Сопротивление трансформатора сухого типа: ток повреждения и падение напряжения 

Узнайте, как сопротивление трансформатора сухого типа влияет на ток короткого замыкания, падение напряжения и распределение параллельной нагрузки, а также то, что покупатели EPC должны указать перед заказом.

Как выбрать полное сопротивление трансформатора сухого типа для тока повреждения, падения напряжения и параллельной работы

Значение импеданса трансформатора сухого типа может занимать только одну строку в технических характеристиках, но оно одновременно влияет на несколько основных расчетов системы.

Более низкий импеданс обычно улучшает характеристики напряжения под нагрузкой, но допускает более высокий ток короткого замыкания. Более высокий импеданс ограничивает ток повреждения, но может увеличить падение напряжения и углубить провалы напряжения во время запуска двигателя.

Если предполагается, что два трансформатора будут работать параллельно, импеданс также определяет, как нагрузка распределяется между ними.

Таким образом, инженерный вопрос не заключается в следующем:

«Каково нормальное сопротивление этого трансформатора?»

Это:

Какое сопротивление позволяет трансформатору, распределительному устройству, системе защиты и подключенным нагрузкам работать вместе в рамках требований проекта?

Для проектов EPC это решение должно быть принято до того, как проект обмотки трансформатора будет заморожен.

1. Импеданс трансформатора — это системный параметр, а не параметр каталога.

Процентное сопротивление трансформатора, обычно обозначаемое как Z%, представляет собой напряжение, необходимое для циркуляции тока через трансформатор, когда противоположная обмотка закорочена при определенных условиях испытаний.

Например, трансформатору с сопротивлением 6 % во время измерения импеданса требуется примерно 6 % номинального напряжения для выработки номинального тока.

Этот показатель во многом определяется геометрией обмотки трансформатора и потоком рассеяния, хотя сопротивление обмотки также входит в состав общего импеданса.

Этот параметр влияет на:

предполагаемый вторичный ток короткого замыкания;

падение напряжения под нагрузкой;

провал пускового напряжения двигателя;

Режим неисправности распределительного устройства низкого напряжения;

требования к кратковременной стойкости шин;

координация защиты;

Распределение нагрузки параллельного трансформатора.

По этой причине производитель не должен заменять указанную конструкцию 6% на 4%, 5% или другое значение только потому, что это обычная заводская конфигурация.

Электрическая система часто рассчитывалась вокруг указанного значения.

2. Z%, ​​R% и X% — это не одно и то же

Полное сопротивление трансформатора состоит из двух составляющих:

Сопротивление R связано главным образом с сопротивлением обмотки и потерями на нагрузке.

Реактивное сопротивление X связано главным образом с потоком рассеяния между обмотками.

Они связаны примерно:

Z² = R² + X²

Для многих распределительных трансформаторов реактивное сопротивление составляет большую часть общего импеданса.

Это различие имеет значение, поскольку два трансформатора могут иметь одинаковые Z%, но несколько разные соотношения сопротивления и реактивного сопротивления.

Для базовой оценки тока повреждения может быть достаточно всего Z%.

Для регулирования напряжения, детальных расчетов распределения нагрузки и точного параллельного распределения нагрузки также может иметь значение угол импеданса или соотношение X/R.

Поэтому в спецификациях проекта импеданс должен рассматриваться как параметр электрического проектирования, а не просто паспортный процент.

3. Как импеданс трансформатора контролирует ток короткого замыкания

Для предварительного расчета клемм трансформатора без учета полного сопротивления системы на входе:

Isc ≈ Iном × 100 / Z%

Это скрининговый расчет, а не полное исследование короткого замыкания.

