Kortsluitimpedantie van transformator: hoe dit de foutstroom, spanningsval en EPC-apparatuurselectie beïnvloedt

Wanneer de transformatorspecificaties voor een EPC-project worden beoordeeld, krijgen het nominale vermogen en de spanning meestal de meeste aandacht. Kortsluitimpedantie wordt vaak behandeld als een ander getal dat naar een gegevensblad moet worden gekopieerd.

Dat is een vergissing.

Vanuit technisch perspectief bij Zisheng Electric ligt de kortsluitimpedantie van transformatoren rechtstreeks tussen het transformatorontwerp en het bredere elektrische systeem. Het beïnvloedt de verwachte foutstroom, spanningsval, schakelapparatuur, beveiligingscoördinatie, parallelle werking en zelfs de mechanische krachten die de transformatorwikkelingen moeten weerstaan ​​tijdens een externe fout.

Een transformator met de juiste capaciteit maar de verkeerde impedantie kan problemen veroorzaken die veel verder gaan dan de transformator zelf. Voor een breder beeld van hoe capaciteit, spanning, locatieomstandigheden en belastingskarakteristieken in elkaar passen, zie onze selectiegids voor transformatoren voor industriële projecten.

Voor een EPC-aannemer, adviseur of koper van industriële projecten moet de impedantie daarom worden beoordeeld als een systeemparameter in plaats van als een geïsoleerde transformatorspecificatie.

Figuur 1. Transformatorimpedantie koppelt het transformatorontwerp aan het foutniveau, de schakelapparatuur en de belastingsprestaties.

Wat is de kortsluitimpedantie van een transformator?

De kortsluitimpedantie van de transformator, gewoonlijk uitgedrukt als een percentage, vertegenwoordigt de impedantie van de transformatorwikkelingen onder nominale omstandigheden.

In praktische termen kan dit worden opgevat als het percentage van de nominale spanning dat nodig is om de nominale stroom door de transformator te laten circuleren wanneer één wikkeling wordt kortgesloten onder gedefinieerde testomstandigheden.

Als een transformator bijvoorbeeld een kortsluitimpedantie van 6% heeft, zou ongeveer 6% van de aan de ene kant aangelegde nominale spanning een nominale stroom produceren wanneer de andere kant wordt kortgesloten, afhankelijk van de toepasselijke testopstelling en referentieomstandigheden.

Dit percentage is niet zomaar een cataloguswaarde. Het is het resultaat van de transformatorgeometrie, inclusief wikkelafmetingen, radiale afstand tussen HV- en LV-wikkelingen, axiale opstelling, lekmagnetisch veld, geleiderafmetingen, wikkelhoogte, isolatieafstanden en tapopstelling.

Als u deze elementen wijzigt, kan de impedantie veranderen. Daarom moet tijdens het elektromagnetische en mechanische ontwerp rekening worden gehouden met impedantie, in plaats van dat deze wordt toegevoegd nadat het transformatorontwerp is voltooid.

Technische referentie: IEC 60076-1 en IEC 60076-5 — Internationale Elektrotechnische Commissie.

Waarom de kortsluitimpedantie van transformatoren van belang is voor het hele elektrische systeem

Een handige manier om naar impedantie te kijken is via de projectketen: Net / Generator → Transformator → MV- of LV-schakelapparatuur → Feeder → Belasting → Beveiliging.

De transformator bevindt zich tussen de bron en de stroomafwaartse apparatuur. De impedantie ervan wordt onderdeel van de impedantie die de foutstroom door dat systeem beperkt. Naarmate de impedantie van de transformator verandert, veranderen ook verschillende stroomafwaartse ontwerpomstandigheden.

Lagere impedantie betekent hogere potentiële foutstroom

Als de impedantie van de transformator wordt verlaagd terwijl de bron- en andere systeemparameters ongewijzigd blijven, neemt de verwachte foutstroom aan de secundaire zijde doorgaans toe.

