Способ параллельного включения двух трансформаторов
METHOD OF PARALLEL CONNECTION OF TWO TRANSFORMERS

Изобретение относится к области энергетики, в частности к параллельной работе трансформаторов.
Известен способ регулирования вторичного напряжения трансформатора, реализованный в устройстве для регулировки мощности [Патент ФРГ DE 19837659 С2. Vorrichtung zur Leistungseinstellung, МПК Н02Р 13/06, заявл. 19.08.1998, опубл. 10.01.2002]. Регулирование осуществляется за счет переключения ответвлений обмотки высокого напряжения.
Для данного устройства не указаны особенности переключения ответвлений при параллельной работе с другим трансформатором.
Известно включение трансформаторов на параллельную работу, при котором первичные обмотки трансформаторов с одинаковыми коэффициентами трансформации подключаются к общему источнику (линии), а вторичные обмотки подключаются к общему приемнику [Касаткин А.С., Немцев М.В. Курс электротехники. М.: Высш. школа, 2005. - 542 с., стр. 221].
В случае, если в наличии нет трансформаторов с одинаковыми напряжениями короткого замыкания или требуется параллельная работа двух трансформаторов, значительно отличающихся по мощности, данное включение использовать нельзя.
Известен способ параллельного включения двух трансформаторов, заключающийся в установке (с помощью переключателей ПБВ или РПН) одинаковых коэффициентов трансформации и подключении обмоток высокого напряжения к питающей сети, а обмоток низкого напряжения - к сети потребителей [Иванов И.И., Равдоник B.C. Электротехника. - М.: Высш. шк., 1984. - 375 с., страница 168].
Данный способ неприменим, если напряжения короткого замыкания трансформаторов отличаются более чем на 10% [см., например, Кацман М.М. Электрические машины. - М.: Высш. шк., 1990. - 463 с., страница 69], поэтому параллельно включенные трансформаторы не должны сильно отличаться по мощности.
Изобретение решает задачу повышения суммарной мощности параллельно работающих трансформаторов с разными напряжениями короткого замыкания.
Техническим результатом от использования изобретения является возможность загрузки трансформаторов с разными напряжениями короткого замыкания до их паспортной мощности, что позволяет повысить установленную мощность системы из двух трансформаторов.
Это достигается тем, что в способе параллельного включения двух трансформаторов с одинаковыми коэффициентами трансформации, заключающимся в подключении обмоток высокого напряжения к питающей сети, а обмоток низкого напряжения - к сети потребителей, согласно изобретению, на трансформаторе с меньшим напряжением короткого замыкания путем переключения ответвлений обмотки высокого напряжения устанавливают значение коэффициента трансформации, рассчитанное согласно выражению:
1
p
где k - расчетный коэффициент трансформации трансформатора с меньшим напряжением короткого замыкания;
2
k - коэффициент трансформации другого трансформатора;
к.1
к.2
U%, U% - паспортные значения напряжения короткого замыкания трансформаторов.
Заявляемый способ параллельного включения двух трансформаторов отличается, таким образом, установкой определенного соотношения коэффициентов трансформации трансформаторов в зависимости от паспортных значений их напряжений короткого замыкания путем переключения ответвлений обмотки высокого напряжения трансформатора с меньшим напряжением короткого замыкания.
Формула, связывающая соотношение коэффициентов трансформации параллельно включенных трансформаторов с величиной их напряжений короткого замыкания, выведена авторами впервые.
1
2
1
I
p
На фиг. 1 представлены внешние характеристики трансформаторов, подключенных параллельно к активной нагрузке (1, 2 - характеристики трансформаторов с k=k (как у прототипа); 1 - характеристика трансформатора с рассчитанным повышенным k, на фиг. 2 - упрощенная схема замещения трансформаторов, параметры которой приведены к стороне низкого напряжения.
к.1
к.2
к.1
к.2
к.2
2.2
2.1
2
Для создания режима работы трансформаторов, близкого к оптимальному, при котором их КПД максимален, а также для постепенного развития подстанций желательно включать на параллельную работу трансформаторы разных мощностей. Как правило, такие трансформаторы имеют разные значения напряжений короткого замыкания U и U, поэтому наклон их внешних характеристик будет разным, причем характеристика 2 более мощного трансформатора 2 будет иметь меньший наклон (фиг. 1), чем характеристика 1, несмотря на то, что U%<U%, т.к. у мощного трансформатора величина U откладывается при номинальном токе I, который превышает номинальный ток I трансформатора 1. Это объясняется тем, что стандартное отношение мощностей (соответственно, токов) включенных на параллельную работу трансформаторов (за исключением трансформаторов специального назначения) составляет 1,6 или 1,6=2,56, а разница напряжений короткого замыкания не должна превышать ±10%. С уменьшением коэффициента мощности нагрузки наклон характеристик увеличивается, однако соотношения между токами и падениями напряжения сохраняются.
2ш
2.2
2.1п
2.1
Вторичные обмотки трансформаторов подключены к общим шинами, напряжение на шинах одинаково и равно U. При номинальной нагрузке во вторичной обмотке более мощного трансформатора 2 течет номинальный ток I, а менее мощный трансформатор 1 будет перегружен (ток I превышает номинальный ток I).
