Опір короткого замикання трансформатора: як це впливає на струм пошкодження, падіння напруги та вибір обладнання EPC

Коли специфікації трансформатора переглядаються для проекту EPC, номінальна потужність і напруга зазвичай приділяють найбільшу увагу. Імпеданс короткого замикання часто розглядається як ще одне число для копіювання в таблицю даних.

Це помилка.

З інженерної точки зору в Zisheng Electric імпеданс короткого замикання трансформатора знаходиться безпосередньо між конструкцією трансформатора та ширшою електричною системою. Він впливає на передбачуваний струм пошкодження, падіння напруги, роботу комутаційного пристрою, координацію захисту, паралельну роботу і навіть механічні сили, які повинні витримувати обмотки трансформатора під час зовнішнього пошкодження.

Трансформатор з правильною потужністю, але з неправильним імпедансом може створити проблеми, що виходять за межі самого трансформатора. Для ширшого уявлення про те, як співвідносяться потужність, напруга, умови на місці та характеристики навантаження, див посібник з вибору трансформатора для промислових проектів.

Тому для підрядника, консультанта або покупця промислового проекту імпеданс потрібно розглядати як системний параметр, а не специфікацію ізольованого трансформатора.

Малюнок 1. Імпеданс трансформатора пов’язує конструкцію трансформатора з рівнем несправності, роботою розподільного пристрою та характеристиками навантаження.

Що таке опір короткого замикання трансформатора?

Імпеданс короткого замикання трансформатора, зазвичай виражений у відсотках, являє собою імпеданс обмоток трансформатора, що відноситься до номінальних умов.

На практиці це можна зрозуміти як відсоток номінальної напруги, необхідної для циркуляції номінального струму через трансформатор, коли одна обмотка замикається накоротко за певних умов випробування.

Наприклад, якщо трансформатор має імпеданс короткого замикання 6%, приблизно 6% номінальної напруги, прикладеної до однієї сторони, вироблятиме номінальний струм, коли інша сторона замикається накоротко, відповідно до застосовної схеми випробування та стандартних умов.

Цей відсоток є не просто каталожним значенням. Це залежить від геометрії трансформатора, включаючи розміри обмотки, радіальний відстань між обмотками ВН і НН, осьове розташування, магнітне поле витоку, розміри провідника, висоту обмотки, ізоляційні проміжки та розташування відводів.

Зміна цих елементів може змінити імпеданс. Ось чому імпеданс слід враховувати під час електромагнітного та механічного проектування, а не додавати після завершення конструкції трансформатора.

Технічна довідка: IEC 60076-1 і IEC 60076-5 — Міжнародна електротехнічна комісія.

Чому опір короткого замикання трансформатора має значення для всієї електричної системи

Корисний спосіб подивитися на імпеданс – через ланцюжок проекту: Мережа / Генератор → Трансформатор → Розподільний пристрій середнього або низького напруги → Фідер → Навантаження → Захист.

Трансформатор розташований між джерелом і наступним обладнанням. Його імпеданс стає частиною струму пошкодження, що обмежує імпеданс через цю систему. У міру зміни імпедансу трансформатора разом з ним змінюються кілька умов проектування, що знаходяться нижче.

Нижчий імпеданс означає вищий очікуваний струм пошкодження

Якщо імпеданс трансформатора зменшується, а джерело та інші параметри системи залишаються незмінними, очікуваний струм замикання на вторинній стороні зазвичай збільшується.

Спрощене інженерне співвідношення таке: Струм пошкодження ≈ Номінальний струм × 100 / Імпеданс (%) . Це лише оцінка першого етапу. Належне дослідження короткого замикання також має враховувати імпеданс джерела мережі, кабелі, генератори, двигуни, паралельні трансформатори та інші елементи мережі.

Трансформатор з нижчим опором забезпечує значно більший струм пошкодження. Це може вплинути розподільний пристрій середньої напруги , відключаюча здатність автоматичного вимикача, стійкість шин, термічна стійкість кабелю, вибір ТТ, налаштування захисту та розрахунки дугового спалаху.

Ось чому вибір імпедансу трансформатора без перевірки конструкції розподільного пристрою може створити проблему інтерфейсу EPC.

Малюнок 2. Спрощене порівняння, яке показує, чому менший опір трансформатора збільшує струм пошкодження, обмежений трансформатором.