Een vereenvoudigde technische relatie is: Foutstroom ≈ Nominale stroom × 100 / Impedantie (%) . Dit is slechts een schatting in de eerste fase. Bij een goed kortsluitonderzoek moet ook rekening worden gehouden met de impedantie van de netbron, kabels, generatoren, motoren, parallelle transformatoren en andere netwerkelementen.

De transformator met lagere impedantie maakt aanzienlijk meer foutstroom mogelijk. Dat kan van invloed zijn middenspanningsschakelaars , onderbrekingsvermogen van stroomonderbrekers, weerstand tegen stroomrails, thermische weerstand van kabels, CT-selectie, beveiligingsinstellingen en boogflitsberekeningen.

Dit is de reden waarom het selecteren van de transformatorimpedantie zonder het ontwerp van de schakelapparatuur te controleren een EPC-interfaceprobleem kan veroorzaken.

Figuur 2. Een vereenvoudigde vergelijking die laat zien waarom een ​​lagere transformatorimpedantie de door de transformator begrensde foutstroom verhoogt.

Hoge impedantie is niet automatisch beter

Als een lagere impedantie de foutstroom vergroot, kan het logisch lijken om waar mogelijk een hogere impedantie te specificeren. Dat zorgt voor een andere reeks problemen.

Een hogere transformatorimpedantie produceert normaal gesproken een grotere spanningsval onder belasting, vooral wanneer de belasting een lage arbeidsfactor of een grote transiënte stroom heeft. Dit is van belang in toepassingen zoals grote motoren, mijnbouwapparatuur, brekers en molens, compressoren, pompen, datacenterbelastingen, industriële productielijnen en hulpsystemen voor hernieuwbare energie.

Een transformator kan aan zijn thermische eisen voldoen en toch onaanvaardbare systeemprestaties leveren als de spanningsregeling niet is geëvalueerd. Bij het starten van de motor kan een te hoge impedantie ervoor zorgen dat de secundaire spanning voldoende daalt om de starttijd te verlengen of een succesvolle acceleratie te voorkomen.

De foutstroom moet worden gecontroleerd zonder een onaanvaardbare daling van de bedrijfsspanning te veroorzaken. Over dat evenwicht moet in de fase van het systeemontwerp worden beslist.

De relatie tussen impedantie en kortsluitkrachten

Kortsluitstroom is niet alleen een beveiligingsprobleem. Het is ook een mechanisch ontwerpprobleem binnen de transformator.

Tijdens een ernstige externe kortsluiting worden de transformatorwikkelingen blootgesteld aan elektromagnetische krachten. Deze krachten kunnen radiaal en axiaal werken, waardoor druk-, trek-, buig- en verplaatsingsspanningen ontstaan ​​in wikkelgeleiders en ondersteunende structuren.

De omvang van deze krachten neemt sterk toe met de foutstroom. Een ontwerp dat de foutstroom beperkt, heeft daarom invloed op de mechanische belasting die aan het actieve deel wordt opgelegd. Maar het specificeren van de impedantie alleen is niet voldoende. De transformator moet nog steeds zo worden ontworpen en gebouwd dat hij bestand is tegen de kortsluitspanningen die gepaard gaan met de gespecificeerde systeemomstandigheden.

Technische referentie: IEC 60076-5 — Internationale Elektrotechnische Commissie.

Voor een technische EPC-beoordeling betekent dit dat er twee verschillende vragen moeten worden gesteld: Wat is de gespecificeerde impedantie? en Is het transformatorontwerp beoordeeld op de resulterende kortsluitplicht? Ze zijn verwant, maar het is niet dezelfde vraag.

Hoe impedantie het ontwerp van de transformator beïnvloedt

Kortsluitimpedantie hangt nauw samen met lekflux. In een ideale transformator zou alle magnetische flux die door de ene wikkeling wordt geproduceerd, de andere wikkeling verbinden. Echte transformatoren hebben altijd enige lekflux die beide wikkelingen niet volledig met elkaar verbindt.

