Импеданс силового трансформатора 132 кВ: уровни токов короткого замыкания и параллельная работа

Для силового трансформатора 132 кВ необходимо задать такое значение импеданса, которое соответствует ограничениям сети по токам короткого замыкания, требованиям к напряжению и режимам эксплуатации. При меньшем импедансе трансформатор обеспечивает больший ток при повреждении на стороне нагрузки. При большем импедансе этот вклад ограничивается, однако при индуктивной нагрузке, как правило, увеличивается падение напряжения. Если трансформаторы будут работать параллельно, импеданс также влияет на распределение нагрузки между ними.

Универсального процентного значения импеданса, подходящего для каждой установки 132 кВ, не существует. В спецификации следует указать значение с согласованным допуском, которое соответствует предусмотренным конфигурациям сети. Совпадение процентных значений на табличках — лишь часть условий совместимости для параллельной работы: также важны коэффициент трансформации, фазовый сдвиг, угол импеданса и управление переключением ответвлений.

Что на самом деле показывает процентное значение импеданса

Импеданс короткого замыкания трансформатора характеризует сопротивление току между заданной парой обмоток. При измерении одну обмотку замыкают накоротко, а к другой прикладывают пониженное напряжение до тех пор, пока не потечёт номинальный ток. Требуемое напряжение, выраженное в процентах от соответствующего номинального напряжения, определяет процентное значение импеданса.

В основном оно обусловлено сопротивлением обмоток и индуктивностью рассеяния. Это не импеданс намагничивания трансформатора при холостом ходе и не означает, что указанная доля входной мощности теряется. Сопротивление вызывает потери нагрузки; реактивное сопротивление влияет на падение напряжения и ток короткого замыкания, но само по себе не потребляет активную мощность.

Значение импеданса имеет смысл только при чётко заданных исходных условиях. К ним относятся база мощности в MVA, пара обмоток, положение ответвления, частота и температура приведения. Для трансформатора с несколькими номинальными мощностями при разных способах охлаждения необходимо определить, какой номинал используется в качестве базы импеданса. Сравнение процентных значений, заданных на разных базах, может привести к неверным выводам.

Для трансформатора с тремя обмотками одного процентного значения недостаточно, чтобы описать все пути протекания тока короткого замыкания. Для расчёта необходимы импедансы соответствующих пар обмоток с указанием их баз. Обмотка третичной обмотки также может влиять на режим нулевой последовательности, даже если её обычная нагрузка невелика.

Оценка тока короткого замыкания без путаницы между сторонами напряжения

Для предварительной оценки симметричного трёхфазного короткого замыкания непосредственно на выводах вторичной обмотки примем идеальный источник питания выше по сети, номинальное напряжение и пренебрежимо малый импеданс соединений. При этих допущениях:

Номинальный ток: I_rated = S / (√3 × V)
Ток короткого замыкания, ограниченный трансформатором: I_sc ≈ I_rated / z_pu
Импеданс в относительных единицах: z_pu = Z% / 100

Здесь S — номинальная трёхфазная полная мощность трансформатора, а V — линейное напряжение на стороне, для которой рассчитывается ток. Используйте согласованные единицы измерения. Соответствующая приблизительная мощность короткого замыкания равна S / z_pu.

Важно учитывать сторону напряжения. Трансформатор, подключённый к сети 132 кВ, может питать шины более низкого напряжения, где ток в амперах при той же полной мощности значительно выше. Использование номинального тока на стороне 132 кВ для оценки нагрузки на коммутационное оборудование вторичной стороны приведёт к неверному результату.

Обратная зависимость даёт полезное правило для предварительной оценки: уменьшение импеданса увеличивает вклад трансформатора в ток короткого замыкания. Однако этот расчёт оценивает только ток, проходящий через данный трансформатор при указанных допущениях. Он не является полным прогнозом суммарного тока короткого замыкания на шинах.

При расчёте сети приведите импедансы источника, трансформатора и соединений к общей базе напряжения и мощности. Складывайте их активные и реактивные составляющие как комплексные величины. Арифметическое сложение модулей импеданса может исказить результат, если углы импеданса различаются.

При переходе между базами мощности с неизменной базой напряжения:

z_new = z_old × S_new / S_old

Если изменяется также база напряжения, при пересчёте необходимо учитывать соотношение базовых напряжений.

