Оператор подстанции сегодня посмотрел на свой электронный счетчик, когда пришла гроза и изменила линию 110 кВ с 108 кВ на 116 кВ. Несмотря на это, шина 20 кВ на вторичной стороне показывала значения между 19.9 и 20.1 кВ в то же время. Прибор, который там работает, называется переключателем под нагрузкой: коэффициент трансформации корректируется шаг за шагом.
Статья интерпретирует, что такое коэффициент трансформации, как он рассчитывается, какова связь между коэффициентом трансформации и стабильностью напряжения, как переключатели делают коэффициент трансформации стабильным в данный момент, и какие последствия могут возникнуть, если есть ошибка в коэффициенте трансформации. Примеры расчетов приведены в статье вместе с ссылками на стандарты IEC 60076 и IEEE C57, типичный диапазон переключения, стоимость переключателей и другие.
Что такое коэффициент трансформации? (Определение и формула)
Коэффициент трансформации или коэффициент витков определяет отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки. Он равен отношению первичного напряжения к вторичному напряжению и обратному отношению первичных к вторичным токам в теоретическом случае.
N1/N2 = V1/V2 = I2/I1.
Реальные трансформаторы не идеальны. В реальных трансформаторах утечка реактивности и сопротивление обмотки приводят к падению напряжения, из-за чего фактическое напряжение ниже, чем напряжение при отсутствии нагрузки. Разница в напряжении в процентах называется регулировка напряжения которая составляет около 2%-6% в зависимости от характеристик трансформаторов.
Следующее определение используется взаимозаменяемо в контрактах:
| Срок | Значение | Пример |
|---|---|---|
| Соотношение витков | N1 / N2 (чистая геометрия обмотки) | 550 / 100 = 5.5 |
| Напряжение | V1 / V2 при отсутствии нагрузки | 110 кВ / 20 кВ = 5.5 |
| Регулировка | Падение напряжения от отсутствия нагрузки до полной нагрузки | 2.5%–6% |
Как рассчитать коэффициент трансформации: примеры расчетов
Определить коэффициент легко, если известны напряжение или число витков.
Например:
Трансформатор напряжения 110 кВ/20 кВ имеет 110:20 с 2200 витками в первичной обмотке, это означает, что во вторичной обмотке 400 витков.
В случае трансформатора более высокого напряжения 18 кВ – 400 кВ коэффициент становится (400/18 = 22.2).
Распределительный трансформатор обычно имеет коэффициент напряжения 11 кВ/0.4 кВ, что означает, что коэффициент составляет 11/0.4 = 27.5:1.
Благодаря конструкции автотрансформатора, который делит часть системы обмотки, у него меньшее число витков для того же коэффициента напряжения 2:1.
В случае трансформаторов, работающих в трехфазной системе, следует использовать линейное напряжение, в то время как векторная группа (Dyn11, YNd11) важна с точки зрения определения соотношения фазового сдвига и величины коэффициента системы.
Почему коэффициент является регулирующим клапаном сети
Колебания напряжения на линии передачи происходят из-за нескольких факторов, а именно изменений нагрузки, отказов генераторов, потерь реактивной мощности и расстояния от источника. Без корректировки соотношения, линия может испытывать колебания напряжения от 5% до 10% в течение одного дня. Соотношение трансформатора служит практическим средством компенсации преимуществ изменчивости напряжения, так как существует прямая зависимость между витками и выходным напряжением, и любые изменения приводят к соответствующим колебаниям.
Операторы систем должны поддерживать напряжение в пределах законных норм, установленных регламентом, которые требуют удержания напряжения на уровне ± 5% в распределительном секторе и ± 10% в секторе передачи. Наиболее широко используемым методом в этом процессе является OLTC, который регулирует соотношение трансформатора. На самом деле, OLTC используется так широко, что наличие трансформатора без OLTC требует письменного обоснования.