De geometrie van het actieve deel bepaalt de resulterende lekreactantie. Een ontwerper kan de impedantie aanpassen door parameters te wijzigen, zoals de wikkelafstand, de wikkelhoogte of de opstelling van de geleiders. Maar elke aanpassing heeft gevolgen.

De afstand tussen HV- en LV-wikkelingen vergroten

Het vergroten van de radiale afstand kan de lekreactantie en dus de impedantie vergroten. Maar een grotere afstand kan ook de afmetingen van het actieve deel vergroten, de lengte van de geleider vergroten, het belastingsverlies beïnvloeden, het materiaalgebruik vergroten en de mechanische krachtverdeling veranderen.

Veranderende wikkelhoogte

De hoogte van de wikkeling beïnvloedt de geometrie van het lekveld. Een wijziging die bedoeld is om een ​​bepaalde impedantiewaarde te bereiken, kan ook invloed hebben op de axiale kortsluitkrachten, de afmetingen van de geleider, de mechanische stabiliteit van de wikkeling en de afmetingen van de tank.

Kronkelende regeling

Schijf-, laag-, spiraalvormige en andere wikkelingsconfiguraties worden geselecteerd op basis van spanning, stroom en mechanische vereisten. Impedantie kan daarom niet los van het wikkelingsontwerp worden beschouwd. Hetzelfde principe geldt voor middenspanning in olie ondergedompelde transformatorontwerpen en apparatuur met een hogere spanning, zoals a 110kV olie-ondergedompelde transformator.

Voor transformatoren met een hoger vermogen moet de opgegeven impedantie vroegtijdig worden doorgegeven. Als u dit wijzigt nadat het elektromagnetische ontwerp en de tekeningen zijn goedgekeurd, kan een aanzienlijk herontwerp noodzakelijk zijn.

Figuur 3. De geometrie van de wikkelingen is een van de belangrijkste ontwerpfactoren achter de lekreactantie en kortsluitimpedantie van transformatoren.

Wat EPC-ingenieurs moeten bevestigen voordat de transformatorspecificatie wordt vrijgegeven

Een offerteaanvraag voor een transformator mag geen willekeurige impedantiewaarde bevatten die is gekopieerd uit een eerder project. Voordat de vereiste wordt vastgesteld, moet de EPC-elektrotechnisch ingenieur het omliggende netwerk controleren.

Deze aanpak is nuttiger bij aanschaf dan simpelweg 'Impedantie: 6%' te specificeren zonder uit te leggen waar de waarde vandaan komt. Voor middelgrote industriële projecten bieden onze De selectiegids voor 2500 kVA-transformatoren biedt aanvullende context voor het matchen van transformatorgegevens met de projectomgeving en het documentatiepakket.

Parallelle transformatorwerking vereist bijzondere aandacht

Impedantie wordt nog belangrijker wanneer twee of meer transformatoren parallel werken. Transformatoren die bedoeld zijn voor parallelle werking moeten worden beoordeeld op compatibele spanningsverhouding, vectorgroep, aftakkingspositie, faseverschuiving, impedantiekarakteristieken en nominale capaciteit.

Als twee parallelle transformatoren aanzienlijk verschillende procentuele impedanties hebben, zal de belastingverdeling niet eenvoudigweg hun nominale kVA-waarden volgen. De transformator met lagere impedantie heeft de neiging een groter deel van de belasting op zich te nemen. Die eenheid kan overbelast raken terwijl de transformator met hogere impedantie onder zijn nominale capaciteit blijft.

Bij een uitbreidingsproject komt dit probleem vaak voor wanneer een nieuwe transformator enkele jaren na de oorspronkelijke eenheid wordt aangeschaft. De juiste aanschafvraag is niet: 'Kan u nog een transformator maken met dezelfde kVA?', maar 'Kan de nieuwe eenheid correct parallel werken met de bestaande transformator onder de vereiste tap- en belastingsomstandigheden?'

Het bestaande typeplaatje, het testrapport en de impedantiegegevens van de transformator moeten daarom tijdens de technische beoordeling worden verstrekt.