Иллюстративный пример

Рассмотрим трехфазный трансформатор сухого типа номиналом:

1600 кВА

11кВ/0,4кВ

50 Гц

Дин11

Его номинальный ток низкого напряжения составляет примерно:

1600 / (√3 × 0,4) ≈ 2309 А

Если полное сопротивление трансформатора составляет 6%:

Isc ≈ 2309×100/6

≈ 38,5кА

Если бы импеданс составлял 5%:

Isc ≈ 46,2 кА

Если бы импеданс составлял 8%:

Isc ≈ 28,9 кА

Этот пример ясно показывает компромисс.

Импеданс ок. Ток повреждения клеммы трансформатора

5% 46,2 кА

6% 38,5кА

8% 28,9кА

Эти значения являются показательными.

Окончательное исследование системы должно включать полное сопротивление источника, кабели или токопроводящие каналы, параллельные источники, генераторы, вклад двигателя и фактическую конфигурацию сети.

Почему это важно для распределительного щита низкого напряжения

Предположим, что характеристики трансформатора изменены с 6% на значительно более низкий импеданс после того, как низковольтный распределительный щит уже выбран.

Доступный ток повреждения может увеличиться.

Затем инженеру может потребоваться просмотреть:

отключающая способность выключателя;

Кратковременная выдержка распределительного щита низкого напряжения;

крепление шинопровода;

настройки защиты;

расчеты дугового замыкания или вспышки дуги, где это применимо.

Таким образом, изменение параметров трансформатора может создать проблемы с распределительным устройством, даже если мощность и напряжение трансформатора остаются неизменными.

4. Более высокий импеданс не является автоматически лучшим

Увеличение импеданса является эффективным способом снижения тока повреждения трансформатора.

Это не означает, что следует выбирать самый высокий практический импеданс.

Тот же импеданс, который ограничивает повреждение, также создает падение напряжения при прохождении тока нагрузки через трансформатор.

Упрощенную зависимость регулирования напряжения для нагрузки с отстающим коэффициентом мощности можно приблизительно выразить как:

Регулирование напряжения ≈ R% × cosφ + X% × sinφ

Фактический результат зависит от уровня нагрузки, коэффициента мощности и конструкции трансформатора.

Иллюстративный пример

Предполагать:

общий импеданс = 6%;

составляющая сопротивления = 1%;

реактивная составляющая ≈ 5,92%;

коэффициент мощности нагрузки = 0,8 запаздывания.

Приблизительное значение регулирования при полной нагрузке составляет:

1 × 0,8 + 5,92 × 0,6

≈ 4,35%

Этот расчет является лишь инженерной иллюстрацией. Фактические гарантированные значения должны быть получены из утвержденного проекта трансформатора и проектного расчета.

Важным моментом является то, что само по себе Z% не полностью описывает падение рабочего напряжения.

Коэффициент мощности нагрузки и компоненты R/X также влияют на результат.

5. Запуск двигателя может изменить предпочтительное сопротивление.

Промышленные трансформаторы часто поставляют:

компрессоры;

насосы;

чиллеры;

конвейеры;

дробилки;

большие асинхронные двигатели.

Во время прямого пуска ток двигателя может временно в несколько раз превышать нормальный рабочий ток.

Результирующее падение напряжения зависит от суммарного импеданса между источником питания и двигателем.

Сопротивление трансформатора является частью этого пути.

Трансформатор с высоким импедансом может обеспечить приемлемые характеристики при нормальной нагрузке, но вызывать чрезмерное падение напряжения при запуске двигателя большой мощности.

Возможные последствия включают в себя:

выход из строя контактора;

сброс ПЛК;

нарушение освещения;

уменьшенный пусковой момент двигателя;

работа защиты от помех;

нестабильность чувствительного технологического оборудования.

Поэтому для проектов, содержащих большие двигатели, импеданс следует согласовывать с исследованием запуска двигателя, а не выбирать только на основании максимального требования к току короткого замыкания.

6. Параллельные трансформаторы делают согласование импеданса более важным.

Два трансформатора не распределяют нагрузку просто потому, что они имеют одинаковое номинальное напряжение и кВА.