В [Правилах технической эксплуатации электроустановок потребителей. - М: Изд-во НЦ ЭНАС, 2007, раздел 2.1.19, страница 49] отмечается, что «для выравнивания нагрузки между параллельно работающими трансформаторами с различными напряжениями короткого замыкания допускается в небольших пределах изменение коэффициента трансформации путем переключения ответвлений при условии, что ни один из трансформаторов не будет перегружен». В руководстве по эксплуатации [Филатов А.А. Обслуживание электрических подстанций оперативным персоналом. - М.: Энергоатомиздат, 1990, страница 23] также указано, что при неравенстве напряжений короткого замыкания параллельно включенных трансформаторов «некоторое перераспределение (выравнивание) нагрузки можно получить путем изменения коэффициента трансформации». Однако конкретный расчет данного изменения в известной литературе отсутствует.
2.1
2.2
20
20
1
1
p
Для загрузки обоих трансформаторов до их номинальных мощностей следует «опустить» внешнюю характеристику трансформатора 1 параллельно самой себе на величину, при которой токи I и I становятся пропорциональны номинальным мощностям трансформаторов 1 и 2, а напряжение холостого хода трансформатора 1 U снижается до величины U' (характеристика 1', фиг. 1). Это достигается увеличением коэффициента трансформации k до значения k трансформатора 1.
Исходя из того, что разница напряжений холостого хода трансформаторов  и  должна быть равна разнице напряжений короткого замыкания в вольтах (см. фиг. 1), получим
С учетом того, что напряжение на первичной стороне трансформаторов одинаково, получим выражение, описывающее соотношение коэффициентов трансформации
к.1
к.2
здесь U%, U% - паспортные значения напряжений короткого замыкания трансформаторов, %.
Формула (2), связывающая соотношение коэффициентов трансформации параллельно включенных трансформаторов с величиной их напряжений короткого замыкания, выведена авторами впервые.
1
ур
Увеличение коэффициента k можно характеризовать введением на упрощенной схеме замещения уравнительной ЭДС E (фиг. 2), величина которой при номинальной загрузке трансформаторов определяется выражением
2.1
2.2
В результате в обмотках трансформаторов протекает уравнительный ток, который геометрически вычитается из тока I, т.е. несколько разгружает трансформатор 1, и складывается с током I, дополнительно загружая трансформатор 2. Величина уравнительного тока
к.1
к.2
где z, z - сопротивления короткого замыкания трансформаторов 1 и 2.
Пример осуществления способа рассмотрен на трансформаторах, отличающихся по мощности в четыре раза, что не допускается по условиям их параллельной работы без использования предлагаемого способа.
к1=
к2
2
1
2
Трансформатор 1 ТМ-400/10 с напряжением короткого замыкания U4,5% включен параллельно с трансформатором 2 ТМ-1600/10, имеющим U=6,5% [см., например, каталог Биробиджанского завода силовых трансформаторов URL: http://birzst.ru / Распределительные трансформаторы ТМ до 10 кВ]. Остальные параметры трансформаторов удовлетворяют условиям параллельной работы. Напряжение на шинах трансформаторов U=0,4 кВ. Коэффициент трансформации трансформаторов k=k=25.
Напряжения короткого замыкания на вторичной стороне в вольтах
20
где U - напряжение холостого хода, 0,4 кВ.
Суммарная допустимая мощность трансформаторов зависит от наименьшего напряжения короткого замыкания и определяется по формуле [Красник В.В. Эксплуатация электрических подстанций и распределительных устройств. - М.: ЭНАС, 2011 - 320 с., страница 40]
н.1
н.2
где S, S - номинальные мощности трансформаторов.
Таким образом, недогрузка системы 2000-1508=492 кВА, что составляет 25% мощности всей системы.
Номинальные токи во вторичных обмотках трансформаторов [ГОСТ 30830-2002, раздел 3.4.7]
Сопротивления короткого замыкания трансформаторов
2.1п
2.1н
Отношение тока перегрузки трансформатора 1 I (фиг. 1) к его номинальному току I
таким образом, трансформатор 1 перегружен на 44%.
1
p
Значение коэффициента трансформации трансформатора 1 k, необходимое для «опускания» его внешней характеристики, определяем из выражения (2)
1
1
p
Таким образом, следует установить коэффициент трансформации k=25,51, повысив его на 2,04% относительно k. При регулировании РПН возможно изменение коэффициента трансформации на 2% до значения 25,50, при котором трансформатор 1 будет перегружен не на 44%, а на 0,9%, и его ток будет равен 577⋅1,009=582 А.
После переключения на данную отпайку напряжение холостого хода вторичной обмотки трансформатора 1 снижается до значения  При номинальной загрузке трансформатора 1 его вторичное напряжение
20
к.1
I
U-U=392,16-18=374,16 В.
Вторичное напряжение трансформатора 2 при его номинальной загрузке
20
к.2
U-U=400-26=374 В.
1
p
Уравнительная ЭДС, возникающая из-за неточной установки значения k в результате дискретности напряжения отпаек
ур
E=374,16-374=0,16 В.
Величина уравнительного тока
2
2.1
2.2
Суммарный ток трансформаторов I=I+I=577+2309=2886 А.
Относительно этого тока уравнительный ток составляет соответственно 0,13%, причем он разгружает менее мощный трансформатор 1 и подгружает более мощный трансформатор 2.
С экономической точки зрения намного выгоднее повысить суммарную мощность системы трансформаторов за счет искусственно созданного небольшого уравнительного тока между ними, чем допустить перегрузку менее мощного трансформатора или недогружать систему трансформаторов.
Согласно предлагаемому способу, возможна полная загрузка двух трансформаторов с различными напряжениями короткого замыкания до номинальных мощностей, а также возможно включение на параллельную работу трансформаторов, значительно отличающихся по мощности, что позволяет более точно подобрать для них оптимальный режим работы с наименьшими потерями.