Условия сети, влияющие на нагрузку коммутационного оборудования

Практический расчёт токов короткого замыкания учитывает мощность источника выше по сети, линии электропередачи, кабели, другие трансформаторы и подключённую генерацию. В начальный период короткого замыкания ток могут также создавать электродвигатели. Для генерации на основе инверторов требуется соответствующая модель короткого замыкания, поскольку её токовая характеристика зависит от систем управления и ограничений по току.

Для определения максимальной нагрузки короткого замыкания обычно важен наиболее мощный обоснованный режим источника. Минимальная мощность источника важна для чувствительности защиты: реле должно обнаруживать и отключать соответствующее повреждение и при меньшем доступном токе. Поэтому анализ только максимального тока может оставить проблему защиты нерешённой.

Конфигурация шин может быть не менее важна, чем импеданс трансформатора. Замыкание секционного выключателя может подключить дополнительный путь питания и увеличить суммарный ток короткого замыкания. Если параллельные трансформаторы имеют общий импеданс источника выше по сети, этот общий импеданс необходимо явно учитывать в модели. Простое удвоение результата для одного трансформатора может завысить или исказить суммарный вклад.

При оценке коммутационного оборудования следует отдельно учитывать симметричный действующий ток, пиковый ток включения и ток, соответствующий требуемому времени отключения. Отношение X/R сети влияет на апериодическую составляющую и пиковый ток. Два режима с близкими значениями симметричного тока короткого замыкания могут создавать разные механические нагрузки.

Замыкания на землю требуют отдельной оценки. Одного импеданса прямой последовательности для их описания недостаточно. Пути возврата тока определяются схемой соединения обмоток, заземлением нейтрали, импедансом нулевой последовательности, а также наличием резистора или реактора заземления. Обмотка, соединённая в треугольник, изменяет пути протекания токов нулевой последовательности, но не исключает все токи замыкания на землю в других частях установки.

Повышенный импеданс снижает качество напряжения

Увеличение импеданса трансформатора может помочь удержать ток короткого замыкания на стороне нагрузки в пределах, допустимых для оборудования, но влияет на режим потокораспределения. Для упрощённой нагрузки с отстающим коэффициентом мощности приблизительное падение напряжения в относительных единицах составляет:

ΔV ≈ I_pu × (r_pu cos φ + x_pu sin φ)

Это показывает, почему важно соотношение активной и реактивной составляющих. При реактивной нагрузке индуктивность рассеяния оказывает особенно заметное влияние. При опережающем коэффициенте мощности знак реактивной составляющей меняется, поэтому в некоторых режимах вместо падения напряжения может возникнуть его повышение.

Регулятор напряжения под нагрузкой может компенсировать установившиеся изменения напряжения в пределах доступного диапазона. Он не устраняет импеданс и не гарантирует приемлемое напряжение во время переходных процессов. Конструкция, которая ограничивает ток короткого замыкания, но исчерпывает диапазон переключения ответвлений при нормальной нагрузке, может не подходить для предусмотренной сети.

Для подключения объекта возобновляемой энергетики необходимо совместно оценивать режимы потребления и выдачи мощности, требования к реактивной мощности и ограничения по напряжению в коллекторной сети. Выбранный импеданс должен соответствовать как расчёту короткого замыкания, так и расчёту потокораспределения.

Параллельная работа: одинаковые процентные значения не гарантируют равномерное распределение нагрузки

Трансформаторы, работающие параллельно, должны обеспечивать совместимые напряжения на общих шинах. Важны коэффициент трансформации, полярность, чередование фаз, фазовый сдвиг и настройки ответвлений. Несовместимость фазовых соотношений может вызвать сильный ток при замыкании цепи.

Совпадение групп соединения — удобная отправная точка, однако совместимость определяется фактическими фазовыми соотношениями на выводах. Соединения трансформаторов следует оценивать с учётом всей схемы шин.

После подтверждения совместимости напряжений распределение нагрузки зависит от импеданса каждой полной ветви. Он включает импеданс трансформатора и импеданс кабелей или шинных соединений между каждым трансформатором и общими шинами.