Високий імпеданс не є кращим автоматично

Якщо нижчий опір збільшує струм замикання, може здатися логічним вказати вищий опір, коли це можливо. Це створює інший набір проблем.

Вищий опір трансформатора зазвичай призводить до більшого падіння напруги під навантаженням, особливо якщо навантаження має низький коефіцієнт потужності або великий перехідний струм. Це має значення для таких застосувань, як великі двигуни, гірниче обладнання, дробарки та млини, компресори, насоси, навантаження центрів обробки даних, промислові виробничі лінії та допоміжні системи відновлюваної енергії.

Трансформатор може відповідати своїм тепловим характеристикам і все ще мати неприйнятну продуктивність системи, якщо регулювання напруги не було оцінено. Під час запуску двигуна надмірний імпеданс може призвести до достатнього падіння вторинної напруги, щоб збільшити час запуску або перешкодити успішному прискоренню.

Струм пошкодження повинен контролюватися без створення неприйнятного падіння робочої напруги. Цей баланс слід визначити на етапі проектування системи.

Зв'язок між імпедансом і силами короткого замикання

Струм короткого замикання - це не тільки проблема захисту. Це також проблема механічної конструкції всередині трансформатора.

Під час сильного зовнішнього короткого замикання обмотки трансформатора піддаються впливу електромагнітних сил. Ці сили можуть діяти радіально та аксіально, створюючи напруги стиснення, розтягування, вигину та зміщення в провідниках обмотки та опорних конструкціях.

Величина цих сил сильно зростає зі струмом пошкодження. Тому конструкція, яка обмежує струм пошкодження, впливає на механічне навантаження на активну частину. Але вказати лише імпеданс недостатньо. Трансформатор повинен бути спроектований і виготовлений таким чином, щоб витримувати напруги короткого замикання, пов’язані з певними умовами системи.

Технічна довідка: IEC 60076-5 — Міжнародна електротехнічна комісія.

Для технічного огляду EPC це означає, що потрібно поставити два різні запитання: який опір заданий? і Чи було оцінено конструкцію трансформатора щодо короткого замикання? Вони пов’язані, але це не одне й те саме питання.

Як імпеданс впливає на конструкцію трансформатора

Імпеданс короткого замикання тісно пов'язаний з потоком витоку. В ідеальному трансформаторі весь магнітний потік, створюваний однією обмоткою, зв’язував би іншу обмотку. Справжні трансформатори завжди мають деякий потік витоку, який не пов'язує обидві обмотки повністю.

Геометрія активної частини визначає кінцевий реактивний опір витоку. Розробник може регулювати імпеданс, змінюючи такі параметри, як відстань між обмотками, висота обмоток або розташування провідників. Але кожне коригування має наслідки.

Збільшення відстані між обмотками ВН і НН

Збільшення радіального інтервалу може збільшити реактивний опір витоку і, отже, імпеданс. Але більший відстань також може збільшити розміри активної частини, збільшити довжину провідника, вплинути на втрати навантаження, збільшити використання матеріалу та змінити розподіл механічної сили.

Зміна висоти намотування

Висота обмотки впливає на геометрію поля витоку. Модифікація, спрямована на досягнення певного значення імпедансу, також може вплинути на осьові сили короткого замикання, розміри провідника, механічну стабільність обмотки та розміри бака.

Композиція змотування

Дискова, шарова, спіральна та інші конфігурації обмоток вибираються відповідно до напруги, струму та механічних вимог. Тому імпеданс не можна розглядати окремо від конструкції обмотки. Той самий принцип діє для середньої напруги конструкції масляних трансформаторів і обладнання вищої напруги, наприклад a Масляний трансформатор 110 кВ.

Для трансформаторів з вищим номіналом зазначений імпеданс слід повідомити заздалегідь. Його зміна після затвердження електромагнітної конструкції та креслень може призвести до значного перепроектування.

Малюнок 3. Геометрія обмотки є одним із основних факторів, що визначають реактивний опір витоку трансформатора та опір короткого замикання.

Що повинні підтвердити інженери EPC перед оприлюдненням специфікації трансформатора

Запит про пропозиції трансформатора не повинен містити довільне значення імпедансу, скопійоване з попереднього проекту. Перед встановленням вимоги інженер-електрик EPC повинен перевірити навколишню мережу.