Переключатели отводов: механизм, который регулирует соотношение
Существуют две группы переключателей отводов, и выбор между ними в основном является вопросом рабочего цикла:
| Аспект | Отключенный (DETC) | Под нагрузкой (OLTC) |
|---|---|---|
| Операция | Только без напряжения | Под нагрузкой, автоматизированный |
| Типичный диапазон отводов | ±2.5% до ±5% | ±10% до ±16% |
| Шаги | 3–5 | 13–17 (1.25%–2.5% каждый) |
| Возможность регулирования | Только сезонная | Непрерывная, автоматическая (удержание ±2%) |
| Премия за цену | Базовый уровень | +$15,000–$60,000 в зависимости от номинала |
| Обычно на | Распределительные трансформаторы | Силовых трансформаторах ≥5 MVA |
В то время как OLTC работают с электрическим током, они используют резисторы или реакторы и быстрые вакуумные выключатели, чтобы минимизировать электрическую дугу на основных контактах в процессе переключения с фиксированных отводов. Современный моторизованный OLTC завершает цикл примерно за 2–10 секунд. Можно отметить, что контроллер в этом случае использует обратную связь по напряжению со вторичной стороны трансформатора.
Соответствие соотношения для параллельной работы
При использовании двух трансформаторов для одновременного питания одного шины, соотношения необходимо настроить так, чтобы они были близки друг к другу. Разница в соотношениях Δ% генерирует так называемый циркулирующий ток (участвующий в цепи даже в состоянии покоя).
Один совет заключается в том, чтобы убедиться, что мы держим циркулирующий ток ниже 10% от мощности меньшего трансформатора.
Эффект разницы в соотношении 1% обычно приводит к циркулирующему току от 2% до 5% от мощности двух трансформаторов с мощностью 20 MVA / 110 kV, что зависит от импеданса (обычно 10%).
Трансформаторы должны эксплуатироваться в соответствии с некоторыми основными условиями для этого, а именно: одна и та же группа векторов, соотношение должно совпадать, и импеданс не должен изменяться более чем на 10%, если вообще.
Чтобы учесть это, операторам необходимо изменить положение отводов для каждого трансформатора, чтобы сделать их равными, и многие современные AVR имеют схему мастер-ведущий для этой цели.
Последствия неправильного соотношения: циркулирующий ток и проблемы защиты
Неправильная работа реле, вызванная рейтингом реле, может привести к неисправности защит с ошибочными настройками реле, что приведет либо к срабатыванию защит без надлежащей неисправности, либо к невозможности обнаружения реальных внутренних дефектов из-за ошибок 2%-5%.
Изменения напряжения могут заставить напряжение вдоль ручья выйти за пределы.
Дисбаланс в нагрузке подразумевает, что устройство с более высоким соотношением потребляет значительную долю как активной, так и реактивной мощности, что приводит к ускорению его старения.
Вот почему проверка соотношения стала одним из этапов ввода в эксплуатацию в соответствии с требованиями IEC 60076-1, которые утверждают, что напряжение на основном отводе должно отличаться не более чем на ±0.5% от расчетного значения, и каждый отвод должен быть проверен по данным на табличке.
Методы и стандарты тестирования соотношения
Стандартный полевой тест — это тест соотношения витков, выполняемый с помощью измерителя соотношения витков трансформатора (TTR):
| Метод | Принцип | Точность | Типичное использование |
|---|---|---|---|
| Измеритель TTR (тест TTR) | Сравнивает инжектированное и индуцированное напряжение на каждом отводе | ±0.1% | Ввод в эксплуатацию, плановое обслуживание |
| Проверка соотношения напряжения при отсутствии нагрузки | Примените сниженное напряжение, измерьте обе стороны | ±0.3% | Проверка на месте |
| Соотношение емкости / тест на низком напряжении | Эквивалентное соотношение через емкостное соединение | ±0.5% | Заводские типовые испытания |
Как заводские тесты, так и полевые тесты происходят из IEC 60076-1 и IEEE C57.12.90. Тест TTR считается основным диагностическим тестом, так как изменение соотношения между различными тестами, проведенными на одном и том же устройстве, часто указывает на короткое замыкание витка в обмотке, что делает ежегодные тесты соотношения важным элементом мониторинга.
