Объяснение импеданса трансформатора: как процентный импеданс определяет ток короткого замыкания, падение напряжения и параллельную работу

Две установки мощностью 2000 кВА были доставлены на одну и ту же подстанцию прошлой весной. Одинаковое передаточное отношение напряжения, одинаковое вторичное напряжение 208Y/120 В, обе указаны в списке UL на табличке. Бригада по вводу в эксплуатацию замкнула разъединитель для параллельного включения, и уже через два часа сработала сигнализация превышения температуры обмотки на одном из трансформаторов. Дефектов не было. Один трансформатор был закуплен с импедансом 5,75 %, другой — с импедансом 4,0 %. При параллельном подключении двух устройств к одной шине нагрузка распределяется обратно пропорционально их импедансу. Устройство с импедансом 4,0 % брало на себя примерно 59 % общей нагрузки, тогда как его партнёр работал лишь на 41 %. Оно выполняло работу более мощного трансформатора и нагревалось соответственно.

Именно эта одна процентная единица является причиной импеданс трансформатора заслуживает большего внимания, чем одна строка, которую он обычно получает в заказе на покупку. Процентное значение импеданса одновременно определяет три параметра: величину тока короткого замыкания, который должна отключать ваша коммутационная аппаратура, падение напряжения между холостым ходом и полной нагрузкой, а также возможность параллельной работы двух трансформаторов без перегрузки одного из них за счёт другого. Ошибка в расчётах проявится на практике — при анализе рисков дугового разряда или на совещании по вводу в эксплуатацию.

 

Что на самом деле измеряет импеданс трансформатора

Процентное значение импеданса измеряется при замкнутой накоротко одной обмотке и подаче переменного напряжения на другую. Напряжение повышают до тех пор, пока через замкнутую обмотку не потечёт номинальный ток; затем полученное напряжение выражают в процентах от номинального. Для трансформатора с импедансом 5,75 % требуется 5,75 % от его номинального напряжения, чтобы обеспечить протекание номинального тока через жёсткое короткое замыкание. Основная часть этого импеданса обусловлена утечным магнитным потоком, не сцепляющимся с обеими обмотками, а также активным сопротивлением меди.

Процедура стандартизирована. Измерения импеданса и потерь под нагрузкой для маслонаполненных трансформаторов изложены в IEEE C57.12.90 для маслонаполненных устройств, опубликовано на странице Ассоциации стандартов IEEE по испытательному коду . Общие требования к силовым трансформаторам, включая порядок объявления импеданса при коротком замыкании, изложены в IEC 60076-1 . Оба документа требуют указания значения относительно заданного тока и эталонной температуры, поскольку резистивная составляющая — а следовательно, и полное значение — изменяется по мере нагрева обмоток.

Типичные диапазоны выглядят следующим образом:

Класс трансформатора	Типичный импеданс (%Z)	Что определяет значение
Сухие трансформаторы, до 1000 кВ·А	4–6%	Ограничение тока короткого замыкания с учётом падения напряжения
Распределение с погружением в жидкость, 500–2500 кВА	4–6%	Согласование тока короткого замыкания сети
Средняя мощность, 5–20 МВА	6 % – 10 %	Номинальный ток вторичного распределительного устройства, жёсткость системы
Большая мощность, свыше 20 МВА	8 % – 16 %	Ток короткого замыкания, удельная стоимость, регулирование напряжения

 

Считайте это диапазоном, а не правилом. Два поставщика могут предложить одинаковую мощность в кВА на противоположных концах этого диапазона, и оба будут правы. Указанное значение — это компромисс в конструкции, согласованный на этапе технического задания, а не параметр, который выявляется при приёмочных испытаниях на заводе.

 

Почему процентное значение импеданса определяет доступный ток короткого замыкания

Вот арифметика, которую большинство покупателей никогда не видят. На единицу оборудования импеданс трансформатора определяет ток, доступный на вторичной стороне: ток короткого замыкания Isc равен номинальному вторичному току, делённому на импеданс в относительных единицах. Возьмём трёхфазный трансформатор мощностью 2000 кВА и напряжением 480 В. Номинальный вторичный ток составляет 2406 А. При 5.75%импедансе при замыкании на вторичной стороне трёхфазное короткое замыкание может достигать примерно 41 800 А . В 4.0%тот же трансформатор достигает примерно 60 150 А .