Цей підхід є більш корисним під час закупівель, ніж просто вказувати «Імпеданс: 6%» без пояснення, звідки взялося значення. Для середніх промислових проектів наш Посібник з вибору трансформатора 2500 кВА надає додатковий контекст щодо відповідності даних трансформатора відповідно до середовища проекту та пакету документації.

Робота паралельного трансформатора вимагає особливої ​​уваги

Імпеданс стає ще більш важливим, коли два або більше трансформаторів працюють паралельно. Трансформатори, призначені для паралельної роботи, повинні бути перевірені на сумісне співвідношення напруг, векторну групу, положення відводів, фазовий зсув, характеристики імпедансу та номінальну потужність.

Якщо два паралельні трансформатори мають суттєво різні відсоткові опори, розподіл навантаження не просто слідуватиме їхнім номінальним значенням кВА. Трансформатор з меншим опором має тенденцію приймати більшу частку навантаження. Цей блок може бути перевантажений, тоді як потужність трансформатора з високим опором залишається нижчою за номінальну.

Для проекту розширення ця проблема є типовою, коли новий трансформатор купується через кілька років після оригінального блоку. Правильним питанням закупівлі є не 'Чи можете ви виготовити інший трансформатор з такою ж кВА?', а 'Чи може новий блок правильно працювати паралельно з існуючим трансформатором за необхідних умов відведення та навантаження?'

Таким чином, під час технічного огляду слід надати наявну паспортну табличку трансформатора, звіт про випробування та дані імпедансу.

Толерантність до опору теж має значення

Розрахункове та виміряне значення не завжди чисельно збігаються. Виробничі допуски впливають на фактичний імпеданс, оскільки розміри обмотки, розміщення провідника та геометрія монтажу не можуть бути нескінченно точними.

З цієї причини оцінка проекту повинна враховувати як вказане значення імпедансу, так і відповідний допуск. Це стає особливо важливим для паралельних трансформаторів, мереж, близьких до межі короткого замикання розподільних пристроїв, систем генератор-трансформатор, великих промислових систем і проектів із суворими вимогами до падіння напруги.

Тому під час порівняння технічних пропозицій порівняння лише номінального опору може ввести в оману. Два постачальники можуть вказати однаковий номінальний відсоток, але застосовувати різні припущення або допуски. Інженер EPC повинен переглянути гарантовані технічні характеристики та відповідний стандарт, а не покладатися лише на комерційну таблицю даних.

Що слід перевіряти під час FAT?

Імпеданс короткого замикання зазвичай перевіряється як частина електричних випробувань трансформатора за допомогою вимірювання напруги опору/імпедансу короткого замикання та втрат навантаження відповідно до застосовної процедури тестування. Виміряний результат дає групі проекту кілька корисних перевірок.

Чи відповідає виготовлений трансформатор затвердженому дизайну?

Значне відхилення може вказувати на зміни в геометрії активної частини або в умовах виробництва.

Чи знаходиться значення в межах зазначеного діапазону прийнятності?

Це важливо для розрахунків системних помилок і паралельної роботи.

Чи чітка контрольна температура тесту?

Опір обмотки та інтерпретація втрат навантаження залежать від визначених опорних температур. Звіти про випробування мають чітко вказувати відповідні умови.

Чи відповідають результати FAT остаточним даним, використаним у системних дослідженнях?

На це часто не звертають уваги. Якщо дослідження короткого замикання системи використовує попереднє значення імпедансу, але остаточний результат FAT відрізняється, група EPC повинна визначити, чи потрібно оновлювати розрахунок системи.

Вимоги до конструкції → Гарантовані дані трансформатора → Затверджений розрахунок → Виробництво → Результат FAT → Остаточна перевірка системи

Ця послідовність краща, ніж покупка трансформатора, отримання звіту FAT і лише потім виявлення того, що для розрахунку розподільного пристрою використовувався інший імпеданс.

Рисунок 4. Концептуальне розташування FAT для вимірювання опору короткого замикання. Фактичний метод випробування повинен відповідати застосовному стандарту та затвердженій процедурі.