Параллельная работа обычно требует координации параметров, включая:

коэффициент напряжения;

положение крана;

векторная группа и фазовый сдвиг;

последовательность фаз;

частота;

величина импеданса;

угол импеданса;

номинальная мощность.

Подробные требования должны быть проверены на соответствие утвержденному проекту системы и применимым спецификациям.

Почему несоответствие импедансов приводит к неравномерной нагрузке

При сопоставимых вторичных напряжениях холостого хода токи параллельных трансформаторов делятся примерно обратно пропорционально их внутренним сопротивлениям.

Трансформатор с меньшим сопротивлением несет большую нагрузку.

Иллюстративный пример

Рассмотрим два трансформатора:

Трансформатор А:

1000 кВА

6% импеданс

Трансформатор Б:

1000 кВА

5% импеданс

Предположим, что их коэффициенты напряжения, группы векторов, положения отводов и углы импеданса в остальном подходят для параллельной работы.

При общей нагрузке 2000 кВА приблизительное распределение, основанное только на величине импеданса, будет следующим:

Трансформатор А ≈ 909 кВА

Трансформатор Б ≈ 1091 кВА

Таким образом, 5%-ный трансформатор может превысить свою номинальную мощность в 1000 кВА до того, как комбинированная система достигнет номинальной мощности в 2000 кВА.

Это одна из причин, по которой спецификации параллельного трансформатора не должны просто указывать:

«Оба трансформатора по 1000 кВА».

Перед разработкой замены или дополнительного трансформатора следует просмотреть фактическую паспортную табличку существующего устройства и, желательно, данные его сертифицированных испытаний.

Различные номиналы трансформаторов

Трансформаторы с разной номинальной мощностью иногда могут работать параллельно.

Для правильного пропорционального распределения нагрузки их удельные импедансы и углы импеданса требуют соответствующей координации на основе соответствующих номиналов.

Это значение следует рассчитывать для конкретной комбинации, а не судить только по кВА.

7. Как инженеру EPC следует выбрать необходимое сопротивление?

Полезный процесс выбора начинается с сети, а не со стандартной конструкции производителя.

Шаг 1. Установите максимальный уровень неисправности

Рассчитайте предполагаемый ток повреждения на шине низкого напряжения.

Обзор:

уровень неисправности коммунальной сети или источника выше по течению;

полное сопротивление входного трансформатора;

полное сопротивление фидера среднего напряжения;

сопротивление сухого трансформатора;

сопротивление низковольтного кабеля или шины;

параллельные источники;

вклады генератора и двигателя, где это применимо.

Выбранное сопротивление трансформатора должно поддерживать режим работы системы при неисправности в пределах номиналов подключенного оборудования.

Шаг 2. Проверьте минимальный ток повреждения.

Защита также должна надежно работать при более низких уровнях неисправности.

При проектировании не следует учитывать только максимальный ток.

Минимальная конфигурация сети, длинные фидеры и высокое сопротивление могут влиять на чувствительность защиты и время отключения.

Шаг 3. Проверьте нормальное рабочее напряжение.

Оцените регулирование напряжения трансформатора при реалистичных уровнях нагрузки и коэффициентах мощности.

Не оценивайте трансформатор изолированно.

В конечном итоге заказчик видит напряжение на клеммах нагрузки, поэтому следует также учитывать падение напряжения в кабелях и токопроводах.

Шаг 4. Проверьте пуск двигателя и переходные нагрузки.

Большой двигатель, компрессор, насос, ИБП или технологические нагрузки могут привести к тому, что характеристики провала напряжения будут более ограничивающими, чем регулирование напряжения в установившемся режиме.

Шаг 5: Проверьте условия параллельной работы

Если параллельная работа планируется сейчас или может потребоваться позже, заморозьте:

коэффициент напряжения;

векторная группа;

устройство врезки;

целевой импеданс;

применимый допуск импеданса;

Требования к распределению нагрузки.

Для замены трансформатора предоставьте существующую паспортную табличку трансформатора и отчет об испытаниях, если таковой имеется.

