変圧器の短絡インピーダンス: 故障電流、電圧降下、EPC 機器の選択に与える影響

EPC プロジェクトで変圧器の仕様を検討する場合、通常、定格電力と電圧が最も注目されます。短絡インピーダンスは、データシートにコピーする別の数値として扱われることがよくあります。

それは間違いです。

Zisheng Electric のエンジニアリングの観点から見ると、 変圧器の短絡インピーダンスは 変圧器の設計とより広範な電気システムの間に直接位置します。これは、予想される故障電流、電圧降下、開閉装置のデューティ、保護調整、並列運転、さらには外部故障時に変圧器巻線が耐えなければならない機械的力にも影響します。

変圧器の容量は適切でも、インピーダンスが間違っていると、変圧器自体を超えた問題が発生する可能性があります。容量、電圧、設置場所の条件、負荷特性がどのように組み合わされるかについてのより広い視野については、当社の資料を参照してください。 産業プロジェクト向け変圧器選択ガイド.

したがって、EPC 請負業者、コンサルタント、産業プロジェクトの購入者にとって、インピーダンスは絶縁変圧器の仕様ではなくシステム パラメータとして検討する必要があります。

図 1. 変圧器のインピーダンスは、変圧器の設計を障害レベル、開閉装置のデューティ、負荷性能に関連付けます。

トランスの短絡インピーダンスとは何ですか?

変圧器の短絡インピーダンスは通常パーセントで表され、定格条件を基準とした変圧器巻線のインピーダンスを表します。

実際には、定義された試験条件下で 1 つの巻線が短絡した場合に、変圧器に定格電流を流すのに必要な定格電圧の割合として理解できます。

たとえば、変圧器の短絡インピーダンスが 6% の場合、該当するテスト構成と基準条件に従って、一方の側に印加される定格電圧の約 6% が、もう一方の側が短絡したときに定格電流を生成します。

この割合は単なるカタログ値ではありません。これは、巻線の寸法、HV 巻線と LV 巻線の間の半径方向の間隔、軸方向の配置、漏れ磁界、導体の寸​​法、巻線の高さ、絶縁クリアランス、タッピング配置などの変圧器の形状によって決まります。

これらの要素を変更すると、インピーダンスが変化する可能性があります。そのため、インピーダンスは、変圧器の設計が完了した後に追加するのではなく、電磁的および機械的な設計中に考慮する必要があります。

技術リファレンス: IEC 60076-1 および IEC 60076-5 — 国際電気標準会議。

変圧器の短絡インピーダンスが電気システム全体にとって重要な理由

インピーダンスを調べる便利な方法は、プロジェクト チェーンを通して行うことです: グリッド / 発電機 → 変圧器 → MV または LV 開閉装置 → フィーダ → 負荷 → 保護.

変圧器は、ソース機器と下流機器の間に設置されます。そのインピーダンスは、そのシステムを通る故障電流を制限するインピーダンスの一部になります。変圧器のインピーダンスが変化すると、それに伴いい​​くつかの下流設計条件も変化します。

インピーダンスが低いということは、予想される故障電流が高いことを意味します

電源およびその他のシステムパラメータが変化しないまま、変圧器のインピーダンスが低下すると、一般に二次側で予想される故障電流が増加します。

単純化された工学的関係は、 故障電流 ≈ 定格電流 × 100 / インピーダンス (%)です。これはあくまで第一段階の見積もりです。短絡を適切に検討するには、系統電源インピーダンス、ケーブル、発電機、モーター、並列変圧器、その他のネットワーク要素も考慮する必要があります。

変圧器のインピーダンスが低いため、許容される故障電流が大幅に増加します。それは影響を与える可能性があります 高圧開閉装置、サーキットブレーカーの遮断容量、バスバーの耐定格、ケーブルの耐熱性、CTの選択、保護設定、およびアークフラッシュの計算。