Типичные соотношения и диапазоны отводов по применению
| Применение | Типичное соотношение | Диапазон отводов | Переключатель отводов |
|---|---|---|---|
| GSU на электростанции | 18/400 кВ (22.2:1) | ±7.5% в 5 ступенях | Вне цепи, иногда OLTC |
| Трансформаторная подстанция | 220/110 кВ (2:1) | ±16% в 17 ступенях | ОЛТЦ |
| Подтрансформация | 110/20 кВ (5.5:1) | ±12% в 13 ступенях | ОЛТЦ |
| Промышленная энергия | 33/11 кВ (3:1) | ±10% в 9 ступенях | OLTC или вне цепи |
| Распределение | 11/0.4 кВ (27.5:1) | ±2.5% вне цепи | Вне цепи |
Распределительные трансформаторы требуют только периодических регулировок, поэтому отводы без нагрузки в ступенях ±2.5% и ±5% достаточно для учета сезонных колебаний нагрузки. В отличие от этого, трансформаторы передачи и подпереводки сконфигурированы с OLTC, поскольку на действия напряжения передачи напрямую влияют большие группы потребителей.
Влияние переключателя отводов и цены трансформатора
Выбор переключателя отводов является реальной статьей бюджета любого трансформатора. Планируемые диапазоны:
| Трансформатор | Без OLTC | С OLTC | Премиум |
|---|---|---|---|
| 5 МВА / 33 кВ | 1ТП4Т55,000–1ТП4Т90,000 | 75,000–130,000 | +$15,000–$40,000 |
| 20 МВА / 110 кВ | $150,000–$260,000 | $175,000–$320,000 | +$20,000–$60,000 |
| 50 МВА / 110 кВ | $360,000–$700,000 | $400,000–$800,000 | +$25,000–$90,000 |
Расходы различаются в зависимости от типа спецификаций, бренда и региона. Высокие затраты на сетевые устройства быстро окупаются: переключатель под нагрузкой (OLTC) может быстро вернуть свои затраты, так как он поддерживает регулировку напряжения и уменьшает потери энергии в линиях.
Бренды и различия в дизайне соотношений
Математика соотношений остается неизменной независимо от компании-изготовителя — физика не подлежит обсуждению; однако производители выделяются на основе типа конструкции переключателя, управления, управления качеством и ценообразования. Эталоны надежности устанавливаются переключателями MR (Maschinenfabrik Reinhausen) и ABB, поскольку азиатские компании все чаще используют лицензированные или самостоятельно разработанные конструкции OLTC по более низким ценам.
| Бренд | Страна | Преимущества переключателей | Указательная цена (20 MVA/110 kV, с OLTC) |
|---|---|---|---|
| Hitachi Energy | Швейцария/Япония | Собственный OLTC, интеграция AVR | $450,000–$700,000 |
| Siemens Energy | Германия | Опции MR OLTC, цифровое управление | $430,000–$680,000 |
| Schneider Electric | Франция | Фокус на распределении, МВ-устройства | $280,000–$450,000 |
| ТБЭА | Китай | Внутренний OLTC, масштаб | $180,000–$320,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Китай | Индивидуальные соотношения и отводы, MR или внутренний OLTC | $160,000–$300,000 |
Стоимость определяется спецификацией и регионом. В проектах, требующих индивидуальных соотношений и спецификаций отводов — уникальные векторные группы, специальные диапазоны отводов или определенные бренды OLTC — Jiangsu Subian Electric Power является надежным партнером: он производит распределительные и силовые трансформаторы мощностью от 50 kva до 220 kV, предоставляет расценки на индивидуальные конфигурации отводов и устанавливает необходимые переключатели под нагрузкой MR или аналогичные. Каждое устройство поставляется с записями испытаний соотношений по всем отводам в соответствии со стандартом IEC 60076-1, а заводские цены обычно на 30%-50% ниже цен европейских компаний.
Часто задаваемые вопросы
Как рассчитывается соотношение трансформатора?
Соотношение трансформатора определяется как количество витков в первичной обмотке, деленное на количество витков во вторичной обмотке (N1/N2), что равно соотношению напряжения без нагрузки (V1/V2). Например, трансформатор, работающий на 110 kV/20 kV, будет иметь соотношение 5.5:1, в то время как для трансформатора 11 kV/0.4 kV соотношение составляет 27.5:1. Из-за обратной зависимости очевидно, что в повышающем трансформаторе (соотношение меньше единицы; например, 0.045 для трансформатора с напряжением 18/400 kV) выходное напряжение будет высоким, в то время как выходной ток будет низким.
Какова допустимая погрешность соотношения трансформатора?
