Сопротивление короткого замыкания трансформатора: как оно влияет на ток короткого замыкания, падение напряжения и выбор оборудования EPC

При рассмотрении технических характеристик трансформатора для проекта EPC наибольшее внимание обычно уделяется номинальной мощности и напряжению. Импеданс короткого замыкания часто рассматривается как еще одно число, которое нужно скопировать в таблицу данных.

Это ошибка.

С инженерной точки зрения в Zisheng Electric сопротивление короткого замыкания трансформатора находится непосредственно между конструкцией трансформатора и более широкой электрической системой. Он влияет на предполагаемый ток короткого замыкания, падение напряжения, режим работы распределительного устройства, координацию защиты, параллельную работу и даже на механические силы, которые обмотки трансформатора должны выдерживать во время внешнего короткого замыкания.

Трансформатор с нужной мощностью, но неправильным импедансом может создать проблемы, выходящие далеко за рамки самого трансформатора. Для более широкого представления о том, как мощность, напряжение, условия на месте и характеристики нагрузки сочетаются друг с другом, см. руководство по выбору трансформатора для промышленных проектов.

Поэтому для EPC-подрядчика, консультанта или покупателя промышленного проекта импеданс необходимо рассматривать как системный параметр, а не как спецификацию изолированного трансформатора.

Рисунок 1. Импеданс трансформатора связывает конструкцию трансформатора с уровнем неисправности, режимом работы распределительного устройства и характеристик нагрузки.

Что такое сопротивление короткого замыкания трансформатора?

Сопротивление короткого замыкания трансформатора, обычно выражаемое в процентах, представляет собой полное сопротивление обмоток трансформатора при номинальных условиях.

На практике это можно понимать как процент номинального напряжения, необходимый для циркуляции номинального тока через трансформатор, когда одна обмотка закорочена при определенных условиях испытаний.

Например, если сопротивление короткого замыкания трансформатора составляет 6 %, примерно 6 % номинального напряжения, приложенного к одной стороне, будет создавать номинальный ток, когда другая сторона закорочена, при условии соблюдения применимой схемы испытаний и эталонных условий.

Этот процент — не просто каталожное значение. Это зависит от геометрии трансформатора, включая размеры обмотки, радиальное расстояние между обмотками высокого и низкого напряжения, осевое расположение, магнитное поле рассеяния, размеры проводника, высоту обмотки, изоляционные зазоры и расположение ответвлений.

Изменение этих элементов может изменить импеданс. Вот почему импеданс необходимо учитывать при проектировании электромагнитных и механических устройств, а не добавлять после завершения проектирования трансформатора.

Техническая справка: МЭК 60076-1 и МЭК 60076-5 — Международная электротехническая комиссия.

Почему сопротивление короткого замыкания трансформатора имеет значение для всей электрической системы

Полезный способ оценить полное сопротивление — это рассмотреть цепочку проектов: Сеть/Генератор → Трансформатор → Распределительное устройство среднего или низкого напряжения → Фидер → Нагрузка → Защита..

Трансформатор расположен между источником и последующим оборудованием. Его сопротивление становится частью сопротивления, ограничивающего ток повреждения через эту систему. При изменении импеданса трансформатора вместе с ним изменяются и некоторые расчетные условия на выходе.

Более низкий импеданс означает более высокий предполагаемый ток короткого замыкания

Если полное сопротивление трансформатора уменьшается, а параметры источника и другие параметры системы остаются неизменными, ожидаемый ток повреждения на вторичной стороне обычно увеличивается.

Упрощенная инженерная зависимость: Ток повреждения ≈ Номинальный ток × 100 / Импеданс (%) . Это лишь оценка первого этапа. Правильное исследование короткого замыкания должно также учитывать полное сопротивление источника сети, кабелей, генераторов, двигателей, параллельных трансформаторов и других элементов сети.

Трансформатор с более низким импедансом допускает существенно больший ток повреждения. Это может повлиять распределительное устройство среднего напряжения , отключающая способность автоматического выключателя, номинальная устойчивость шин, термическая стойкость кабеля, выбор трансформатора тока, настройки защиты и расчеты вспышки дуги.

Вот почему выбор импеданса трансформатора без проверки конструкции распределительного устройства может создать проблему интерфейса EPC.