Поширені помилки під час закупівель

Копіювання імпедансу зі старої специфікації

Значення, яке підходить для однієї підстанції, може не підходити для іншої. Міцність мережі, потужність трансформатора, потужність розподільного пристрою та поведінка навантаження можуть відрізнятися.

Вибір найменшого можливого опору для зменшення падіння напруги

Це може покращити регулювання, водночас підштовхнувши очікуваний струм замикання за межі номінальних значень обладнання.

Вибір високого опору лише для зменшення струму пошкодження

Після цього в проекті може спостерігатися неприйнятне падіння напруги або швидкість запуску двигуна.

Ігнорування паралельної роботи

Трансформатор на заміну, який відповідає власним автономним специфікаціям, все ще може працювати погано, якщо працювати паралельно з існуючим блоком.

Очікування FAT для перевірки впливу на систему

За допомогою FAT основна геометрія трансформатора вже виготовлена. Вимоги до опору мають бути підтверджені перед остаточним затвердженням електромагнітного проекту.

Кращий процес проектування для вибору імпедансу трансформатора

1. Отримайте дані джерела короткого замикання

Визначте максимальний і мінімальний рівні пошкодження мережі в точці первинного підключення трансформатора.

2. Визначте номінальну характеристику трансформатора та принципи експлуатації

Перевірте нормальне завантаження, аварійне завантаження, резервування та майбутнє розширення.

3. Розрахувати передбачуваний струм замикання

Включіть імпеданс трансформатора та відповідні імпеданси вгору/вниз.

4. Перевірте розподільний пристрій і кабель

Переконайтеся, що автоматичні вимикачі, шини, кабелі та інше обладнання відповідають необхідним параметрам короткого замикання.

5. Перевірте регулювання напруги

Оцініть нормальне навантаження та критичні перехідні умови.

6. Перевірте запуск двигуна, де необхідно

Для великих двигунів оцініть, чи вибраний імпеданс створює неприйнятне зниження напруги.

7. Розгляньте паралельну роботу

Якщо трансформатори працюватимуть паралельно, оцініть сумісність імпедансу та очікуваний розподіл навантаження.

8. Заморозити імпеданс перед детальним проектуванням трансформатора

Затверджене значення має стати частиною гарантованих технічних характеристик.

9. Перевірте це під час FAT

Порівняйте виміряний імпеданс із затвердженими вимогами та використовуйте остаточне значення, де це необхідно, у проектних розрахунках.

Як покупці трансформаторів повинні порівнювати пропозиції постачальників

Технічно потужна пропозиція трансформатора повинна дозволити покупцеві зрозуміти більше, ніж заголовний відсоток імпедансу. При перегляді пропозицій попросіть постачальників уточнити наступні моменти.

Трансформатор не слід вибирати, оскільки значення його опору виглядає нормальним. Його слід вибрати, оскільки це значення працює з електричною системою навколо нього.

Інженерне питання більше, ніж один відсоток

Опір короткого замикання трансформатора з'єднує електромагнітну конструкцію трансформатора із захистом, розподільними пристроями, дослідженнями системи та фактичними характеристиками навантаження.

Занадто низький, і струмом пошкодження може стати важко керувати. Занадто високий, і регулювання напруги може стати неприйнятним. Для паралельних трансформаторів невідповідне співвідношення повного опору може створити нерівне навантаження. Під час зовнішніх пошкоджень струм короткого замикання також визначає теплові та механічні навантаження, які повинен витримувати трансформатор.

Технічна довідка: IEC 60076-5 і IEC 60076-1 — Міжнародна електротехнічна комісія.

Для проекту нового трансформатора найбільш корисною інформацією, яку потрібно надіслати на початку, є не лише потужність і напруга. Однолінійна схема, рівень короткого замикання мережі, таблиця даних трансформатора, графік навантаження, список двигунів і технічна специфікація проекту дозволяють переглядати імпеданс як частину повної енергосистеми.

Електричне обладнання Zisheng масляні трансформатори , силові трансформатори, сухі трансформатори та відповідне обладнання для трансформаторів і підстанцій для проектних застосувань. Потужність трансформатора, рівень напруги, імпеданс та інші технічні параметри можуть бути узгоджені з підтвердженими вимогами проекту та умовами на місці.

Наша команда інженерів розгляне вимоги та відповість на запити щодо проекту протягом 24 годин.