Funcționarea în paralel a transformatoarelor: distribuția sarcinii, potrivirea valorilor %Z și greșelile care costă companiilor de utilități timp de nefuncționare

Acum doi ani de vară, o companie de distribuție din Texas a instalat un al doilea transformator de 1.000 kVA, montat pe sol, lângă unul existent, pentru a prelua o creștere a sarcinii pe o rețea rezidențială. Planul părea simplu: conectarea în paralel a secundarelor la o bară comună și împărțirea sarcinii între cele două unități. Pe schemă, datele de pe plăcuțele indicatoare corespundeau. În realitate, prima încercare de închidere a produs un zumzet puternic, o siguranță fuzibilă arsă pe partea de joasă tensiune și o stație de transformare care a rămas în pană timp de o zi întreagă. Cauza nu a fost echipament defectuos — ci o neconcordanță a impedanțelor, pe care nimeni nu o verificase înainte de punerea sub tensiune. Funcționării în paralel a transformatoarelor pare simplă pe o schemă unifilară, dar pedepsește cu severitate detaliile pe care nimeni nu le verifică.

De ce companiile de distribuție și centralele electrice exploatează transformatoarele în paralel

Exploatarea a două unități pe un singur bare este deja un caz obișnuit. Încărcarea crește mai rapid decât poate fi comandată și livrată o singură unitate, astfel încât proprietarii extind treptat capacitatea: instalează un transformator acum și conectează în paralel un al doilea atunci când alimentatorul este complet încărcat. Companiile de distribuție conectează unitățile în paralel pentru a scoate una dintre ele în întreținere fără a întrerupe alimentarea clienților. Centralele industriale conectează în paralel unități mici deoarece două transformatoare compacte se pot monta într-o clădire unde nu ar intra un singur transformator de dimensiuni mari. În fiecare caz, obiectivul este același: un singur bare, două surse, încărcare distribuită automat.

Problema: unitățile în paralel împart încărcarea așa cum vă așteptați doar dacă caracteristicile lor electrice corespund. Dacă o singură condiție nu este îndeplinită, perechea nu mai funcționează ca un singur grup de 2.000 kVA, ci ca două mașini care se opun una celeilalte. Defecțiunile se manifestă prin suprăîncălzire, declanșarea siguranțelor și declanșarea protecțiilor — întotdeauna în cel mai nepotrivit moment, de obicei după ce conversația despre garanție s-a încheiat.

 

Condițiile pentru funcționarea în paralel sigură a transformatoarelor

Trebuie îndeplinite cinci condiții înainte ca două transformatoare să fie conectate la un bus comun:

• Aceeași secvență de fază și aceeași deplasare de fază (grup vectorial). Un transformator Dyn11 nu poate funcționa în paralel cu un transformator Dyn1 sau Yyn0 fără apariția unor probleme legate de unghiul de fază.
• Raporturile de tensiune egale la treaptă de reglaj în funcționare, cu o toleranță de aproximativ 0,5%. Pozițiile de reglaj diferite de cea nominală sunt luate în considerare — ambele unități trebuie să fie pe aceeași treaptă.
• Impedanțele procentuale apropiate, cu o diferență de aproximativ 10% între ele. Cu cât valorile %Z sunt mai apropiate, cu atât distribuția sarcinii este mai echilibrată.
• Capacitate de scurtcircuit compatibilă și protecție compatibilă. Bus-ul, siguranțele și întrerupătoarele trebuie să suporte contribuția combinată la curentul de defect a ambelor unități.
• Aceeași frecvență de sistem și o referință comună — două unități concepute pentru rețele diferite nu pot funcționa pe același bus.

Acestea par rânduri dintr-un manual până când apare un proiect real pe masă. Ceea ce inginerii noștri compară înainte de orice propunere paralelă sunt valorile măsurate din rapoartele de testare de rutină — nu promisiunile de pe plăcuța indicatoare. Valoarea măsurată a %Z și raportul măsurat la treaptă efectivă de funcționare decid dacă două unități pot împărți în siguranță o bară colectoare.