Рисунок 2. Упрощенное сравнение, показывающее, почему более низкий импеданс трансформатора увеличивает ток короткого замыкания, ограниченный трансформатором.

Высокий импеданс не становится лучше автоматически

Если более низкий импеданс увеличивает ток повреждения, может показаться логичным по возможности указывать более высокий импеданс. Это создает другой набор проблем.

Более высокий импеданс трансформатора обычно приводит к большему падению напряжения под нагрузкой, особенно если нагрузка имеет низкий коэффициент мощности или большой переходный ток. Это имеет значение в таких приложениях, как большие двигатели, горнодобывающее оборудование, дробилки и мельницы, компрессоры, насосы, нагрузки центров обработки данных, промышленные производственные линии и вспомогательные системы возобновляемых источников энергии.

Трансформатор может соответствовать своему тепловому номиналу и при этом обеспечивать неприемлемую производительность системы, если регулирование напряжения не было оценено. При запуске двигателя чрезмерное сопротивление может привести к падению вторичного напряжения настолько, что увеличится время запуска или помешается успешное ускорение.

Ток повреждения необходимо контролировать, не создавая неприемлемого падения рабочего напряжения. Этот баланс должен быть определен на этапе проектирования системы.

Связь между импедансом и силами короткого замыкания

Ток короткого замыкания – это не только проблема защиты. Это также проблема механической конструкции внутри трансформатора.

При сильном внешнем коротком замыкании обмотки трансформатора подвергаются воздействию электромагнитных сил. Эти силы могут действовать радиально и аксиально, создавая напряжения сжатия, растяжения, изгиба и смещения в обмоточных проводниках и опорных конструкциях.

Величина этих сил сильно возрастает с увеличением тока повреждения. Таким образом, конструкция, ограничивающая ток повреждения, влияет на механическую нагрузку на активную часть. Но одного указания импеданса недостаточно. Трансформатор по-прежнему должен быть спроектирован и изготовлен так, чтобы выдерживать напряжения короткого замыкания, связанные с указанными условиями системы.

Техническая справка: МЭК 60076-5 — Международная электротехническая комиссия.

Для технической проверки EPC это означает, что необходимо задать два разных вопроса: Каков указанный импеданс? и Была ли конструкция трансформатора оценена на устойчивость к короткому замыканию? Они связаны, но это не один и тот же вопрос.

Как импеданс влияет на конструкцию трансформатора

Импеданс короткого замыкания тесно связан с потоком рассеяния. В идеальном трансформаторе весь магнитный поток, создаваемый одной обмоткой, будет связываться с другой обмоткой. Настоящие трансформаторы всегда имеют некоторый поток рассеяния, который не связывает обе обмотки полностью.

Геометрия активной части определяет результирующее реактивное сопротивление рассеяния. Проектировщик может регулировать импеданс, изменяя такие параметры, как расстояние между обмотками, высоту обмотки или расположение проводников. Но каждая корректировка имеет последствия.

Увеличение расстояния между обмотками ВН и НН

Увеличение радиального расстояния может увеличить реактивное сопротивление утечки и, следовательно, импеданс. Но большее расстояние может также увеличить размеры активной части, увеличить длину проводника, повлиять на потери нагрузки, увеличить расход материала и изменить распределение механических сил.

Изменение высоты намотки

Высота обмотки влияет на геометрию поля рассеяния. Модификация, направленная на достижение определенного значения импеданса, может также повлиять на осевые силы короткого замыкания, размеры проводника, механическую стабильность обмотки и размеры резервуара.

Расположение обмотки

Дисковая, многослойная, спиральная и другие конфигурации обмотки выбираются в соответствии с напряжением, током и механическими требованиями. Поэтому импеданс нельзя рассматривать отдельно от конструкции обмотки. Тот же принцип применим и к устройствам среднего напряжения. конструкции масляных трансформаторов и высоковольтное оборудование, такое как Трансформатор масляный 110кВ.

Для трансформаторов с более высокими номиналами указанное полное сопротивление должно быть сообщено заранее. Изменение его после утверждения электромагнитной конструкции и чертежей может привести к существенной переработке конструкции.

Рисунок 3. Геометрия обмотки является одним из основных факторов, определяющих реактивное сопротивление рассеяния трансформатора и полное сопротивление короткого замыкания.

