Параллельная работа трансформаторов
Параллельной работой двух или нескольких трансформаторов называется работа при параллельном соединении не менее чем двух основных обмоток одного из них с таким же числом основных обмоток другого трансформатора (других трансформаторов).
В целях правильного
- равенства номинальных первичных и вторичных напряжений (допускается разность коэффициентов трансформации не более ± 0,5 %);
- тождественности групп соединения обмоток;
- равенства напряжений КЗ (допускается отклонение не более чем на ± 10 % средней величины).
При несоблюдении первого и второго условий в обмотках трансформаторов возникают уравнительные токи, которые в отдельных случаях, особенно при несовпадении групп, могут достигнуть и даже превысить значения тока КЗ. Несоблюдение третьего условия приводит к тому, что общая нагрузка распределяется между трансформаторами непропорционально их поминальным мощностям. Рекомендуется, чтобы отношение номинальных мощностей параллельно работающих трансформаторов не превышало 3:1.
На трансформаторных подстанциях обычно устанавливается несколько параллельно работающих трансформаторов. Это обусловлено следующими причинами:
- условиями обеспечения надежности электроснабжения путем резервирования;
необходимостью расширения подстанции;
- уменьшением потерь при малых нагрузках путем отключения части параллельно работающих трансформаторов.
Параллельное включение
При параллельной работе трансформаторов возникает проблема обеспечения равномерного распределения нагрузки между ними. Равномерность распределения нагрузки обеспечивается в том случае, если трансформаторы имеют
одинаковые группы соединения обмоток;
- равные коэффициенты трансформации;
- равные напряжения короткого замыкания.
Если первые два условия соблюдены, то вторичные ЭДС параллельно включенных трансформаторов будут равны по величине и по фазе и поэтому будут уравновешивать друг друга. В противном случае уже на холостом ходу возникает уравнительный ток . Этот ток, складываясь с током нагрузки, вызывает неравномерное распределение нагрузки, а также дополнительные потери и нагрев трансформаторов. При большой разнице ЭДС ток может быть опасным для трансформаторов. Соблюдение третьего условия обеспечивает равномерное распределение токов между трансформаторами при нагрузке.
Анализ особенностей параллельной работы двух трансформаторов можно выполнить с помощью упрощенной схемы замещения (рис. 30).
Трансформаторы в этой схеме представлены внутренними сопротивлениями и . В цепь второго трансформатора включен источник ЭДС , учитывающий несоблюдение первых двух условий параллельной работы трансформаторов,
Если , то ток нагрузки распределяется между трансформаторами обратно пропорционально их внутренним сопротивлениям:
; .
Если , то в замкнутом контуре, образованном сопротивлениями и , потечет уравнительный ток
вызывая неравномерное распределение тока нагрузки между трансформаторами:
;
Ввиду малого внутреннего сопротивления трансформатора уровень тока может быть весьма значительным. Например, при включении на параллельную работу трансформаторов с группами соединений обмоток Y/Y-0 и Y/D-11 вторичные ЭДС будут сдвинуты по отношению друг к другу на 30° (рис. 31).
Принимая модули приведенных значений ЭДС и одинаковыми и равными 1 о.е., найдем из рис. 31 модуль ЭДС
При модуль уравнительного тока , вызванного этой ЭДС, превысит пятикратное значение
что недопустимо. Поэтому на параллельную работу включаются трансформаторы только с одинаковыми группами соединений обмоток.
Если трансформаторы имеют разные коэффициенты трансформации, то величина ЭДС может быть приближенно вычислена по выражению
Примем для определенности , тогда ЭДС будет находиться в противофазе с напряжением . При модуль уравнительного тока, вызванного этой ЭДС, составит
а его фаза будет определяться аргументами комплексных сопротивлений и . Появление уравнительного тока приведет к уменьшению нагрузки первого трансформатора и ее увеличению у второго (рис. 32).
Для того, чтобы не вызвать серьезного нарушения параллельной работы трансформаторов, различие в коэффициентах трансформации не должно превышать 0,5%. При равенстве коэффициентов трансформации , и ток нагрузки будет распределяться обратно пропорционально сопротивлениям :
В общем случае эти токи не совпадают по фазе. Однако фазовый сдвиг незначителен и его можно не учитывать, тогда
(26)
Выразим сопротивления короткого замыкания через их значения в относительных единицах:
;
Подставим эти выражения в формулу (26):
Так как напряжения параллельно работающих трансформаторов одинаковы, отношения токов можно заменить отношением мощностей:
Если , то трансформаторы будут нагружаться пропорционально их номинальным мощностям. Очевидно, что при этом условия параллельной работы являются наилучшими. Если же не равны, то сильнее будет нагружаться тот трансформатор, у которого меньше. Допускается включать на параллельную работу трансформаторы, у которых отличается от среднеарифметического не более чем на ±10%.
Включение трансформаторов на параллельную работу
Параллельная работа трансформаторов, т. е. включение их на одни сборные шины ВН и НН, а также СН, возможна: а) при равенстве их первичных и их вторичных напряжений; б) при равенстве напряжений короткого замыкания; в) тождественности групп соединения обмоток. На этих же условиях возможна параллельная работа и автотрансформаторов, а также трансформаторов с автотрансформаторами.