開閉装置の設計を確認せずに変圧器のインピーダンスを選択すると、EPC インターフェイスの問題が発生する可能性があるのはこのためです。

図2. 変圧器のインピーダンスが低いと変圧器制限の故障電流が増加する理由を示す単純化した比較。

高インピーダンスが自動的に優れているわけではありません

インピーダンスが低いと故障電流が増加する場合、可能な限り高いインピーダンスを指定するのが論理的であるように思われるかもしれません。それにより、別の一連の問題が発生します。

通常、変圧器のインピーダンスが高くなると、特に負荷の力率が低い場合や過渡電流が大きい場合には、負荷時に大きな電圧降下が発生します。これは、大型モーター、鉱山機械、粉砕機および粉砕機、コンプレッサー、ポンプ、データセンター負荷、工業用生産ライン、再生可能エネルギー補助システムなどのアプリケーションにおいて重要です。

電圧調整が評価されていない場合、変圧器はその熱定格を満たしていても、許容できないシステム性能を生み出す可能性があります。モーターの始動では、過剰なインピーダンスにより二次電圧が十分に低下し、始動時間が長くなったり、正常な加速が妨げられたりする可能性があります。

許容できない動作電圧降下を生じさせずに、故障電流を制御する必要があります。 そのバランスはシステム設計の段階で決めるべきです。

インピーダンスと短絡力の関係

短絡電流は保護の問題だけではありません。これは、変圧器内部の機械設計の問題でもあります。

重大な外部短絡が発生すると、変圧器巻線は電磁力にさらされます。これらの力は半径方向と軸方向に作用し、巻線導体や支持構造に圧縮、引張、曲げ、変位応力を生じさせます。

これらの力の大きさは、故障電流とともに大幅に増加します。したがって、故障電流を制限する設計は、能動部分に課せられる機械的負荷に影響を与えます。しかし、インピーダンスを指定するだけでは十分ではありません。変圧器は、指定されたシステム条件に関連する短絡ストレスに耐えるように設計および構築する必要があります。

技術リファレンス: IEC 60076-5 — 国際電気標準会議。

これは、EPC 技術レビューの場合、次の 2 つの異なる質問をする必要があることを意味します。 指定されたインピーダンスは何ですか?変圧器の設計は 、 結果として生じる短絡負荷について評価されましたか? これらは関連していますが、同じ質問ではありません。

インピーダンスが変圧器の設計に与える影響

短絡インピーダンスは漏れ磁束と密接な関係があります。理想的な変圧器では、一方の巻線によって生成されるすべての磁束がもう一方の巻線に鎖交します。実際の変圧器には、両方の巻線を完全に結合しない漏れ磁束が常に存在します。

能動部分の形状によって、結果として生じる漏れリアクタンスが決まります。設計者は、巻線の間隔、巻線の高さ、導体の配置などのパラメータを変更することでインピーダンスを調整できます。しかし、あらゆる調整には結果が伴います。

HV 巻線と LV 巻線の間の距離を増やす

半径方向の間隔を増やすと、漏れリアクタンスが増加し、したがってインピーダンスが増加する可能性があります。しかし、間隔を大きくすると、アクティブ部分の寸法が増加し、導体の長さが増加し、負荷損失に影響を及ぼし、材料使用量が増加し、機械力の分布が変化する可能性があります。

巻き高さの変更

巻線の高さは漏れ場の形状に影響します。特定のインピーダンス値に到達することを目的とした変更は、軸方向の短絡力、導体の寸​​法、巻線の機械的安定性、およびタンクの寸法にも影響を与える可能性があります。

巻線配置

ディスク、層、ヘリカル、その他の巻線構成は、電圧、電流、機械的要件に応じて選択されます。したがって、インピーダンスは巻線設計から切り離して考えることはできません。同じ原理が中電圧にも適用されます 油入変圧器の 設計や高電圧機器など 110kV油入変圧器.