Что инженеры EPC должны подтвердить перед публикацией спецификации трансформатора

Запрос предложения на трансформатор не должен содержать произвольное значение импеданса, скопированное из предыдущего проекта. Прежде чем устранить проблему, инженер-электрик EPC должен проверить окружающую сеть.

Этот подход более полезен во время закупок, чем простое указание «Импеданс: 6%» без объяснения того, откуда взялось это значение. Для средних промышленных проектов наши Руководство по выбору трансформатора мощностью 2500 кВА предоставляет дополнительный контекст по сопоставлению данных трансформатора с проектной средой и пакетом документации.

Параллельная работа трансформатора требует особого внимания

Импеданс становится еще более важным, когда два или более трансформатора работают параллельно. Трансформаторы, предназначенные для параллельной работы, должны быть проверены на предмет совместимого коэффициента трансформации, векторной группы, положения отвода, смещения фаз, характеристик импеданса и номинальной мощности.

Если два параллельных трансформатора имеют существенно разные процентные импедансы, распределение нагрузки не будет просто соответствовать их номинальным значениям кВА. Трансформатор с более низким импедансом имеет тенденцию брать на себя большую долю нагрузки. Этот блок может перегрузиться, в то время как трансформатор с более высоким сопротивлением остается ниже своей номинальной мощности.

В проекте расширения эта проблема часто возникает, когда новый трансформатор приобретается через несколько лет после первоначального. Правильный вопрос о закупках звучит не так: «Можете ли вы изготовить еще один трансформатор с такой же кВА?», а «Может ли новый блок правильно работать параллельно с существующим трансформатором при требуемых условиях ответвления и нагрузки?»

Поэтому при техническом анализе необходимо предоставить паспортную табличку существующего трансформатора, протокол испытаний и данные импеданса.

Допуск по импедансу тоже имеет значение

Расчетное значение и измеренное значение не всегда численно идентичны. Производственные допуски влияют на фактический импеданс, поскольку размеры обмотки, расположение проводников и геометрия сборки не могут быть бесконечно точными.

По этой причине при оценке проекта следует учитывать как указанное значение импеданса, так и применимый допуск. Это становится особенно важным для параллельных трансформаторов, сетей, близких к пределам короткого замыкания распределительных устройств, систем генератор-трансформатор, крупных промышленных систем и проектов со строгими требованиями к падению напряжения.

Поэтому при техническом сравнении предложений сравнение только номинального импеданса может ввести в заблуждение. Два поставщика могут указывать один и тот же номинальный процент, но применять разные расчетные допущения или допуски. Инженер EPC должен изучить гарантированные технические характеристики и применимые стандарты, а не полагаться только на коммерческие данные.

Что следует проверить во время FAT?

Сопротивление короткого замыкания обычно проверяется в рамках электрических испытаний трансформатора посредством измерения напряжения импеданса/сопротивления короткого замыкания и измерения потерь на нагрузке в соответствии с применимой процедурой испытаний. Измеренный результат дает команде проекта несколько полезных проверок.

Соответствует ли изготовленный трансформатор утвержденной конструкции?

Значительное отклонение может указывать на изменения геометрии активной части или условий производства.

Находится ли значение в пределах указанного диапазона приемлемости?

Это важно для расчета неисправностей системы и параллельной работы.

Эталонная температура испытания чистая?

Сопротивление обмотки и интерпретация потерь нагрузки зависят от определенных эталонных температур. В протоколах испытаний должны быть четко указаны применимые условия.

Соответствуют ли результаты FAT окончательным данным, использованным в системных исследованиях?

Это часто упускается из виду. Если при исследовании короткого замыкания системы используется предварительное значение импеданса, но окончательный результат FAT отличается, группа EPC должна определить, необходимо ли обновить расчет системы.

Требование к проекту → Гарантированные данные трансформатора → Утвержденный расчет → Производство → Результат заводских испытаний → Окончательная проверка системы

Эта последовательность предпочтительнее, чем покупка трансформатора, получение отчета FAT и только потом обнаружение того, что при расчете распределительного устройства использовалось другое полное сопротивление.

Рисунок 4. Концептуальная схема FAT для измерения импеданса короткого замыкания. Фактический метод испытаний должен соответствовать применимому стандарту и утвержденной процедуре.

