1
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
ZAKŁAD MASZYN I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH
BADANIE PRACY RÓWNOLEGŁEJ TRANSFORMATORÓW
TRÓJFAZOWYCH
1.
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie wymogów i warunków współpracy równoległej
transformatorów oraz praktyczna realizacja badań transformatorów niezbędnych przy
włączeniu transformatorów do pracy równoległej. Ćwiczenie ma równieŜ za zadanie zwrócić
uwagę na ekonomiczność pracy równoległej.
2.
Wymogi i warunki oraz opłacalność współpracy równoległej transformatorów
O pracy równoległej transformatorów mówimy wówczas, gdy ich uzwojenia
pierwotne zasilane są z tych samych szyn zbiorczych i uzwojenia wtórne równieŜ pracują na
wspólne obciąŜenie.
Rys. 1
Układ dwóch transformatorów
,
pracujących równolegle
Praca równoległa jest uzasadniona tym, Ŝe moc znamionowa pojedynczego
transformatora jest mniejsza niŜ moc stacji transformatorowej, a tym samym mniejsza jest
moc i koszt transformatora rezerwowego, poza tym przy pracy równoległej moŜliwa jest
bardziej elastyczna eksploatacja stacji, gdyŜ moŜna poszczególne transformatory odłączać lub
włączać w zaleŜności od obciąŜenia. Unika się przez to pracy duŜych jednostek przy małym
obciąŜeniu, co jest nieekonomiczne (stałe straty w rdzeniu) i pogarsza współczynnik mocy ze
względu na pobór prądu magnesującego
Praca równoległa transformatorów jest prawidłowa gdy:
a)
przy odłączonym obciąŜeniu w uzwojeniach wtórnych nie płyną Ŝadne prądy
wyrównawcze, a w uzwojeniach pierwotnych płynie tylko prąd jałowy;
b)
obciąŜenie kaŜdego z transformatorów jest proporcjonalne do jego mocy znamionowej;
c)
prądy obciąŜenia poszczególnych transformatorów są ze sobą w fazie.
2
Aby powyŜsze wymogi były spełnione praktycznie wystarczą następujące warunki:
•
równość przekładni transformatorów przy jednakowych napięciach znamionowych;
•
jednakowe grupy połączeń;
•
przyłączenie jednoimiennych zacisków wszystkich współpracujących transformatorów do
tych samych szyn zbiorczych;
•
równość napięć zwarcia transformatorów;
•
równość współczynników mocy przy zwarciu poszczególnych transformatorów;
•
stosunek mocy znamionowych przeznaczonych do współpracy transformatorów nie
większy niŜ 1:3.
W praktyce uzyskanie identycznych parametrów współpracujących transformatorów
jest bardzo trudne i dlatego normy określają pewien zakres tolerancji odchyłek między nimi,
i tak:
•
odchyłka przekładni nie moŜe przekraczać ± 0,5 %;
•
odchyłka wartości napięć zwarcia nie powinna przekraczać ± 10 % ich średniej wartości.
Przy zachowaniu tych warunków prądy wyrównawcze nie powinny przekroczyć
2 ÷ 5% prądu znamionowego.
Trzy pierwsze warunki zapewniają spełnienie wymagania a), dla spełnienia
wymagania b) napięcia zwarcia powinny być równe.
Dla ułatwienia doboru transformatorów ze względu na równomierność obciąŜenia,
napięcia zwarcia są znormalizowane, np. transformatory energetyczne mają napięcie zwarcia
najczęściej 4,5%; transformatory o napięciu powyŜej 30 k V mają zwykle napięcie zwarcia
6%, gdyŜ ze względu na duŜe odstępy między poszczególnymi elementami uzwojeń, a takŜe
między uzwojeniami i rdzeniem, reaktancje rozproszenia uzwojeń są tak duŜe, Ŝe nie moŜna
utrzymać warunku, by napięcie zwarcia wynosiło 4,5%. Według przepisów transformatory
nie mogą być dopuszczone do pracy równoległej, jeŜeli ich napięcia zwarcia róŜnią się od
wartości podanych na tabliczkach znamionowych więcej niŜ o 10%.
JeŜeli pracujące równolegle transformatory znacznie się między sobą róŜnią mocą
znamionową, to nawet przy równych wartościach napięć zwarcia trójkąty zwarcia nie są
jednakowe, bo stosunek reaktancji do rezystancji zwarcia jest w transformatorach duŜych
większy niŜ w małych. Przy obciąŜeniu znamionowym obu transformatorów prąd obciąŜenia
jest sumą geometryczną prądów obu transformatorów, przy czym prądy te nie są ze sobą w
fazie (rys. 2.), a zatem ich suma geometryczna jest mniejsza od sumy algebraicznej. Tym
samym moc pozorna oddawana jest mniejsza od sumy mocy znamionowych obu
transformatorów. Współczynnikiem dobroci pracy równoległej jest stosunek mocy, jaką mogą
przenieść te transformatory przy pracy równoległej, gdy przynajmniej jeden z nich osiągnął
znamionowa moc pozorną, do sumy ich mocy znamionowych S, lub stosunek prądu
obciąŜenia w stanie, gdy przynajmniej jeden transformator osiągnął prąd znamionowy (a prąd
drugiego transformatora jest mniejszy lub równy wartości znamionowej), do sumy prądów
znamionowych I
3
Rys. 2. Wykres wskazowy ilustrujący pracę równoległą transformatorów -— duŜego (A) i małego (B)
Gospodarność pracy równoległej transformatorów opiera się na zasadzie
najmniejszych strat transformacji. Oznacza to, Ŝe liczba transformatorów włączonych do
pracy równoległej powinna być taka, aby straty występujące w pracujących transformatorach
były najmniejsze.
