi do przeregulowania jednostki o wyższym przełożeniu oraz do niestabilnego nagrzewania całej pary. Błędy kąta fazowego są jeszcze bardziej niebezpieczne: połączenie jednostek o niekompatybilnych grupach wektorowych skutkuje praktycznie zwarcie przez szynę, a zabezpieczenia zadziałają zanim ktoś zdąży odczytać wskazania miernika. Każda instalacja równoległa, jaką zaobserwowaliśmy, rozpoczyna się od sprawdzenia kolejności faz na szynie — nie dlatego, że inżynierowie wątpią w dane z tabliczek znamionowych, lecz dlatego, że znalezienie jednego odwróconego kabla jest tańsze niż wymiana spalonego zespołu transformatorowego.

 

Co sprawdzić w raporcie z badań przed połączeniem równoległym

Każda dostarczana przez nas jednostka zawiera raport z badań rutynowych z wartościami niezbędnymi do analizy równoległej. Zanim połączysz nowy transformator równolegle z istniejącym sprzętem, wyodrębnij następujące pięć wartości z raportów obu jednostek:

• Zmierzona wartość %Z przy głównym odgałęzieniu, na tej samej bazie — nie gwarantowana wartość z tabliczki znamionowej.
• Pomierzona wartość stosunku napięć przy działającej pozycji przestawnej, w tym pozycji poza nominalnymi, które planujesz wykorzystać.
• Grupa wektorowa lub przesunięcie fazowe oraz sprawdzenie kolejności faz na miejscu przed pierwszym zamknięciem.
• Straty jałowe i straty obciążeniowe — określają sprawność pary i ujawniają różnice w rdzeniu lub uzwojeniach.
• Położenie i zakres przełącznika odgałęźnego, aby obie jednostki można było ustawić na tej samej pozycji i utrzymać je tam.

Procedury badań generujące te wartości są zdefiniowane w normie IEEE C57.12.90, czyli standardowym kodzie badań transformatorów zanurzanych w cieczy , a konwencje dotyczące mocy znamionowej i tabliczki znamionowej pochodzą z normy IEC 60076-1, której zakres obejmuje Stronę sklepu internetowego IEC . Jeśli dostawca nie jest w stanie dostarczyć zmierzonych danych impedancji i stosunku napięć dla konkretnej jednostki, to jednostka ta nie powinna być łączone w układ równoległy z żadną inną.

 

Co sprawdzamy w Ryan Electric przed wysyłką dwóch jednostek

Jako partner w przedsięwzięciu wspólnym z Eaton od 2023 roku, posiadamy certyfikaty UL, CSA, IEEE oraz DEKRA, bazę produkcyjną o powierzchni 120 000 metrów kwadratowych oraz 37 patentów. Dlatego zamówienia na transformatory gotowe do równoległego działania traktujemy jako zadanie dokumentacyjne, a nie jako obietnicę. Gdy kupujący informuje nas, że dwa jednostki będą pracować na jednej szynie, rejestrujemy zmierzoną wartość impedancji (%Z) przy zaciskach głównych i poznominalnych, przeprowadzamy standardowe badania zgodnie z normą IEEE C57.12.90 oraz podajemy wartość impedancji i stosunku przekładni w raporcie z badań w sposób umożliwiający ich natychmiastowe wykorzystanie przez inżyniera na miejscu – bez konieczności kontaktu telefonicznego z fabryką.

Praktyczna porada jest krótka. W równoległego działania transformatorów , para działa tak dobrze, jak najgorzej dopasowany parametr — a najgorzej dopasowany parametr zwykle znajduje się w drobnej czcionce raportu testowego, który nikt nie porównał. Jeśli dodajesz jednostkę do istniejącego banku, prześlij razem z ofertą raport testowy starej jednostki, a my przeprowadzimy porównanie impedancji i stosunku transformacji przed przygotowaniem oferty. Ten pojedynczy krok pozwolił wykryć niezgodności, które mogłyby obniżyć moc banku lub spowodować przepalenie bezpiecznika już pierwszego dnia.

Planujesz równoległe połączenie nowego transformatora z istniejącym sprzętem? Prześlij raport testowy istniejącej jednostki oraz dane nowej jednostki przez stronę ryantransformers.com — nasi inżynierowie sprawdzą zgodność wartości %Z, stosunku transformacji oraz grupy wektorowej i przygotują ofertę na jednostki, które będą dzielić obciążenie zgodnie z tym, co zaprojektowano na schemacie jednoliniowym.

O autorze — Ten artykuł został przygotowany przez zespół inżynierów firmy Ryan Electric, partnera wspólnej przedsięwzięcia Eaton oraz certyfikowanego przez UL/CSA producenta transformatorów z Jiangsu w Chinach, który obsługuje klientów z sektorów energetycznego, odnawialnego i przemysłowego w Ameryce Północnej, Azji Południowo-Wschodniej, na Bliskim Wschodzie oraz w Afryce.