Распространенные ошибки в закупках

Копирование импеданса из старой спецификации

Значение, подходящее для одной подстанции, может не подходить для другой. Мощность сети, номинал трансформатора, мощность распределительного устройства и поведение нагрузки могут быть разными.

Выбор минимально возможного импеданса для уменьшения падения напряжения

Это может улучшить регулирование, в то же время выталкивая потенциальный ток короткого замыкания за пределы номинальных значений нижестоящего оборудования.

Выбор высокого импеданса только для уменьшения тока повреждения

В этом случае в проекте могут возникнуть неприемлемые падения напряжения или проблемы с запуском двигателя.

Игнорирование параллельной работы

Запасной трансформатор, соответствующий его собственным автономным спецификациям, может по-прежнему работать плохо при параллельном подключении к существующему блоку.

Ожидание FAT для проверки влияния на систему

По технологии FAT уже изготовлена ​​основная геометрия трансформатора. Требования к импедансу должны быть подтверждены до окончательного утверждения электромагнитной конструкции.

Улучшенный инженерный процесс выбора импеданса трансформатора

1. Получите исходные данные о коротком замыкании.

Определите максимальный и минимальный уровни повреждения сети в точке первичного подключения трансформатора.

2. Определите номинал трансформатора и принципы работы.

Проверьте нормальную загрузку, аварийную загрузку, резервирование и будущее расширение.

3. Рассчитайте предполагаемый ток короткого замыкания на выходе

Укажите полное сопротивление трансформатора и соответствующие импедансы на входе и выходе.

4. Проверьте назначение распределительного устройства и кабелей.

Убедитесь, что автоматические выключатели, шины, кабели и другое оборудование соответствуют требуемым значениям стойкости к короткому замыканию.

5. Проверьте регулировку напряжения.

Оцените нормальную нагрузку и критические переходные условия.

6. Проверьте запуск двигателя, если это необходимо.

Для больших двигателей оцените, не создает ли выбранный импеданс неприемлемое снижение напряжения.

7. Проверьте параллельную работу

Если трансформаторы будут работать параллельно, оцените совместимость импеданса и ожидаемое распределение нагрузки.

8. Зафиксируйте сопротивление перед детальным проектированием трансформатора.

Утвержденное значение должно стать частью гарантированных технических характеристик.

9. Проверьте его во время FAT

Сравните измеренное сопротивление с утвержденными требованиями и используйте окончательное значение там, где это необходимо в расчетах проекта.

Как покупателям трансформаторов следует сравнивать предложения поставщиков

Технически мощное предложение по трансформатору должно позволить покупателю понять больше, чем просто заявленный процент импеданса. При рассмотрении предложений попросите поставщиков уточнить следующие моменты.

Трансформатор не следует выбирать, поскольку его сопротивление выглядит нормальным. Его следует выбрать, потому что это значение работает с окружающей его электрической системой.

Инженерный вопрос превышает один процент

Импеданс короткого замыкания трансформатора связывает электромагнитную конструкцию трансформатора с защитой, распределительным устройством, системными исследованиями и фактической нагрузкой.

Слишком низкий ток короткого замыкания может стать трудным для управления. Слишком высокое, и регулирование напряжения может стать неприемлемым. Для параллельных трансформаторов неподходящее соотношение импедансов может привести к неравномерной нагрузке. При внешних повреждениях ток короткого замыкания также определяет термические и механические нагрузки, которые должен выдерживать трансформатор.

Техническая справка: МЭК 60076-5 и МЭК 60076-1 — Международная электротехническая комиссия.

Для нового проекта трансформатора наиболее полезная информация, которую следует отправить вначале, — это не только мощность и напряжение. Однолинейная схема, уровень короткого замыкания в сети, паспортные данные трансформатора, график нагрузки, список двигателей и техническая спецификация проекта позволяют анализировать импеданс как часть всей энергосистемы.

Цзышен Электроснабжение масляные трансформаторы , силовые трансформаторы, трансформаторы сухого типа и сопутствующее трансформаторное и подстанционное оборудование для проектного применения. Мощность трансформатора, уровень напряжения, полное сопротивление и другие технические параметры могут быть сопоставлены с подтвержденными требованиями проекта и условиями площадки.

Наша команда инженеров рассмотрит требования и ответит на запросы по проекту в течение 24 часов.