Шаг 6: Подтвердите возможность производства

На полное сопротивление трансформатора влияют размеры обмотки, расстояние между обмотками, расположение проводников и конструкция потока рассеяния.

Поэтому требования к импедансу в зависимости от проекта могут измениться:

геометрия намотки;

расположение проводников;

размеры трансформатора;

потери;

силы короткого замыкания;

стоимость изготовления.

Целевое значение должно быть согласовано до детального проектирования, а не изменяться после начала производства намотки.

8. Что должно быть включено в запрос предложения?

Для проекта, чувствительного к сопротивлению, в запросе предложения должна быть указана мощность, превышающая номинальную кВА.

Рекомендуемая информация включает в себя:

номинальная мощность;

первичное напряжение;

вторичное напряжение;

частота;

векторная группа;

диапазон касания и шаг касания;

требуемый импеданс или диапазон импеданса;

положение ответвления, при котором указывается полное сопротивление;

максимальный уровень неисправности системы;

рейтинг неисправности распределительного щита низкого напряжения;

большие нагрузки двигателя, где это необходимо;

плановые условия параллельной работы;

данные о существующих трансформаторах для проектов модернизации;

применимый стандарт IEC;

требования к регулярным испытаниям;

Требования FAT к свидетелям.

Однолинейная схема особенно полезна, поскольку позволяет производителю трансформатора понять, где находится трансформатор во всей сети.

9. Импеданс необходимо заморозить перед коммерческим сравнением.

Команды по закупкам иногда сравнивают два предложения с одним и тем же:

кВА;

коэффициент напряжения;

векторная группа;

корпус;

намоточный материал.

В одном предложении все еще может использоваться другой импеданс.

В таком случае предложения технически не эквивалентны.

Более низкий импеданс может изменить расчеты тока повреждения.

Более высокий импеданс может изменить характеристики напряжения.

Различный импеданс также может помешать удовлетворительной параллельной работе с существующим трансформатором.

Для тендерного сравнения гарантированное сопротивление должно быть указано в технических характеристиках или графике отклонений до завершения сравнения цен.

Это особенно актуально, когда производитель предлагает свой обычный дизайн вместо указанного консультантом значения.

10. Что следует проверять во время FAT?

Проекты трансформаторов сухого типа обычно ссылаются на IEC 60076-11 вместе с применимыми частями серии IEC 60076 и утвержденной спецификацией проекта.

В программе плановых заводских испытаний следует различать:

Измерение сопротивления короткого замыкания и потерь нагрузки

и

Проверка стойкости к короткому замыканию.

Это не одно и то же испытание.

Измерение импеданса и потерь нагрузки проверяет изготовленные электрические характеристики трансформатора.

Физическое испытание на стойкость к короткому замыканию касается способности трансформатора выдерживать серьезные нагрузки от внешних повреждений, и его не следует рассматривать как рутинное испытание FAT на каждом производственном объекте.

Для проверки импеданса в документации FAT должны быть указаны, если применимо:

серийный номер трансформатора;

номинальная мощность;

напряжение ВН/НН;

испытательное положение врезки;

испытательный ток;

измеренный импеданс;

гарантированный импеданс;

применимый допуск;

измеренные потери нагрузки;

Испытайте референтные условия.

Для трансформаторов, предназначенных для параллельной работы, сравните результаты измерения импеданса между блоками, а не просматривайте каждый отчет отдельно.

11. Два типичных проектных решения

Сценарий А: Крупная внутренняя распределительная система низкого напряжения

Сухой трансформатор мощностью 1600 кВА питает большой распределительный щит на 400 В.

Первоначальная конструкция трансформатора имеет относительно низкий импеданс.

Исследование токов повреждения показывает, что режим работы нижестоящих распределительных устройств становится ограничительным.

Увеличение импеданса трансформатора может снизить требуемый уровень неисправности, но тогда инженер должен перепроверить:

рабочее напряжение;

запуск двигателя;

падение напряжения на шинопроводе;

координация охраны.

