Оптимизация систем электроснабжения: Параллельная работа однофазных и трехфазных трансформаторов

Необходимость и условия для параллельного соединения трансформаторов

В системах электроснабжения трансформаторы используются для повышения и понижения уровней напряжения. Мощность трансформатора выбирается в зависимости от потребления нагрузки. Однако спрос на электроэнергию постоянно растет. Для покрытия дополнительной нагрузки необходимо либо заменить существующий трансформатор на более мощный, либо добавить второй трансформатор, включенный параллельно с первым.

• Связанная статья: Параллельная работа генераторов постоянного тока

Самый экономичный способ удовлетворить растущий спрос — включить второй трансформатор параллельно с работающим.

Зачем нужна параллельная работа трансформаторов

Параллельная работа трансформаторов необходима по следующим причинам:

• Для питания нагрузки, превышающей номинальную мощность существующего трансформатора, подключается второй трансформатор параллельно.
• Во время технического обслуживания второй трансформатор обеспечивает бесперебойное питание потребителей, повышая надежность системы.
• При выходе из строя одного трансформатора второй продолжает обеспечивать питание, предотвращая сбой в электроснабжении.

Условия параллельной работы трансформаторов

Для успешной параллельной работы должны выполняться следующие условия:

• Первичные обмотки обоих трансформаторов должны соответствовать напряжению и частоте сети электроснабжения.
• Оба трансформатора должны быть включены с одинаковой полярностью. Несовпадение полярностей может привести к короткому замыканию, поэтому при параллельном включении полярность должна строго соблюдаться.
• Коэффициент трансформации (отношение числа витков) обоих трансформаторов должен быть одинаковым, то есть номинальные напряжения первичных и вторичных обмоток должны совпадать. Если коэффициенты трансформации отличаются, параллельная работа возможна, но в режиме холочего хода возникнет циркуляционный ток, приводящий к неравномерному распределению нагрузки.
• Для исключения циркуляционных токов отношение реактивного сопротивления к активному (X/R) должно быть одинаковым для обоих трансформаторов, то есть треугольники импедансов должны быть идентичны. Если отношение X/R отличается, трансформаторы будут работать на разных косинусах φ.
• При разных номинальных мощностях (кВА) эквивалентные сопротивления должны быть обратно пропорциональны индивидуальным номинальным мощностям (при пренебрежении циркуляционными токами).

Параллельная работа однофазных трансформаторов

Два однофазных трансформатора могут быть включены параллельно, как показано на рисунке ниже.

Первичные обмотки обоих трансформаторов подключены к шине питания, а вторичные — к шине нагрузки. Таким образом, можно соединить параллельно два и более трансформаторов, увеличивая общую пропускную способность.

При параллельном включении полярности трансформаторов должны совпадать. В противном случае возникнет короткое замыкание, которое может повредить оборудование.

Идеальный случай

В идеальном случае считается, что у обоих трансформаторов одинаковое отношение трансформации и одинаковое число витков. Треугольники импедансов идентичны по форме и размеру. Векторная диаграмма для этого случая показана ниже.

Где:

• E = Напряжение холочего хода на вторичной обмотке каждого трансформатора
• V₂ = Напряжение на клеммах нагрузки (вторичное)
• V₁ = Напряжение на клеммах питания (первичное)
• I_A = Ток, выдаваемый трансформатором 1
• I_B = Ток, выдаваемый трансформатором 2
• I = Общий ток нагрузки

На векторной диаграмме общий ток нагрузки (I) отстает от V₂ на угол φ. Токи I_A и I_B отдельных трансформаторов по фазе совпадают с общим током I.

Индивидуальные токи (I_A и I_B) для каждого трансформатора:

Аналогично выводится ток I_B:

Равные коэффициенты трансформации

Пусть трансформаторы имеют одинаковое отношение трансформации. Тогда напряжения холочего хода равны (E_A = E_B = E). В этом режиме между трансформаторами не течет тока. Эквивалентная схема показана ниже.

