Параллельная работа трансформаторов: распределение нагрузки, согласование значений %Z и ошибки, приводящие к простою электросетевых компаний

Два лета назад энергоснабжающая организация в Техасе установила второй трансформатор мощностью 1000 кВА в корпусе на опоре рядом с уже существующим агрегатом, чтобы обеспечить растущую жилую линию электропередачи. План казался простым: соединить вторичные обмотки на общем шинопроводе и позволить обоим агрегатам совместно нести нагрузку. На бумаге данные на табличках совпадали. На практике при первой попытке подключения раздался громкий гул, перегорела плавкая вставка на стороне низкого напряжения, а подстанция оставалась отключённой весь день. Причиной стали не неисправные компоненты — проблема заключалась в несоответствии импедансов, которое никто не проверил перед подачей напряжения. Параллельной работы трансформаторов выглядит простой на однолинейной схеме, но сурово наказывает за детали, которые никто не проверяет.

Почему электросети и промышленные предприятия подключают трансформаторы параллельно

Эксплуатация двух единиц на одной шине больше не является исключительным случаем. Нагрузка растёт быстрее, чем можно заказать и поставить одну единицу, поэтому владельцы наращивают мощность поэтапно: сначала устанавливают один трансформатор, а второй подключают параллельно, когда фидер приближается к полной загрузке. Электросети подключают трансформаторы параллельно, чтобы выводить один из них в плановое обслуживание без отключения потребителей. Промышленные предприятия используют параллельное подключение небольших трансформаторов, поскольку два компактных устройства помещаются в здании туда, куда не влезет один крупногабаритный. Во всех случаях цель остаётся неизменной: одна шина, два источника питания, автоматическое распределение нагрузки.

Однако есть важное условие: параллельно работающие трансформаторы распределяют нагрузку так, как ожидается, только если их электрические характеристики совпадают. Достаточно нарушить одно из условий — и пара перестаёт вести себя как единый блок мощностью 2000 кВА, начиная «бороться» друг с другом. Такие отказы проявляются в виде перегрева, срабатывания предохранителей и аварийных отключений защит — всегда в самый неподходящий момент, обычно уже после завершения гарантийного срока.

 

Условия безопасной параллельной работы трансформаторов

Перед подключением двух трансформаторов к общей шине должны выполняться пять условий:

• Одинаковая последовательность фаз и одинаковое фазовое смещение (векторная группа). Блок Dyn11 не может работать параллельно с блоком Dyn1 или Yyn0 без возникновения проблемы фазового угла.
• Коэффициенты напряжения равны на рабочей ступени переключения, с отклонением не более примерно 0,5 %. Учитываются также положения вне номинальной ступени — оба устройства должны находиться на одной и той же ступени.
• Процентные значения полного сопротивления должны быть близки друг к другу, с отклонением не более примерно 10 %. Чем ближе значения %Z, тем равномернее распределяется нагрузка.
• Совместимость по току короткого замыкания и системе защиты. Шина, предохранители и автоматические выключатели должны выдерживать суммарный ток короткого замыкания от обоих устройств.
• Одинаковая частота сети и единая эталонная система — два устройства, спроектированные для разных сетей, не могут работать на одной шине.

Эти утверждения звучат как строки из учебника, пока на столе не появляется реальный проект. Прежде чем рассматривать любые параллельные предложения, наши инженеры сравнивают измеренные значения из отчётов рутинных испытаний — а не обещания, указанные на табличке. Измеренное значение %Z и измеренное передаточное отношение при фактическом рабочем отводе определяют, могут ли два трансформатора безопасно работать на одной шине.

 

Распределение нагрузки и %Z: где проявляется математика

Основное правило параллельной работы трансформаторов нагрузка распределяется пропорционально импедансу, а не по доброй воле. Для двух устройств одинаковой номинальной мощности кВА, приходящаяся на каждое из них, обратно пропорциональна собственному значению %Z: устройство с меньшим импедансом берёт на себя бо́льшую долю нагрузки. Рассмотрим два устройства по 1000 кВА, на табличках которых указаны значения импеданса 5,5 % и 6,5 %. При общей нагрузке блока 2000 кВА устройство с импедансом 5,5 % пытается взять на себя около 1083 кВА — то есть 108 % от своей номинальной мощности, — в то время как устройство с импедансом 6,5 % работает лишь на 917 кВА. Устройство с меньшим импедансом достигает 100 % загрузки уже при общей нагрузке блока примерно 1846 кВА, что составляет около 92 % от общей мощности, за которую владелец заплатил.

Блок: два устройства по 1000 кВА	Несовпадающие значения %Z (5,5 % / 6,5 %)	Совпадающие значения %Z (5,5 % / 5,5 %)
Распределение нагрузки при общей нагрузке 2000 кВА	1083 кВА / 917 кВА (108 % / 92 %)	1000 кВА / 1000 кВА (100 % / 100 %)
Максимальная используемая мощность блока до достижения одним из устройств 100 % загрузки	~1846 кВА (92 %)	2000 кВА (100 %)
Риск при полной нагрузке на группу трансформаторов	Трансформатор с меньшим значением %Z перегревается, быстро стареет и отключается	От импеданса — никакого

Вот почему два «идентичных» трансформатора с паспортными значениями импеданса, отличающимися на целый процентный пункт, вынуждают снижать номинальную мощность группы ещё до её ввода в работу. Решение — не увеличение номинала предохранителя. Необходимо либо обеспечить совпадение значений %Z в техническом задании — запросить у обоих заводов измеренные значения на основном ответвлении, — либо принять пониженную номинальную мощность группы и указать это в настройках защиты.