Правильный результат – это не самый высокий импеданс.

Это компромисс системы с наименьшим риском.

Сценарий Б: Расширение завода за счет существующего трансформатора

Завод планирует добавить новый сухой трансформатор мощностью 1250 кВА рядом с существующим агрегатом мощностью 1250 кВА и работать на общей шине низкого напряжения.

Новый трансформатор с тем же коэффициентом трансформации 11/0,4 кВ и векторной группой Dyn11 автоматически не совместим.

Технический обзор должен сравнить:

измеряемый коэффициент трансформации;

устройство врезки;

импеданс;

угол импеданса;

фазовые отношения;

доступный ток повреждения при подключении обоих трансформаторов.

Для этого проекта существующий отчет об испытаниях трансформатора может быть более ценным, чем общий каталожный лист.

Часто задаваемые вопросы

Какое сопротивление обычно используется для трансформатора сухого типа?

Универсальной ценности не существует. Такие значения, как 6%, часто встречаются в спецификациях распределения, но требуемое полное сопротивление зависит от номинала трансформатора, напряжения, уровня неисправности, требований к падению напряжения, запуска двигателя и условий параллельной работы.

Снижает ли более высокий импеданс трансформатора ток короткого замыкания?

Да. При неизменных других параметрах системы более высокий импеданс трансформатора снижает вклад трансформатора во вторичный ток короткого замыкания.

Увеличивает ли более высокий импеданс падение напряжения?

В целом да. Эффект зависит от тока нагрузки, коэффициента мощности и составляющих сопротивления/реактивного сопротивления импеданса трансформатора.

Как рассчитать ток короткого замыкания во вторичной обмотке трансформатора?

Для предварительной оценки только трансформатора:

Isc ≈ Iном × 100 / Z%

Окончательное исследование короткого замыкания должно включать полное сопротивление сети и соответствующие значения тока короткого замыкания.

Может ли трансформатор с сопротивлением 5% работать параллельно с трансформатором с сопротивлением 6%?

Возможно, но одинаковое соотношение напряжений и векторная группа не гарантируют удовлетворительного распределения нагрузки. Трансформатор с более низким импедансом имеет тенденцию проводить больший ток. Фактическую комбинацию следует проверить, используя номинальные характеристики трансформатора, комплексные импедансы, положения ответвлений и требования проекта.

Должны ли параллельные трансформаторы иметь одинаковую номинальную мощность в кВА?

Нет. Иногда разные номиналы могут работать параллельно, но их единичные импедансы, коэффициенты напряжения, векторные группы и углы импеданса должны обеспечивать приемлемое пропорциональное распределение нагрузки.

Проверяется ли сопротивление трансформатора во время FAT?

Да, импеданс короткого замыкания и потери нагрузки могут быть измерены в рамках программы заводских испытаний трансформатора в соответствии с применимым стандартом и утвержденным объемом испытаний.

Является ли испытание импеданса таким же, как испытание на устойчивость к короткому замыканию по IEC 60076-5?

Нет. Измерение импеданса определяет электрические характеристики в условиях испытаний на короткое замыкание при пониженном напряжении. Испытание на стойкость к физическому короткому замыканию оценивает способность трансформатора выдерживать серьезные нагрузки от внешнего замыкания и представляет собой другое требование испытания.

призыв к действию

Если вы готовите запрос предложения на сухой трансформатор, укажите номинальную мощность, первичное и вторичное напряжение, частоту, векторную группу, целевой импеданс, уровень неисправности системы, номинал низковольтного распределительного устройства и любые запланированные требования к параллельной работе.

Для замены или параллельных проектов укажите паспортную табличку существующего трансформатора и имеющийся отчет об испытаниях. Затем требования к импедансу можно проанализировать с учетом тока короткого замыкания, характеристик напряжения и условий распределения нагрузки, прежде чем будет окончательно утвержден проект трансформатора и его предложение.