RU2740778C1 - Method of parallel connection of two transformers - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the electrical equipment. Method of parallel connection of two transformers, which differ significantly in power, with identical transformation ratios, consists in connection of high-voltage windings to supply mains, and windings of low voltage to a network of consumers. On a transformer with a lower short-circuit voltage by switching high-voltage winding branches, setting the transformation ratio calculated according to the expression:

where k₁ ^d is design transformer ratio with less short-circuit voltage of transformer; k₂ is transformer ratio of another transformer; U_s.1%, U_s.2% are rated values of short-circuit voltage of transformers.

EFFECT: possibility of loading transformers with different short-circuit voltage to their rated power, which increases installed capacity of system of two transformers.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, в частности к параллельной работе трансформаторов.The invention relates to the field of energy, in particular to the parallel operation of transformers.

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.A known method of regulating the secondary voltage of a transformer, implemented in a device for adjusting the power [Federal Republic of Germany Patent DE 19837659 C2. Vorrichtung zur Leistungseinstellung, IPC H2P 13/06, Appl. 19.08.1998, publ. 10.01.2002]. Regulation is carried out by switching the taps of the high voltage winding.

Для данного устройства не указаны особенности переключения ответвлений при параллельной работе с другим трансформатором.For this device, the features of switching branches are not indicated when operating in parallel with another transformer.

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].It is known the inclusion of transformers for parallel operation, in which the primary windings of transformers with the same transformation ratios are connected to a common source (line), and the secondary windings are connected to a common receiver [Kasatkin A.S., Nemtsev M.V. Electrical engineering course. M .: Higher. school, 2005. - 542 p., p. 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.In the event that there are no transformers with the same short-circuit voltages available or parallel operation of two transformers that differ significantly in power is required, this connection cannot be used.

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].There is a known method of parallel connection of two transformers, which consists in installing (using switches or tap changers) the same transformation ratios and connecting high voltage windings to the supply network, and low voltage windings to the consumer network [Ivanov I.I., Ravdonik B.C. Electrical engineering. - M .: Higher. shk., 1984. - 375 p., page 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.This method is inapplicable if the short-circuit voltages of the transformers differ by more than 10% [see, for example, Katsman M.M. Electric cars. - M .: Higher. shk., 1990. - 463 p., page 69], therefore transformers connected in parallel should not differ greatly in power.

Изобретение решает задачу повышения суммарной мощности параллельно работающих трансформаторов с разными напряжениями короткого замыкания.The invention solves the problem of increasing the total power of transformers operating in parallel with different short-circuit voltages.

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.The technical result of using the invention is the ability to load transformers with different short-circuit voltages up to their rated power, which makes it possible to increase the installed power of a system of two transformers.

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:This is achieved by the fact that in the method of parallel connection of two transformers with the same transformation ratios, which consists in connecting the high voltage windings to the supply network, and the low voltage windings to the consumer network, according to the invention, on a transformer with a lower short-circuit voltage by switching the taps of the high voltage set the value of the transformation ratio, calculated according to the expression:

где k₁ ^p - расчетный коэффициент трансформации трансформатора с меньшим напряжением короткого замыкания;where k ₁ ^p is the calculated transformation ratio of the transformer with a lower short-circuit voltage;

k₂ - коэффициент трансформации другого трансформатора;k ₂ - transformation ratio of another transformer;

U_к.1%, U_к.2% - паспортные значения напряжения короткого замыкания трансформаторов.U _к.1 %, U _к.2 % - passport values of short-circuit voltage of transformers.

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.The inventive method of parallel connection of two transformers differs, thus, by setting a certain ratio of the transformation ratios of transformers depending on the passport values of their short-circuit voltages by switching the taps of the high-voltage winding of the transformer with a lower short-circuit voltage.

Формула, связывающая соотношение коэффициентов трансформации параллельно включенных трансформаторов с величиной их напряжений короткого замыкания, выведена авторами впервые.The formula linking the ratio of the transformation ratios of parallel connected transformers with the magnitude of their short-circuit voltages was derived by the authors for the first time.