Impedantietolerantie is ook van belang

De ontwerpwaarde en de gemeten waarde zijn niet altijd numeriek identiek. Productietoleranties beïnvloeden de werkelijke impedantie omdat de afmetingen van de wikkelingen, de plaatsing van de geleiders en de assemblagegeometrie niet oneindig nauwkeurig kunnen zijn.

Om deze reden moet bij de projectevaluatie rekening worden gehouden met zowel de gespecificeerde impedantiewaarde als de toepasselijke tolerantie. Dit wordt vooral belangrijk voor parallelle transformatoren, netwerken die dicht bij de kortsluitlimieten van schakelapparatuur liggen, generator-transformatorsystemen, grote industriële systemen en projecten met strikte vereisten voor spanningsval.

Bij de technische biedvergelijking kan het daarom misleidend zijn om alleen de nominale impedantie te vergelijken. Twee leveranciers kunnen allebei hetzelfde nominale percentage opgeven, maar verschillende ontwerpaannames of toleranties hanteren. De EPC-ingenieur moet de gegarandeerde technische gegevens en de toepasselijke norm beoordelen in plaats van alleen op het commerciële gegevensblad te vertrouwen.

Waar moet op worden gecontroleerd tijdens FAT?

De kortsluitimpedantie wordt normaal gesproken geverifieerd als onderdeel van de elektrische tests van de transformator door middel van impedantiespannings-/kortsluitimpedantie- en belastingsverliesmetingen volgens de toepasselijke testprocedure. Het gemeten resultaat levert het projectteam een ​​aantal nuttige controles op.

Komt de vervaardigde transformator overeen met het goedgekeurde ontwerp?

Een significante afwijking kan duiden op veranderingen in de geometrie van het actieve onderdeel of de productieomstandigheden.

Ligt de waarde binnen het gespecificeerde acceptatiebereik?

Dit is van belang voor systeemfoutberekeningen en parallelle werking.

Is de testreferentietemperatuur duidelijk?

Wikkelingsweerstand en belastingverliesinterpretatie zijn afhankelijk van gedefinieerde temperatuurreferenties. Testrapporten moeten de toepasselijke voorwaarden duidelijk vermelden.

Komen de FAT-resultaten overeen met de uiteindelijke gegevens die in systeemstudies worden gebruikt?

Dit wordt vaak over het hoofd gezien. Als het systeemkortsluitonderzoek een voorlopige impedantiewaarde gebruikt, maar het uiteindelijke FAT-resultaat verschilt, moet het EPC-team bepalen of de systeemberekening moet worden bijgewerkt.

Ontwerpvereiste → Gegarandeerde gegevens van de transformator → Goedgekeurde berekening → Productie → FAT-resultaat → Laatste systeemverificatie

Deze volgorde verdient de voorkeur boven het kopen van de transformator, het ontvangen van het FAT-rapport en dan pas ontdekken dat bij de berekening van de schakelapparatuur een andere impedantie werd gebruikt.

Figuur 4. Conceptuele FAT-opstelling voor kortsluitimpedantiemeting. De daadwerkelijke testmethode moet de toepasselijke standaard en goedgekeurde procedure volgen.

Veel voorkomende inkoopfouten

Impedantie kopiëren van een oude specificatie

Een waarde die geschikt is voor het ene onderstation is mogelijk niet geschikt voor een ander. Netsterkte, transformatorvermogen, capaciteit van schakelapparatuur en belastingsgedrag kunnen allemaal verschillend zijn.

Het kiezen van de laagst mogelijke impedantie om de spanningsval te verminderen

Dat kan de regelgeving verbeteren, terwijl de toekomstige foutstroom verder wordt geduwd dan de stroomafwaartse apparatuurclassificaties.

Alleen hoge impedantie kiezen om foutstroom te verminderen

Het project kan dan te maken krijgen met onaanvaardbare spanningsval of motorstartprestaties.

Parallelle werking negeren

Een vervangende transformator die aan zijn eigen stand-alone-specificatie voldoet, kan nog steeds slecht presteren als hij parallel wordt geschakeld met een bestaande eenheid.