 

Distribuția sarcinii și %Z: Unde matematica devine critică

Regula de bază a funcționării în paralel a transformatoarelor această încărcare se împarte la impedanță, nu la bunăvoință. Pentru două unități de aceeași putere nominală, kVA pe care le transportă fiecare este invers proporțional cu propria impedanță exprimată în procente (%Z): unitatea cu impedanța mai mică preia o parte mai mare. Să luăm în considerare două unități de câte 1.000 kVA, ale căror plăcuțe indică impedanțe de 5,5 % și respectiv 6,5 %. La o încărcare totală a băncii de 2.000 kVA, unitatea cu impedanța de 5,5 % încearcă să transporte aproximativ 1.083 kVA — adică 108 % din puterea sa nominală — în timp ce unitatea cu impedanța de 6,5 % funcționează doar la 917 kVA. Unitatea cu impedanță mai mică atinge 100 % încărcare atunci când încărcarea totală a băncii este doar de aproximativ 1.846 kVA, adică aproximativ 92 % din capacitatea pentru care proprietarul a plătit.

Bancă: două unități de câte 1.000 kVA	Impedanțe neconcordante (%Z: 5,5 % / 6,5 %)	Impedanțe concordante (%Z: 5,5 % / 5,5 %)
Împărțirea încărcării la o încărcare totală de 2.000 kVA	1.083 kVA / 917 kVA (108 % / 92 %)	1.000 kVA / 1.000 kVA (100 % / 100 %)
Capacitatea utilă a băncii înainte ca una dintre unități să atingă 100 % încărcare	~1.846 kVA (92 %)	2.000 kVA (100 %)
Risc la încărcare maximă a băncii	Unitatea cu impedanță mai scăzută se suprîncălzește, îmbătrânește rapid și declanșează protecția	Niciun risc din cauza impedanței

De aceea, două unități „identice”, ale căror impedanțe nominalizate diferă cu un punct întreg, reduc ratingul băncii chiar înainte de punerea în funcțiune. Soluția nu constă într-o siguranță mai mare. Aceasta este fie corelarea impedanțelor %Z în specificații — cereți ambele fabrici să furnizeze valorile măsurate la treaptă principală — fie acceptarea unui rating mai scăzut al băncii și indicarea acestuia explicit în setările de protecție.

Pentru distribuirea sarcinii între transformatoare , aceeași regulă inversă se aplică și în cazul ratingurilor diferite: fiecare unitate contribuie cu propria sa putere nominală în kVA împărțită la impedanța sa %Z, iar cele două unități își împart sarcina proporțional doar atunci când valorile %Z sunt apropiate. Când un client ne întreabă dacă o unitate de 750 kVA poate funcționa în paralel cu una de 1.000 kVA, răspunsul nostru pornește de la aceeași întrebare — care sunt impedanțele măsurate și pe ce treaptă vor funcționa ambele unități?

 

Curentul de circulație: Ce se întâmplă când raporturile de transformare nu coincid

Nepotrivirea raportului de tensiune generează un curent care circulă între două unități conectate în paralel, chiar și atunci când bara nu are nicio sarcină. Inginerii îl numesc curent de circulație , iar valoarea sa este limitată doar de suma impedanțelor celor două unități. Ca verificare rapidă, o diferență de priză de 2,5 % între două unități cu câte 5,5 % impedanță fiecare produce aproximativ 0,025 / (0,055 + 0,055) — adică circa 23 % din curentul nominal care circulă la mersul în gol. Acest curent generează pierderi, încălzește ambele carcase și ridică temperatura înfășurărilor fără a efectua vreun lucru util. O diferență de raport de 0,5 % menține componenta de circulație la mersul în gol în jur de 5 %, motiv pentru care regula practică este «potriviți raportul în limitele a jumătate de procent».

De asemenea, o nepotrivire a raportului distorsionează distribuția sarcinii sub sarcină, împingând unitatea cu raportul mai mare spre suprareglare și perechea spre încălzire neechilibrată. Eroarea de unghi de fază este și mai gravă: conectarea unităților cu grupuri vectoriale incompatibile echivalează practic un scurtcircuit prin bara de legătură, iar protecția acționează înainte ca cineva să apuce să citească contorul. Fiecare instalație în paralel pe care am observat-o începe cu o verificare a secvenței de fază la bara de legătură — nu pentru că inginerii ar avea dubii privind datele de pe plăcuțele indicatoare, ci pentru că identificarea unui cablu inversat este mult mai ieftină decât înlocuirea unui ansamblu ars.