より高い定格の変圧器の場合は、指定されたインピーダンスを早期に通知する必要があります。電磁設計と図面が承認された後に変更すると、大幅な再設計が必要になる可能性があります。

図 3. 巻線の形状は、トランスの漏れリアクタンスと短絡インピーダンスの背後にある主な設計要因の 1 つです。

EPC エンジニアが変圧器仕様をリリースする前に確認すべきこと

変圧器の RFQ には、以前のプロジェクトからコピーした任意のインピーダンス値を含めてはいけません。要件を修正する前に、EPC 電気エンジニアは周囲のネットワークを確認する必要があります。

このアプローチは、値の出所を説明せずに単に「インピーダンス: 6%」と指定するよりも、調達時に役立ちます。中規模の産業プロジェクトの場合、 2500kVA 変圧器選択ガイドは、 変圧器データをプロジェクト環境およびドキュメント パッケージに適合させるための追加のコンテキストを提供します。

並列トランスの動作には特に注意が必要です

2 つ以上の変圧器が並列動作する場合、インピーダンスはさらに重要になります。並列運転を目的とした変圧器は、互換性のある電圧比、ベクトルグループ、タップ位置、位相変位、インピーダンス特性、定格容量を検討する必要があります。

2 つの並列変圧器のインピーダンスが大幅に異なる場合、負荷分散は単純に定格 kVA 値に従いません。低インピーダンスのトランスは負荷の大きな割合を占める傾向があります。高インピーダンスの変圧器が定格容量を下回ったままである間に、そのユニットが過負荷になる可能性があります。

拡張プロジェクトの場合、元のユニットから数年後に新しい変圧器を購入した場合に、この問題はよく発生します。調達に関する正しい質問は、「同じ kVA の別の変圧器を製造できますか?」ではありません。それは、「新しいユニットは、必要なタップと負荷条件の下で、既存の変圧器と並列して正しく動作できますか?」です。

したがって、技術レビューの際には、既存の変圧器の銘板、テストレポート、およびインピーダンスデータを提供する必要があります。

インピーダンス許容差も重要

設計値と測定値は必ずしも数値的に一致するとは限りません。巻線寸法、導体の配置、アセンブリの形状は無限に正確であることはできないため、製造公差は実際のインピーダンスに影響します。

このため、プロジェクトの評価では、指定されたインピーダンス値と適用可能な許容誤差の両方を考慮する必要があります。これは、並列変圧器、開閉装置の短絡制限に近いネットワーク、発電機 - 変圧器システム、大規模な産業用システム、および厳しい電圧降下要件を伴うプロジェクトの場合に特に重要になります。

したがって、技術的な入札を比較する際に、公称インピーダンスのみを比較すると誤解を招く可能性があります。 2 つのサプライヤーは両方とも同じ公称パーセンテージを見積もっていても、異なる設計仮定または許容差を適用している場合があります。 EPC エンジニアは、市販のデータシートだけに頼るのではなく、保証されている技術的詳細と適用される規格を確認する必要があります。

FAT中にチェックすべきことは何ですか?

短絡インピーダンスは通常、変圧器の電気試験の一部として、該当する試験手順に基づいてインピーダンス電圧/短絡インピーダンスおよび負荷損失測定を通じて検証されます。測定結果は、プロジェクト チームにいくつかの有用なチェックを提供します。

製造された変圧器は承認された設計と一致しますか?

大幅な偏差は、アクティブ部品の形状または製造条件の変化を示している可能性があります。

値は指定された許容範囲内ですか?

これは、システム障害の計算と並列動作にとって重要です。

試験基準温度はクリアですか?

巻線抵抗と負荷損失の解釈は、定義された温度基準によって異なります。試験報告書には該当する条件を明確に記載する必要があります。

FAT の結果は、システム調査で使用された最終データと一致しますか?