Wachten tot FAT de systeemimpact controleert

Door FAT is er al een belangrijke transformatorgeometrie vervaardigd. Impedantievereisten moeten worden bevestigd vóór de definitieve goedkeuring van het elektromagnetische ontwerp.

Een betere engineeringworkflow voor de selectie van transformatorimpedantie

1. Verkrijg de bronkortsluitingsgegevens

Bepaal de maximale en minimale netfoutniveaus op het primaire aansluitpunt van de transformator.

2. Definieer het transformatorvermogen en de bedieningsfilosofie

Controleer normale belading, noodbelading, redundantie en toekomstige uitbreiding.

3. Bereken de stroomafwaartse potentiële foutstroom

Vermeld de impedantie van de transformator en de relevante stroomopwaartse/stroomafwaartse impedanties.

4. Controleer de schakelapparatuur en kabeltaken

Controleer of stroomonderbrekers, rails, kabels en andere apparatuur voldoen aan de vereiste kortsluitwaarden.

5. Controleer de spanningsregeling

Evalueer normale belasting en kritische voorbijgaande omstandigheden.

6. Controleer waar relevant het starten van de motor

Beoordeel bij grote motoren of de geselecteerde impedantie een onaanvaardbare spanningsverlaging veroorzaakt.

7. Controleer de parallelle werking

Waar transformatoren parallel zullen werken, evalueer de impedantiecompatibiliteit en de verwachte belastingverdeling.

8. Bevries de impedantie vóór het gedetailleerde ontwerp van de transformator

De goedgekeurde waarde moet onderdeel worden van de gegarandeerde technische gegevens.

9. Controleer het tijdens FAT

Vergelijk de gemeten impedantie met goedgekeurde vereisten en gebruik de uiteindelijke waarde waar nodig in projectberekeningen.

Hoe kopers van transformatoren leveranciersaanbiedingen moeten vergelijken

Een technisch sterk transformatoraanbod moet de koper in staat stellen meer te begrijpen dan het nominale impedantiepercentage. Vraag leveranciers bij het beoordelen van offertes om de volgende punten te verduidelijken.

Er mag geen transformator worden geselecteerd omdat de impedantiewaarde er normaal uitziet. Deze moet worden geselecteerd omdat die waarde werkt met het elektrische systeem eromheen.

De technische vraag is groter dan één procent

De kortsluitimpedantie van de transformator verbindt het elektromagnetische ontwerp van de transformator met bescherming, schakelapparatuur, systeemstudies en daadwerkelijke belastingsprestaties.

Als deze te laag is, kan de foutstroom moeilijk te beheren worden. Te hoog, en spanningsregeling kan onaanvaardbaar worden. Bij parallelle transformatoren kan een ongeschikte impedantierelatie een ongelijke belasting veroorzaken. Bij externe fouten bepaalt de kortsluitstroom ook de thermische en mechanische spanningen die de transformator moet weerstaan.

Technische referentie: IEC 60076-5 en IEC 60076-1 — Internationale Elektrotechnische Commissie.

Voor een nieuw transformatorproject is de nuttigste informatie om in het begin te verzenden niet alleen capaciteit en spanning. Dankzij een enkellijnsdiagram, het kortsluitniveau van het elektriciteitsnet, het gegevensblad van de transformator, het belastingsschema, de motorlijst en de technische specificaties van het project kan de impedantie worden beoordeeld als onderdeel van het volledige voedingssysteem.

Zisheng Elektrische leveringen olie-ondergedompelde transformatoren , vermogenstransformatoren, droge transformatoren en aanverwante transformator- en onderstationapparatuur voor projecttoepassingen. Transformatorcapaciteit, spanningsniveau, impedantie en andere technische parameters kunnen worden vergeleken met bevestigde projectvereisten en locatieomstandigheden.

Ons engineeringteam beoordeelt de vereisten en reageert binnen 24 uur op projectvragen.