Где:

• E_A, E_B = Напряжения холочего хода
• Z_A, Z_B = Импедансы
• I_A, I_B = Токи вторичных обмоток соответствующих трансформаторов
• V₂ = Напряжение на клеммах
• I = Общий ток

Импедансы обоих трансформаторов соединены параллельно, поэтому общий импеданс Z_AB равен:

Векторная диаграмма этого режима:

Здесь токи I_A и I_B не совпадают по фазе. Общий ток, подаваемый на нагрузку, является векторной суммой I_A и I_B. Напряжения холочего хода считаются одинаковыми и сонаправленными.

Аналогично:

Пусть Q_A и Q_B — кажущаяся мощность, потребляемая каждым трансформатором.

Q_A = V₂ I_A и Q_B = V₂ I_B

Общая кажущаяся мощность:

Q = V₂ I

Тогда:

Аналогично:

Таким образом, Q_A и Q_B определяются по модулю и фазе из векторных уравнений.

Неравные коэффициенты трансформации

Если коэффициенты трансформации различаются, напряжения холочего хода не равны. В этом режиме в холочем ходе между трансформаторами течет циркуляционный ток I_C.

Векторная диаграмма:

Напряжения ЭДС холочего хода не равны:

E_A = I_A Z_A + I Z_L

E_B = I_B Z_B + I Z_L

Где Z_L — импеданс нагрузки.

I = I_A + I_B и V₂ = I Z_L

Подставляя:

E_A = I_A Z_A + (I_A + I_B) Z_L

E_B = I_B Z_B + (I_A + I_B) Z_L

Вычитаем уравнения:

E_A – E_B = I_A Z_A – I_B Z_B

(E_A – E_B) + I_B Z_B = I_A Z_A

Подставляем значение I_A в уравнение для E_B:

Аналогично:

Подставляем общий ток I в уравнение напряжения на клеммах V₂:

Импедансы трансформаторов (Z_A и Z_B) всегда значительно меньше импеданса нагрузки Z_L. Для упрощения пренебрегаем произведением Z_A Z_B по сравнению с Z_L (Z_A + Z_B).

Параллельная работа трехфазных трансформаторов

Трехфазные трансформаторы также можно соединять параллельно (два и более) для увеличения пропускной способности. Основные условия те же, что и для однофазных, но добавляются специальные требования:

• Порядок следования фаз должен быть одинаковым, что проверяется индикатором порядка фаз.
• Сдвиг фаз между первичной и вторичной обмотками должен быть одинаковым.
• Все три трансформатора в группе должны быть одного типа (стержневой или оболочечный).
• При расчете коэффициента трансформации учитываются линейные напряжения, и их отношение должно быть одинаковым.

Должно существовать определенное соотношение между первичным и вторичным линейными напряжениями. Оно не равно отношению числа витков на фазу. Например, для соединения «Звезда/Треугольник» (Y-Δ) коэффициент трансформации по линейным напряжениям V₁ и V₂ будет:

Схема параллельной работы трехфазных трансформаторов:

Первичные и вторичные обмотки обоих трансформаторов (T1 и T2) соединены как показано. Клеммы b и c вторичной обмотки оставлены свободными и подключены к вольтметрам для проверки. Если оба вольтметра показывают нуль — полярность верна. Если показывают удвоенное фазное напряжение — полярность нарушена.

Связанные статьи:

• Фазировка трансформаторов: Точечная нотация и соглашение о точках
• Системы пожаротушения трансформаторов — причины, типы и требования
• Трансформаторы тока (ТТ) — типы, характеристики и применение
• Автотрансформатор — типы, работа, преимущества и применение
• Что такое измерительный трансформатор напряжения (НТ)? Типы и принцип работы
• Защита и неисправности силового трансформатора
• Эксплуатационные характеристики и электрические параметры трансформатора
• Изоляционные материалы в масляных и сухих трансформаторах
• Применение трансформаторов
• Потери в трансформаторах — типы энергетических потерь
• Уравнение ЭДС трансформатора
• Разомкнутое треугольное соединение трансформаторов
• Формулы и уравнения трансформаторов
• Графические символы электрических трансформаторов — однолинейные обозначения