На фиг. 1 представлены внешние характеристики трансформаторов, подключенных параллельно к активной нагрузке (1, 2 - характеристики трансформаторов с k₁=k₂ (как у прототипа); 1^I - характеристика трансформатора с рассчитанным повышенным k₁ ^p, на фиг. 2 - упрощенная схема замещения трансформаторов, параметры которой приведены к стороне низкого напряжения.FIG. 1 shows the external characteristics of transformers connected in parallel to an active load (1, 2 - characteristics of transformers with k ₁ = k ₂ (as in the prototype); 1 ^I - characteristic of a transformer with a calculated increased k ₁ ^p , in Fig. 2 - a simplified equivalent circuit transformers, the parameters of which are given to the low voltage side.

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_к.1 и U_к.2, 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_к.1%<U_к.2%, т.к. у мощного трансформатора величина U_к.2 откладывается при номинальном токе I_2.2, который превышает номинальный ток I_2.1 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 1,6²=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.To create a mode of operation of transformers close to optimal, at which their efficiency is maximum, as well as for the gradual development of substations, it is advisable to include transformers of different capacities for parallel operation. Typically, such transformers have different values of the voltages U and U _{k.1 k.2} short circuit, the slope of their external characteristics will be different, and the characteristic 2 more powerful transformer 2 will have less inclination (FIG. 1) than the characteristic 1, despite the fact that U _c.1 % <U _c.2 %, since for a powerful transformer, the value of U _{k.2 is} deposited at a rated current I _2.2 , which exceeds the rated current I _{2.1 of} transformer 1. This is due to the fact that the standard power ratio (respectively, currents) of transformers connected to parallel operation (with the exception of special-purpose transformers) is 1.6 or 1.6 ² = 2.56, and the short-circuit voltage difference must not exceed ± 10%. As the power factor of the load decreases, the slope increases, but the relationship between currents and voltage drops is maintained.

Вторичные обмотки трансформаторов подключены к общим шинами, напряжение на шинах одинаково и равно U_2ш. При номинальной нагрузке во вторичной обмотке более мощного трансформатора 2 течет номинальный ток I_2.2, а менее мощный трансформатор 1 будет перегружен (ток I_2.1п превышает номинальный ток I_2.1).The secondary windings of the transformers are connected to common buses, the voltage on the buses is the same and equal to U _2sh . At a rated load, a rated current I _2.2 flows in the secondary winding of a more powerful transformer 2, and a less powerful transformer 1 will be overloaded (the current I _2.1p exceeds the rated current I _2.1 ).

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.In [Rules for the technical operation of electrical installations of consumers. - M: Publishing house NTs ENAS, 2007, section 2.1.19, page 49] it is noted that “to balance the load between transformers operating in parallel with different short-circuit voltages, it is allowed to change the transformation ratio within small limits by switching the taps, provided that neither one of the transformers will not be overloaded. " In the operation manual [Filatov A.A. Maintenance of electrical substations by operational personnel. - M .: Energoatomizdat, 1990, page 23] it is also indicated that in case of inequality of short-circuit voltages of parallel-connected transformers "some redistribution (equalization) of the load can be obtained by changing the transformation ratio". However, there is no specific calculation of this change in the known literature.

Для загрузки обоих трансформаторов до их номинальных мощностей следует «опустить» внешнюю характеристику трансформатора 1 параллельно самой себе на величину, при которой токи I_2.1 и I_2.2 становятся пропорциональны номинальным мощностям трансформаторов 1 и 2, а напряжение холостого хода трансформатора 1 U₂₀ снижается до величины U₂₀' (характеристика 1', фиг. 1). Это достигается увеличением коэффициента трансформации k₁ до значения k₁ ^p трансформатора 1.To load both transformers to their rated powers, the external characteristic of transformer 1 should be "lowered" parallel to itself by an amount at which the currents I _2.1 and I _2.2 become proportional to the rated powers of transformers 1 and 2, and the open circuit voltage of transformer 1 U ₂₀ is reduced to a value U ₂₀ '(characteristic 1', Fig. 1). This is achieved by increasing the transformation ratio k ₁ to the value k ₁ ^{p of the} transformer 1.