У трансформаторов, имеющих разные номинальные напряжения или разные коэффициенты трансформации, напряжения на зажимах вторичных обмоток неодинаковы. При включении таких трансформаторов на параллельную работу в замкнутых контурах первичных и вторичных обмоток возникнут уравнительные токи, обусловленные разностью вторичных напряжений.
Уравнительный ток равен:
- где D U = U 1 — U 2 — разность вторичных напряжений трансформаторов; ZK 1 и ZK 2 —
сопротивления первого и второго трансформаторов, определяемые по формуле
где u к% — напряжение КЗ трансформатора.
Пример. Два трансформатора с разными значениями вторичных напряжений включаются на параллельную работу. Трансформаторы имеют следующие параметры: S 1 = S 2 =10000 кВ·А ; U1 =6600 В; U 2 =6300 В; uk 1 = u к2 =8% ; группы соединения обмоток U/D-11. Определить уравнительный ток после включения на параллельную работу.
Решение. Номинальные токи трансформаторов
Сопротивления трансформаторов
Разность вторичных напряжений
Уравнительный ток
Из примера видно, что при неравенстве вторичных напряжений трансформаторы будут загружаться уравнительным током даже в режиме холостого хода. При работе под нагрузкой уравнительный ток налoжится на ток нагрузки. Уравнительный ток, загружая обмотки трансформаторов, увеличивает потери энергии в них и снижает суммарную мощность подстанции. Поэтому разность вторичных напряжений при включении трансформаторов на параллельную работу должна быть минимальной. Отклонения по коэффициенту трансформации допускаются в пределах ±0,5% номинального значения. Напряжение короткого замыкания икявляется постоянной для каждого трансформатора величиной, зависящей исключительно от его конструкции. При работе трансформатора под нагрузкой необходимо равенство их ик. Это объясняется тем, что нагрузка между трансформаторами распределяется прямо пропорционально их мощностям и обратно пропорционально напряжениям короткого замыкания. В общем случае неравенство ик приводит к недогрузке одного трансформатора и перегрузке другого. Если два трансформатора номинальной мощности S 1 и S 2 имеют различные напряжения короткого замыкания u к1 и u к2
где S ‘ и S » — реальные нагрузки первого и второго трансформаторов; u ‘к — некоторое эквивалентное напряжение короткого замыкания параллельно включенных трансформаторов.
Пример. На параллельную работу включаются два трансформатора мощностью S 1 =S 2 =10000 кВ·А , имеющих напряжения короткого замыкания u к1 =8%, u к2 =6,5%
Решение. Эквивалентное напряжение короткого замыкания
Нагрузки трансформаторов
Таким образом, при включении на параллельную работу трансформаторов с различными напряжениями короткого замыкания трансформатор с меньшим uk примет на себя бόльшую нагрузку .Некоторое перераспределение (выравнивание) нагрузки в данном случае можно получить путем изменения коэффициента трансформации, т. е. повышением вторичного напряжения недогруженного трансформатора. Но пользоваться этим способом в эксплуатации не следует, так как при этом возрастают потери от уравнительного тока.
Наилучшее использование установленной мощности трансформаторов возможно только при равенстве напряжений короткого замыкания. Однако в эксплуатации допускается включение на параллельную работу трансформаторов с отклонениями ик на основном ответвлении не более чем на ± 10%. Такое допущение связано с технологией изготовления трансформаторов, т. е. с отступлениями в размерах обмоток, влияющих на ик.
Рис. 1. 8. Разность напряжений ДU при сдвиге векторов вторичных напряжений U 1 и U 2 по фазе на угол d
Не рекомендуется включение на параллельную работу трансформаторов с отношением номинальных мощностей более 1:3. Это вызвано тем, что даже при небольших перегрузках трансформаторы меньшей мощности будут больше загружаться в процентном отношении и, особенно в том случае, если они имеют меньшие ик. Поэтому при отношении мощностей трансформаторов более 1: 3 целесообразно при возрастании нагрузок совсем отключить трансформатор меньшей мощности, чтобы не подвергать его недопустимой перегрузке.
Параллельная работа трансформаторов, принадлежащих к разным группам соединений обмоток, невозможна по той причине, что между вторичными обмотками одноименных фаз соединяемых трансформаторов появляется разность напряжений, обусловленная углом сдвига 5 между векторами вторичных напряжений (рис. 1.8).
Уравнительный ток при сдвиге векторов на угол 5 определяется по формуле
где u к1 и u К2 — напряжения короткого замыкания первого и второго трансформаторов; I 1 и I 2- номинальные токи первого и второго трансформаторов соответственно.
Пример. Подсчитаем значение уравнительного тока, предположив, что на параллельную работу оказались включенными два трансформатора с одинаковыми номинальными токами (I 1 = I 2 = I ) и одинаковыми напряжениями короткого замыкания (uk 1 =ик2=ик), но при наличии сдвига векторов линейных напряжений вторичных обмоток на угол 60° (например, группы соединений Y/D-11 и Y/D-1).
В этом случае уравнительный ток равен:
Например, при ик=6,5% уравнительный ток достигает почти восьмикратного значения номинального, что равносильно короткому замыканию.
Группы соединения обмоток в ряде случаев могут быть изменены путем перемаркировки выводов и соответствующего присоединения к ним шин. В других случаях необходимо вскрытие трансформатора для изменения группы соединения его обмоток.