Разница в 1,75 пункта изменяет доступный ток короткого замыкания примерно на 18 кА. Это разница между двумя классами низковольтного коммутационного оборудования, двумя требованиями к механической прочности шин и двумя результатами по энергии дугового разряда в исследовании дугового пробоя. Подрядчики из Техаса и Альберты постоянно задают нам вопросы об этом, обычно после того, как расчёт согласования защит привёл к выбору оборудования, которое они не могут приобрести по той цене, которую заложили в смету.

Импеданс также имеет форму. Процентное значение представляет собой векторную сумму резистивной составляющей, вызывающей потери нагрузки, и реактивной составляющей, накапливающей энергию утечки. Соотношение между ними определяет степень асимметрии первых нескольких циклов тока короткого замыкания, и выбранный вами выключатель должен быть способен замыкаться при такой асимметрии. Два трансформатора с одинаковым значением импеданса, но разными соотношениями, не взаимозаменяемы при расчётах аварийных режимов.

 

 

Регулирование напряжения: вторая половина того же компромисса

Импеданс обеспечивает ограничение тока короткого замыкания, но «стоит» регулированием напряжения. При нагрузке напряжение на выводах падает на величину, пропорциональную импедансу и току нагрузки; падение приблизительно равно произведению резистивной составляющей на косинус угла нагрузки плюс произведение реактивной составляющей на синус угла нагрузки. Более «жёсткий» трансформатор — с меньшим импедансом — лучше поддерживает напряжение на вторичной стороне, что как раз требуется на объектах с преобладанием электродвигателей или в серверных помещениях с узким допустимым диапазоном напряжения.

Снижение импеданса позволяет сохранить стабильное напряжение на вторичной стороне, однако ток короткого замыкания возрастает, как и стоимость каждого последующего оборудования. Повышение импеданса для ограничения тока КЗ приводит к увеличению падения напряжения и реактивных потерь при тех же нагрузках. Ни одна геометрия обмотки не обеспечивает одновременно оба этих преимущества, поэтому данный параметр следует обсуждать в техническом задании, а не включать по умолчанию в шаблон.

Стандарты также допускают, что заявленное значение не является точным. IEC 60076-1 определяет порядок задания импеданса короткого замыкания и допустимые отклонения от заявленного значения; эти допуски достаточно велики — устройство может быть признано соответствующим, даже если результаты испытаний отличаются от контрактного значения на несколько десятых процента. Если планируется параллельная работа, укажите диапазон допусков явно, а не полагайтесь на точность данных с таблички.

 

Параллельная работа: когда один процентный пункт превращается в реальные деньги

Параллельная работа требует выполнения четырёх условий, и импеданс — лишь одно из них: согласованные коэффициенты трансформации и положения регулировочных отводов, одинаковые векторные группы и сдвиги фаз, одинаковая последовательность фаз, а также импедансы, совпадающие как по модулю, так и по соотношению реактивной и активной составляющих.

Если импедансы двух устройств не совпадают, нагрузка распределяется между ними обратно пропорционально их значениям. Приведённый выше пример пусконаладочных работ — классический учебный случай. При работе устройств с импедансами 4,0 % и 5,75 % на 90 % их суммарной мощности устройство с меньшим импедансом уже превышает собственный номинал, тогда как другое ещё имеет резерв мощности. Устройство с более высоким импедансом никогда не достигает предела своей загрузки: его партнёр берёт на себя основную часть общей нагрузки.

Большинство эксплуатационных и промышленных спецификаций ограничивают разницу импедансов между единицами, предназначенными для параллельной работы, 10 %; это требование обосновано, поскольку дисбаланс резко возрастает по мере увеличения разрыва. Если в будущем возможна связка двух трансформаторов, укажите диапазон импедансов в обоих заказах одновременно. Подбор совместимого устройства спустя пять лет — именно то, что делает такие проекты дорогостоящими.