これは見落とされがちです。システム短絡調査で予備的なインピーダンス値が使用されているが、最終的な FAT 結果が異なる場合、EPC チームはシステム計算を更新する必要があるかどうかを判断する必要があります。

設計要件 → トランス保証データ → 承認された計算 → 製造 → FAT 結果 → 最終システム検証

このシーケンスは、変圧器を購入し、FAT レポートを受け取り、その後開閉装置の計算で異なるインピーダンスが使用されていることを発見するよりも望ましい方法です。

図 4. 短絡インピーダンス測定のための概念的な FAT 配置。実際の試験方法は、該当する規格および承認された手順に従う必要があります。

よくある調達ミス

古い仕様からのインピーダンスのコピー

ある変電所に適した値が、別の変電所には適さない場合があります。系統の強度、変圧器の定格、開閉装置の容量、負荷の動作はすべて異なる場合があります。

電圧降下を減らすために可能な限り低いインピーダンスを選択する

これにより、予想される故障電流が下流の機器定格を超えて規制が改善される可能性があります。

障害電流を減らすためにのみ高インピーダンスを選択する

その場合、プロジェクトでは許容できない電圧降下やモーター始動性能が発生する可能性があります。

並列運転の無視

独自のスタンドアロン仕様を満たす交換用変圧器でも、既存のユニットと並列接続するとパフォーマンスが低下する可能性があります。

FAT まで待機してシステムへの影響を確認する

FAT により、主要なトランスの形状はすでに製造されています。インピーダンス要件は、最終的な電磁設計承認の前に確認する必要があります。

変圧器のインピーダンス選択のためのより優れたエンジニアリング ワークフロー

1. 電源短絡データの取得

変圧器の一次接続点における最大および最小の系統障害レベルを決定します。

2. 変圧器の定格と動作原理を定義する

通常の積載、緊急時の積載、冗長性、将来の拡張性を確認します。

3. 下流側の予想故障電流を計算する

変圧器のインピーダンスと関連する上流/下流のインピーダンスを含めます。

4. 開閉装置とケーブルの義務を確認する

サーキットブレーカー、バスバー、ケーブル、その他の機器が必要な短絡定格を満たしていることを確認してください。

5. 電圧レギュレーションを確認する

通常の荷重と重大な過渡状態を評価します。

6. 必要に応じてモーターの始動を確認します。

大型モーターの場合は、選択したインピーダンスが許容できない電圧低下を引き起こすかどうかを評価します。

7. 並列運転の見直し

変圧器が並列で動作する場合は、インピーダンスの互換性と予想される負荷分散を評価します。

8. トランスの詳細設計の前にインピーダンスを凍結する

承認された値は、保証された技術仕様の一部となる必要があります。

9. FAT中に検証する

測定されたインピーダンスを承認された要件と比較し、プロジェクトの計算で必要な場合は最終値を使用します。

変圧器の購入者がサプライヤーのオファーを比較する方法

技術的に強力な変圧器の提案により、購入者は見出しのインピーダンスパーセント以上のことを理解できるはずです。見積書を検討する際には、サプライヤーに以下の点を明確にするよう依頼してください。

トランスのインピーダンス値は正常に見えるため、トランスは選択しないでください。この値は周囲の電気システムと連動するため、この値を選択する必要があります。

エンジニアリング上の疑問は 1 パーセントよりも大きい

変圧器の短絡インピーダンスは、 変圧器の電磁設計を保護、開閉装置、システム研究、実際の負荷性能と結びつけます。

低すぎると、故障電流の管理が困難になる可能性があります。高すぎると、電圧調整が許容できなくなる可能性があります。並列トランスの場合、インピーダンス関係が不適切であると、不均等な負荷が生じる可能性があります。外部故障時には、短絡電流によって、変圧器が耐えなければならない熱的および機械的ストレスも決まります。

技術リファレンス: IEC 60076-5 および IEC 60076-1 — 国際電気標準会議。

新しい変圧器プロジェクトの場合、最初に送信する最も有用な情報は容量と電圧だけではありません。単線図、系統短絡レベル、変圧器のデータシート、負荷スケジュール、モーターのリスト、およびプロジェクトの技術仕様により、完全な電力システムの一部としてインピーダンスを検討できます。

Zisheng 電気用品 油入変圧器、電力変圧器、乾式変圧器、およびプロジェクト用途向けの関連変圧器および変電所機器。変圧器の容量、電圧レベル、インピーダンス、その他の技術パラメータを、確認済みのプロジェクト要件や現場条件と照合することができます。

当社のエンジニアリング チームが要件を確認し、プロジェクトに関するお問い合わせに 24 時間以内に回答します。