 

Ce trebuie verificat în raportul de încercare înainte de funcționarea în paralel

Fiecare unitate pe care o livrăm include un raport de încercare de rutină cu valorile numerice necesare unei studii de funcționare în paralel. Înainte de a conecta în paralel un transformator nou cu echipamente existente, extrageți aceste cinci valori din rapoartele ambelor unități:

• Valoarea măsurată a %Z la treaptă principală, pe aceeași bază — nu valoarea garantată de pe plăcuța indicatoare.
• Raportul de tensiune măsurat la treaptă de funcționare, inclusiv treptele ne-nominale pe care intenționați să le utilizați.
• Grupul vectorial sau deplasarea de fază, plus o verificare a secvenței de fază la locul de instalare înainte de prima închidere.
• Pierderile în gol și pierderile sub sarcină — ele stabilesc eficiența perechii și evidențiază diferențele la nivelul miezului sau al înfășurărilor.
• Poziția și domeniul reglajului prizelor de reglare, astfel încât ambele unități să poată fi setate la aceeași treaptă și să rămână acolo.

Procedurile de încercare care generează aceste valori sunt definite în standardul IEEE C57.12.90, codul standard de încercare pentru transformatoare imersate în lichid , iar convențiile privind puterea nominală și plăcuța de identificare provin din IEC 60076-1, al cărui domeniu de aplicare este descris pe Pagina IEC Webstore . Dacă un furnizor nu poate furniza date măsurate privind impedanța și raportul pentru unitatea exactă, această unitate nu trebuie utilizată în paralel cu nicio altă unitate.

 

Ce verificăm la Ryan Electric înainte ca două unități să fie expediate

Ca partener în cadrul unei întreprinderi comune cu Eaton începând din 2023, deținem certificate UL, CSA, IEEE și DEKRA, o bază de producție de 120.000 de metri pătrați și 37 de brevete înregistrate. Tratăm comenzile pregătite pentru funcționare în paralel ca pe un exercițiu de documentare, nu ca pe o promisiune. Când un client ne spune că două unități vor funcționa pe un singur bare, înregistrăm valoarea măsurată a impedanței (%Z) la prizele principale și la cele secundare, efectuăm testele obișnuite conform standardului IEEE C57.12.90 și indicăm impedanța și raportul în raportul de testare într-un mod care permite inginerului de pe șantier să le folosească fără a fi nevoie să sune înapoi la fabrică.

Sfaturile practice sunt scurte. În funcționării în paralel a transformatoarelor , perechea este la fel de bună ca cel mai slab parametru potrivit — iar cel mai slab parametru potrivit este, de obicei, identificat în micul tipar al unui raport de test pe care nimeni nu l-a comparat. Dacă adăugați o unitate la un banc existent, trimiteți împreună cu cererea dvs. de ofertă (RFQ) raportul de test al unității vechi, iar noi vom efectua comparația impedanței și a raportului înainte de a vă oferi o cotare. Această singură etapă a evidențiat nepotriviri care ar fi redus capacitatea bancului sau ar fi ars un siguranță în prima zi.

Plănuiți să conectați în paralel un transformator nou cu echipamente existente? Trimiteți raportul de test al unității existente și puterea nominală a noii unități prin intermediul site-ului ryantransformers.com — inginerii noștri vor verifica compatibilitatea în ceea ce privește %Z, raportul de transformare și grupul vectorial și vă vor oferi o cotare pentru unități care își vor împărți sarcina așa cum o promite diagrama unifilară.

Despre autor — Acest articol a fost scris de echipa de inginerie de la Ryan Electric, un partener de joint venture al Eaton și producător certificat UL/CSA de transformatoare din Jiangsu, China, care deserveste clienți din domeniul utilităților, energiei regenerabile și industrie în America de Nord, Asia de Sud-Est, Orientul Mijlociu și Africa.