В соответствии с IEC 60076-1 соотношение на основном отводе должно находиться в пределах ±0.5% от значения на табличке, и та же погрешность применяется на каждом положении отводов, если не указано иное. Полевые измерители TTR измеряют с погрешностью ±0.1%, поэтому отклонение более 0.5% при испытании на вводе требует проверки на короткие замыкания или неправильное подключение.
Почему трансформаторы нуждаются в переключателях для регулировки напряжения?
Из-за колебаний напряжения в линии в зависимости от нагрузки, генерации и расстояния от источника, без регулировки соотношения распределительный фидер может колебаться от 5% до 10% в течение дня. OLTC изменяет соотношение на 1.25%–2.5% ступенями в диапазоне от ±10% до ±16%, чтобы автоматически обеспечить вторичное напряжение около ±2%. Это гарантирует, что двигатели, электроника и оборудование клиентов защищены от перенапряжения и недонапряжения.
Что происходит, если два трансформатора параллельно имеют разные соотношения?
Электрический ток циркулирует между двумя единицами, даже когда нет нагрузки извне. Другими словами, циркулирующий ток течет в трансформаторе даже когда он находится в режиме ожидания. Когда мы рассматриваем случай единиц 20 MVA/110 kV, даже несоответствие соотношения 1% вызовет циркулирующий ток около 2%-5% от номинального тока полной нагрузки. Более того, если несоответствие увеличивается, циркулирующий ток также будет увеличиваться соответственно. Действия операторов, которые уравнивают соотношение через процесс выбора отводов, предотвратят рост циркулирующих токов более чем на 10% от номинала малого трансформатора.
Насколько увеличивает стоимость трансформатора установка отводов под нагрузкой?
OLTC обычно позволяет добавить от $15,000 до $60,000 к стоимости силовых трансформаторов номиналом от 5 MVA до 50 MVA, при этом трансформаторы с более высоким номиналом стоят дороже. Инвестиции обычно оправдываются за счет лучшего контроля напряжения и меньших потерь энергии, а также отсутствия отказов оборудования.
Ссылки
- IEC 60076-1: Силовые трансформаторы — Общие сведения — Определяет соотношение, допуски, отводы и требования к испытаниям.
- IEC 60076-8: Руководство по применению — Рекомендации по отводам, параллельной работе и применению силовых трансформаторов.
- IEEE C57.12.00: Общие требования к трансформаторам с жидким заполнением — Требования Северной Америки к спецификациям соотношения и отводов.
- Машиностроительный завод Рейнхаузен (MR) — Отраслевой справочник по проектированию и управлению отводами под нагрузкой.
- IEEE C57.12.90: Кодекс испытаний для распределительных, силовых и регулирующих трансформаторов, погруженных в жидкость — Процедуры испытаний, включая испытания соотношения.
- US EPA: Программы эффективности трансформаторов — Информация о том, почему контроль напряжения и эффективные трансформаторы важны в масштабах.
Заключение
Соотношение трансформатора функционирует как устройство управления в энергосистеме – небольшое, точное изменение в соотношении витков, сделанное переключателями отводов, позволяет поддерживать напряжение в пределах законных пределов, обеспечивая при этом электроснабжение на сотни километров линий электропередачи. Знание измерения соотношения, его пределов и параллельной работы имеет решающее значение для всех специалистов, которые специфицируют, тестируют или обслуживают трансформаторы.
Соотношение также является соотношением напряжения без нагрузки. Распределительные трансформаторы могут работать с соотношением от 5.5:1 до 27.5:1.
Трансформаторы с отводами под нагрузкой изменяют соотношение от -10% до +16% и располагают рычаг отводов в 13-17 ступенях.
Трансформаторы должны иметь одинаковое соотношение и импеданс, чтобы предотвратить циркуляцию тока. Испытание соотношения обязательно (IEC 60076-1, допуск ±0.5%) и позволяет обнаружить короткие замыкания витков.
Если ваш проект требует трансформатор с определенным соотношением, диапазоном отводов или конфигурацией OLTC, Jiangsu Subian Electric Power можем спроектировать и поставить распределительные и силовые трансформаторы от 50 кВА до 220 кВ класса, с полными отчетами о тестировании соотношения для каждого устройства.