Исходя из того, что разница напряжений холостого хода трансформаторов

и

должна быть равна разнице напряжений короткого замыкания в вольтах (см. фиг. 1), получимBased on the fact that the difference in open circuit voltage of transformers

and

should be equal to the difference in short-circuit voltages in volts (see Fig. 1), we get

С учетом того, что напряжение на первичной стороне трансформаторов одинаково, получим выражение, описывающее соотношение коэффициентов трансформацииTaking into account that the voltage on the primary side of the transformers is the same, we obtain an expression describing the ratio of the transformation ratios

здесь U_к.1%, U_к.2% - паспортные значения напряжений короткого замыкания трансформаторов, %.here U _{k. 1} %, U _{k. 2} % - passport values of short-circuit voltages of transformers,%.

Формула (2), связывающая соотношение коэффициентов трансформации параллельно включенных трансформаторов с величиной их напряжений короткого замыкания, выведена авторами впервые.Formula (2), linking the ratio of the transformation ratios of parallel connected transformers with the magnitude of their short-circuit voltages, was derived by the authors for the first time.

Увеличение коэффициента k₁ можно характеризовать введением на упрощенной схеме замещения уравнительной ЭДС E_ур (фиг. 2), величина которой при номинальной загрузке трансформаторов определяется выражениемAn increase in the coefficient k ₁ can be characterized by the introduction on a simplified equivalent circuit of an equalizing EMF E _ur (Fig. 2), the value of which at the rated load of transformers is determined by the expression

В результате в обмотках трансформаторов протекает уравнительный ток, который геометрически вычитается из тока I_2.1, т.е. несколько разгружает трансформатор 1, и складывается с током I_2.2, дополнительно загружая трансформатор 2. Величина уравнительного токаAs a result, an equalizing current flows in the transformer windings, which is geometrically subtracted from the current I _2.1 , i.e. somewhat relieves transformer 1, and adds up with the current I _2.2 , additionally loading transformer 2. The value of the equalizing current

где z_к.1, z_к.2 - сопротивления короткого замыкания трансформаторов 1 и 2.where z _k.1 , z _k.2 - short circuit resistance of transformers 1 and 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.An example of the implementation of the method is considered on transformers that differ in power four times, which is not allowed under the conditions of their parallel operation without using the proposed method.

Трансформатор 1 ТМ-400/10 с напряжением короткого замыкания U_к1=4,5% включен параллельно с трансформатором 2 ТМ-1600/10, имеющим U_к2=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 U₂=0,4 кВ. Коэффициент трансформации трансформаторов k₁=k₂=25.Transformer 1 TM-400/10 with short-circuit voltage U _{k1 =} 4.5% is connected in parallel with transformer 2 TM-1600/10, having U _k2 = 6.5% [see, for example, the catalog of the Birobidzhan power transformer plant URL: http://birzst.ru / TM distribution transformers up to 10 kV]. The rest of the parameters of the transformers satisfy the conditions for parallel operation. Voltage on the busbars of transformers U ₂ = 0.4 kV. Transformer transformation ratio k ₁ = k ₂ = 25.

Напряжения короткого замыкания на вторичной стороне в вольтахShort circuit voltages on the secondary side in volts

где U₂₀ - напряжение холостого хода, 0,4 кВ.where U ₂₀ - open circuit voltage, 0.4 kV.

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]The total allowable power of transformers depends on the lowest short-circuit voltage and is determined by the formula [Krasnik V.V. Operation of electrical substations and switchgears. - M .: ENAS, 2011 - 320 p., Page 40]

где S_н.1, S_н.2 - номинальные мощности трансформаторов.where S _n.1 , S _n.2 - rated power of transformers.

Таким образом, недогрузка системы 2000-1508=492 кВА, что составляет 25% мощности всей системы.Thus, the underload of the system is 2000-1508 = 492 kVA, which is 25% of the capacity of the entire system.

Номинальные токи во вторичных обмотках трансформаторов [ГОСТ 30830-2002, раздел 3.4.7]Rated currents in the secondary windings of transformers [GOST 30830-2002, section 3.4.7]

Сопротивления короткого замыкания трансформаторовShort-circuit resistance of transformers

Отношение тока перегрузки трансформатора 1 I_2.1п (фиг. 1) к его номинальному току I_2.1н The ratio of the overload current of the transformer 1 I _2.1p (Fig. 1) to its rated current I _2.1n

таким образом, трансформатор 1 перегружен на 44%.thus, transformer 1 is 44% overloaded.