 

Как задать импеданс, не ограничивая себя излишне

Значение импеданса трансформатора — это параметр, указываемый в техническом задании, а не результат испытаний, выявляемый позже. В разделе «Импеданс» запроса коммерческого предложения (RFQ) должны быть указаны семь пунктов; большинство из них не требует дополнительных затрат на формулировку:

• Значение импеданса и допуск. Укажите номинальное значение и допустимый диапазон — оба при номинальном токе.
• Опорный отвод. Импеданс изменяется в пределах диапазона отводов; поэтому уточните, к какому именно отводу относится указанное значение, и дополнительно запросите значения для крайних отводов.
• Опорная температура. Сопротивление зависит от температуры, и то же относится к задаваемому значению.
• Номинальный ток короткого замыкания на стороне низшего напряжения. Сообщите поставщику номинальные параметры распределительного устройства и предложите ему подобрать окно импеданса, соответствующее этим параметрам.
• Требования к регулированию напряжения при коэффициенте мощности при проектной нагрузке.
• Планируемая параллельная работа. Если в будущем может быть добавлено второе устройство, укажите это сейчас и задайте требуемую полосу согласования.
• Требования к отчётности. Запросите измеренные значения импеданса и потерь при нагрузке в стандартном отчёте о приёмочных испытаниях, а не только в проектных расчётах.

Последний пункт важнее, чем кажется. На нескольких проектах мы наблюдали, как пара устройств, включённых параллельно, отказывалась делить нагрузку, поскольку их стандартные отчёты об испытаниях никогда ранее не сравнивались друг с другом до ввода в эксплуатацию.

 

Как компания Ryan Electric измеряет и указывает импеданс

Каждое устройство, покидающее нашу испытательную площадку, проходит измерение импеданса и потерь при нагрузке при номинальном токе; результаты указываются в отчёте относительно заявленных значений и приводятся для фактически поставленных положений регулировочного переключателя, а не только для основного положения. Если заказчик задал полосу согласования для будущей параллельной работы на индивидуальный трёхфазный трансформатор , в том же отчёте приведены значения на крайних отводах, чтобы инженер по вводу в эксплуатацию мог проверить пару до подачи напряжения.

Мы производим продукцию на площадке площадью 120 000 кв. м, оснащённой более чем 180 комплектами производственного и испытательного оборудования и имеющей 37 патентов; мы имеем сертификаты UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS и CE. С 2023 года компания Ryan Electric действует в качестве официального партнёра по совместному предприятию с Eaton, что позволило ужесточить стандарты документации для каждого из наших испытательных отчётов. Значение импеданса на нашей табличке — это измеренное значение, за которым стоит прослеживаемая запись, и только эта версия данного числа пригодна для использования в расчётах координации.

 

Направьте нам однолинейную схему до оформления заказа

Направьте нам однолинейную схему, номинальные параметры трансформатора, номинальные параметры вторичного распределительного устройства и профиль нагрузки. Наша инженерная команда предоставит диапазон значений импеданса трансформатора, удовлетворяющий одновременно ограничениям по току короткого замыкания и падению напряжения; в случае планируемого параллельного включения — также диапазон согласованных значений импеданса для обоих устройств, чтобы обеспечить равномерное распределение нагрузки с первого дня эксплуатации. Установка требуемого значения импеданса на стадии проектирования не требует затрат. Исправление этого параметра после пусконаладочного выезда приведёт к простою.

 

Об авторе: Эту статью подготовила инженерная команда компании Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) — производителя трансформаторов с литой изоляцией, маслонаполненных и комплектных трансформаторов, обслуживающего заказчиков из сферы электросетей, центров обработки данных, возобновляемой энергетики и промышленности с 2007 года. Команда ежедневно работает с требованиями стандартов IEEE C57 и IEC 60076 и оказывает поддержку разработчикам и подрядчикам EPC на этапах технической спецификации, заводских испытаний и пусконаладки на объекте.