При равных напряжениях вторичных обмоток на холостом ходу токи ветвей распределяются обратно пропорционально их комплексным импедансам. Если углы импеданса достаточно близки, приближённое соотношение распределения полной мощности имеет вид:

S_load,1 / S_load,2 ≈ (S_rated,1 / z_pu,1) / (S_rated,2 / z_pu,2)

В этом выражении импеданс каждого трансформатора задан относительно его собственной номинальной мощности. Поэтому одинаковые процентные значения импеданса обеспечивают приблизительное распределение нагрузки пропорционально соответствующим номинальным значениям MVA при соблюдении остальных допущений.

Если процентное значение импеданса одного трансформатора ниже, относительно его номинальной мощности на него приходится большая доля нагрузки. Он может достичь теплового предела, пока у второго агрегата остаётся резервная мощность. Простое сложение номинальных мощностей на табличках не определяет автоматически доступную мощность параллельной группы.

Различия в отношениях X/R ещё больше усложняют распределение нагрузки. Агрегаты с близкими модулями импеданса могут по-разному распределять активную и реактивную мощность. При оценке совместимости сравнивайте активное и реактивное сопротивления либо модуль и угол импеданса.

Несовпадение положений ответвлений вызывает ток ещё до подачи полезной нагрузки

Разность векторов напряжения вторичных обмоток трансформаторов вызывает циркулирующий ток в контуре, образованном их импедансами. В упрощённом виде:

I_circulating ≈ ΔE / (Z₁ + Z₂)

Разность напряжений и импедансы необходимо привести к одной и той же стороне. Циркулирующий ток расходует токовую нагрузочную способность и увеличивает потери даже при небольшой внешней нагрузке. Он суммируется с током нагрузки каждого агрегата и может уменьшить доступную мощность.

Одинаковые номера положений ответвлений не обязательно означают одинаковые коэффициенты трансформации. У трансформаторов могут различаться шаги и диапазоны переключения, а также схемы обмоток. Сравнивайте фактические коэффициенты трансформации в предусмотренных рабочих положениях.

Независимые регуляторы напряжения также могут вызывать нежелательные переключения ответвлений при параллельной работе. Система управления должна обеспечивать согласованную работу, например с помощью подходящей схемы управления «ведущий—ведомый» или регулирования циркулирующего тока. В проекте следует учесть состояние секционного выключателя, доступность трансформаторов и переход между раздельной и параллельной работой.

Роль трансформаторов для фотоэлектрических систем в подключении к сети 132 кВ

Фотоэлектрическая электростанция может включать несколько ступеней трансформации: напряжение инвертора повышается до напряжения коллекторной сети, а отдельный главный трансформатор подключает эту сеть к системе 132 кВ. Импедансы всех ступеней необходимо включать в одну модель сети, однако эти агрегаты выполняют разные функции.

Трансформатор для повышения напряжения фотоэлектрических электростанций Jinshida Electric рассчитан на мощность 500–5000 kVA; доступны варианты высокого напряжения 10, 20 или 35 кВ. Эти параметры соответствуют ступени между инвертором и коллекторной сетью; они не подтверждают пригодность в качестве главного трансформатора 132 кВ.

Для такой схемы необходимо оценить короткие замыкания на каждой соответствующей шине. Импедансы трансформаторов коллекторной сети влияют на местные пути токов короткого замыкания и режим напряжения, а главный трансформатор определяет обмен мощностью с сетью передачи электроэнергии. Требования к параллельной работе действуют там, где вторичные цепи трансформаторов фактически соединены друг с другом. Подключение к общей коллекторной сети не означает, что каждый трансформатор инвертора образует традиционную параллельную группу.

Преобразование результатов расчёта сети в спецификацию закупки

Спецификация закупки должна содержать достаточно информации, чтобы изготовитель мог спроектировать трансформатор для предусмотренного режима работы. Запрос предпочтительного процентного значения импеданса без указания базы, допуска и ограничений сети оставляет важные решения неопределёнными.

IEC 60076 задаёт соответствующую нормативную основу для трансформаторов, однако общей ссылки на серию стандартов недостаточно для определения всех требований проекта. В контракте следует указать применимые требования, испытания, критерии приёмки и документацию. Измерение импеданса и оценка стойкости при коротком замыкании служат разным целям: соответствующее требованиям значение импеданса само по себе не подтверждает стойкость