Значение коэффициента трансформации трансформатора 1 k₁ ^p, необходимое для «опускания» его внешней характеристики, определяем из выражения (2)The value of the transformation ratio of the transformer 1 k ₁ ^p , required to "lower" its external characteristics, is determined from the expression (2)

Таким образом, следует установить коэффициент трансформации k₁ ^p=25,51, повысив его на 2,04% относительно k₁. 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.Thus, it is necessary to set the transformation ratio k ₁ ^p = 25.51, increasing it by 2.04% relative to k ₁ . When regulating the on-load tap-changer, it is possible to change the transformation ratio by 2% to a value of 25.50, at which transformer 1 will be overloaded not by 44%, but by 0.9%, and its current will be 577⋅1.009 = 582 A.

После переключения на данную отпайку напряжение холостого хода вторичной обмотки трансформатора 1 снижается до значения

При номинальной загрузке трансформатора 1 его вторичное напряжениеAfter switching to this tap, the open circuit voltage of the secondary winding of transformer 1 decreases to the value

At the rated load of the transformer 1, its secondary voltage

U₂₀ ^I-U_к.1=392,16-18=374,16 В.U ₂₀ ^I -U k. ₁ = 392.16-18 = 374.16 V.

Вторичное напряжение трансформатора 2 при его номинальной загрузкеSecondary voltage of transformer 2 at its rated load

U₂₀-U_к.2=400-26=374 В.U ₂₀ -U _{building 2} = 400-26 = 374 V.

Уравнительная ЭДС, возникающая из-за неточной установки значения k₁ ^p в результате дискретности напряжения отпаекEqualizing EMF arising from inaccurate setting of the value of k ₁ ^p as a result of discreteness of the taps voltage

E_ур=374,16-374=0,16 В.E _ur = 374.16-374 = 0.16 V.

Величина уравнительного токаEqualizing current value

Суммарный ток трансформаторов I₂=I_2.1+I_2.2=577+2309=2886 А.Total transformer current I ₂ = I _2.1 + I _2.2 = 577 + 2309 = 2886 A.

Относительно этого тока уравнительный ток составляет соответственно 0,13%, причем он разгружает менее мощный трансформатор 1 и подгружает более мощный трансформатор 2.In relation to this current, the equalizing current is respectively 0.13%, and it unloads the less powerful transformer 1 and loads the more powerful transformer 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.From an economic point of view, it is much more profitable to increase the total capacity of the transformer system due to the artificially created small equalizing current between them, than to allow overloading of a less powerful transformer or underloading the transformer system.

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.According to the proposed method, it is possible to fully load two transformers with different short-circuit voltages up to the rated power, and it is also possible to switch on parallel operation of transformers significantly different in power, which makes it possible to more accurately select the optimal operating mode for them with the lowest losses.

Claims (5)

Способ параллельного включения двух трансформаторов с одинаковыми коэффициентами трансформации, заключающийся в подключении обмоток высокого напряжения к питающей сети, а обмоток низкого напряжения - к сети потребителей, отличающийся тем, что на трансформаторе с меньшим напряжением короткого замыкания путем переключения ответвлений обмотки высокого напряжения устанавливают значение коэффициента трансформации, рассчитанное согласно выражению:A method of parallel connection of two transformers with the same transformation ratios, which consists in connecting high voltage windings to the supply network, and low voltage windings to the consumer network, characterized in that the value of the transformation ratio is set on a transformer with a lower short-circuit voltage by switching the taps of the high voltage winding calculated according to the expression:

где k₁ ^p - расчетный коэффициент трансформации трансформатора с меньшим напряжением короткого замыкания;where k ₁ ^p is the calculated transformation ratio of the transformer with a lower short-circuit voltage; k₂ - коэффициент трансформации другого трансформатора;k ₂ - transformation ratio of another transformer; U_к.1%, U_к.2% - паспортные значения напряжения короткого замыкания трансформаторов.U _к.1 %, U _к.2 % - passport values of short-circuit voltage of transformers.

Images