Для распределение нагрузки между трансформаторами , к различным номинальным мощностям применяется тот же обратный закон: каждый трансформатор обеспечивает свою номинальную мощность в кВА, делённую на его значение %Z, а пропорциональное распределение нагрузки между двумя трансформаторами возможно только при близких значениях %Z. Когда заказчик спрашивает нас, можно ли включить параллельно трансформатор мощностью 750 кВА и трансформатор мощностью 1000 кВА, наш ответ начинается с того же вопроса — каковы измеренные значения импеданса и на каком ответвлении будут работать оба трансформатора?

 

Циркулирующий ток: что происходит при несовпадении коэффициентов трансформации

Несоответствие коэффициентов трансформации вызывает ток, протекающий между двумя параллельно включёнными устройствами даже при отсутствии нагрузки на шину. Инженеры называют его циркулирующим током , и он ограничивается только суммой импедансов двух устройств. В качестве быстрой проверки разница в положении ответвления 2,5 % между двумя устройствами с импедансом по 5,5 % каждое создаёт примерно 0,025 / (0,055 + 0,055) — около 23 % номинального тока, циркулирующего в режиме холостого хода. Этот ток вызывает потери, нагревает оба бака и повышает температуру обмоток без выполнения полезной работы. Разница в коэффициенте трансформации 0,5 % поддерживает циркулирующую составляющую тока в режиме холостого хода на уровне около 5 %, поэтому эмпирическое правило гласит: «согласуйте коэффициенты трансформации с точностью до половины процента».

Несоответствие коэффициентов трансформации также искажает распределение нагрузки под нагрузкой, смещая единицу с более высоким коэффициентом в режим перевозбуждения и вызывая неравномерный нагрев пары. Ошибки по углу сдвига фаз ещё опаснее: подключение устройств с несовместимыми группами соединения по сути представляет собой короткое замыкание через шину, и защита срабатывает раньше, чем кто-либо успеет прочитать показания счётчика. Каждая параллельная установка, которую мы наблюдали, начинается с проверки чередования фаз на шине — не потому, что инженеры сомневаются в данных на табличках, а потому, что проще обнаружить один перепутанный кабель, чем заменить сгоревшую группу трансформаторов.

 

Что проверять в отчёте об испытаниях перед параллельным включением

Каждое поставляемое нами устройство комплектуется отчётом о рутинных испытаниях, содержащим цифровые данные, необходимые для анализа параллельной работы. Прежде чем подключать новый трансформатор параллельно с уже установленным оборудованием, извлеките следующие пять значений из отчётов обоих устройств:

• Измеренное значение %Z на основном ответвлении при одинаковой базе — не гарантированная величина, указанная на заводской табличке.
• Измеренное отношение напряжений при рабочем отводе, включая отводы вне номинала, которые вы планируете использовать.
• Группа соединения обмоток или сдвиг фаз, а также проверка последовательности фаз на объекте перед первым включением.
• Потери холостого хода и потери короткого замыкания — они определяют КПД пары и выявляют различия в магнитопроводе или обмотках.
• Положение и диапазон регулировки переключателя ответвлений, чтобы оба устройства можно было установить на один и тот же отвод и оставить их в этом положении.

Процедуры испытаний, посредством которых получают эти значения, определены в стандарте IEEE C57.12.90 — стандартном коде испытаний для трансформаторов с масляным охлаждением , а правила маркировки и указания номинальных данных приведены в стандарте IEC 60076-1, область применения которого описана на Странице IEC Webstore . Если поставщик не может предоставить измеренные данные по импедансу и коэффициенту трансформации для конкретного устройства, это устройство не следует подключать параллельно ни с чем.

 

Что мы проверяем в компании Ryan Electric перед отправкой двух устройств

Будучи партнёром совместного предприятия Eaton с 2023 года, обладая сертификатами UL, CSA, IEEE и DEKRA, производственной базой площадью 120 000 кв. м и имея за плечами 37 патентов, мы рассматриваем заказы на параллельную работу как рутинную документационную задачу, а не как обязательство. Когда покупатель сообщает нам, что два устройства будут работать на одной шине, мы фиксируем измеренное значение %Z на основных и вспомогательных отводах, проводим стандартные испытания в соответствии со стандартом IEEE C57.12.90 и указываем значения импеданса и коэффициента трансформации в отчёте об испытаниях таким образом, чтобы инженер объекта мог использовать их без необходимости звонка на завод.

Практический совет краток. В параллельной работы трансформаторов , пара настолько хороша, насколько хорош худший из согласованных параметров — а худший параметр обычно обнаруживается в мелком шрифте отчёта об испытаниях, который никто не сравнивал. Если вы добавляете единицу к существующему блоку, направьте вместе с запросом коммерческого предложения (RFQ) отчёт об испытаниях старой единицы, и мы выполним сравнение импеданса и коэффициента трансформации до формирования коммерческого предложения. Этот единственный шаг позволил выявить несоответствия, которые привели бы к снижению мощности блока или перегоранию предохранителя в первый же день.

Планируете подключить новый трансформатор параллельно существующему оборудованию? Направьте отчёт об испытаниях существующей единицы и номинальные данные нового трансформатора через сайт ryantransformers.com — наши инженеры проверят совместимость по %Z, коэффициенту трансформации и группе соединения обмоток и предложат вам такие единицы, которые распределят нагрузку так, как это указано на однолинейной схеме.

О авторе — Эта статья написана инженерной командой компании Ryan Electric, партнёра Eaton по совместному предприятию и производителя трансформаторов, сертифицированного UL/CSA, расположенного в Цзянсу, Китай, который обслуживает клиентов из сферы коммунальных услуг, возобновляемой энергетики и промышленности в Северной Америке, Юго-Восточной Азии, на Ближнем Востоке и в Африке.