Straty występujące w jednym transformatorze przy obciąŜeniu prądem znamionowym
wynoszą
u
2
0
1
P
P
P
∆
β
∆
∆
+
=
∑
Przy pracy równoległej dwóch jednakowych transformatorów i obciąŜeniu takim
samym prądem:
u
2
0
2
P
2
2
P
2
P
∆
β
∆
∆
+
=
∑
Przy pracy równoległej n jednakowych transformatorów i nie zmienionym obciąŜeniu
u
n
0
n
P
n
n
P
n
P
∆
β
∆
∆
+
=
∑
Przejście od pracy pojedynczego transformatora do pracy równoległej dwóch
jednostek powinno się odbywać przy obciąŜeniu β
2
, przy którym straty w pojedynczym
transformatorze będą równe stratom dwóch transformatorów, pracujących równolegle
u
2
2
0
u
2
2
0
P
2
2
P
2
P
P
∆
β
∆
∆
β
∆
+
=
+
Z równania tego moŜna wyznaczyć szukane obciąŜenie
u
0
2
P
P
2
∆
∆
β
=
4
3.
Program ćwiczenia
3.1. Oględziny transformatorów przeznaczonych do współpracy.
3.2. Sprawdzenie grup połączeń transformatorów.
3.3. Pomiar przekładni transformatorów.
3.4. Pomiar strat jałowych transformatorów.
3.5. Pomiar strat obciąŜeniowych, napięć zwarcia i współczynników mocy przy zwarciu
transformatorów.
3.6. Określenie mocy granicznej przełączenia transformatorów do pracy równoległej.
3.7. Pomiar prądów wyrównawczych.
3.8. Pomiar rozpływu prądów podczas pracy równoległej.
4.
Badania i próby
4.1. Oględziny transformatorów przeznaczonych do współpracy.
Spisać dane znamionowe przeznaczonych do współpracy transformatorów i dokonać
typowych ich oględzin.
4.2. Sprawdzanie grupy połączeń.
W zaleŜności od sposobu połączenia uzwojeń transformatora (gwiazda, trójkąt lub
zygzak) po stronie górnej i dolnej, transformatory mogą mieć róŜne układy połączeń.
Połączenie w gwiazdę po stronie górnej jest oznaczone przez Y, po dolnej przez y, połączenie
w trójkąt odpowiednio przez D lub d, połączenie w zygzak Z lub z.
W symbolu danej grupy znajduje się układ połączeń oraz liczba, wyraŜająca w
godzinach kąt, o jaki zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara naleŜy obrócić wektor
górnego napięcia fazowego, aby pokrył się on z wektorem dolnego napięcia fazowego. Jedna
godzina odpowiada 30°.
Grupy połączeń transformatorów dwuuzwojeniowych są podane w poniŜszej tabeli.
5
Do wyznaczenia grupy połączeń interesujących nas transformatorów zastosować
metodę prądu stałego. Zwykle metodę prądu stałego do wyznaczania grupy połączeń
transformatora stosujemy wówczas, gdy z jakichkolwiek powodów nie moŜna zastosować
metody fazomierza lub woltomierza. Kolejno do kaŜdej pary zacisków uzwojenia górnego
(zaciski AB,
AC, BC)
załącza się źródło napięcia stałego o napięciu kilku woltów i o znanej
biegunowości. W chwili zamknięcia wyłącznika w obwodzie źródła napięcia zaczyna płynąć
prąd przez odpowiednie uzwojenia transformatora. Prąd ten wznieca strumień magnetyczny,
indukujący napięcia w odpowiednich uzwojeniach górnych i dolnych transformatora.
Wartości i kierunki prądów, płynących w poszczególnych fazach uzwojenia górnego po
włączeniu źródła napięcia stałego, a więc takŜe wartości i kierunki strumieni w
poszczególnych kolumnach transformatora, są zaleŜne od sposobu połączenia uzwojenia
górnego oraz od wyboru zacisków, do których dołącza się źródła. Kierunki napięć
indukowanych w poszczególnych fazach uzwojenia dolnego w chwili zamykania obwodu
prądu stałego po stronie górnej zaleŜą więc takŜe od sposobu połączenia uzwojenia górnego
oraz od wyboru odpowiednich zacisków górnych, do których dołącza się źródło. Kierunek
napięć indukowanych międzyprzewodowych w uzwojeniu dolnym zaleŜy ponadto od
sposobu połączeń uzwojenia dolnego. Ostatecznie moŜna stwierdzić, Ŝe kierunek napięć
międzyprzewodowych indukowanych w uzwojeniu dolnym w chwili zamknięcia wyłącznika
doprowadzającego napięcie stałe do odpowiednich zacisków uzwojenia górnego zaleŜy od
godzinowego kąta przesunięcia fazowego (czyli od grupy połączeń transformatora) oraz od
wyboru zacisków uzwojenia górnego, do których załączy się źródło napięcia stałego.
Sprawdzenie grupy połączeń wykonuje się w sposób następujący. Źródło napięcia stałego
przyłącza się kolejno do następujących zacisków: biegun (+) do zacisku A, biegun (—) do
zacisku B, i dalej zgodnie z tabelą. Dla kaŜdego przypadku załączenia źródła wyznacza się
kierunek wychylenia spolaryzowanego woltomierza dołączanego do strony wtórnej zgodnie z
biegunowością podaną w tabeli
Tabela do wyznaczania grup połączeń transformatorów metodą prądu stałego
Sposób
załączania
Źródła
napięcia
stałego
A
+
B
-
A
+
B
-
A
+
B
-
A
+
C
-
A
+
C
-
A
+
C
-
B
+
C
-
B
+
C
-
B
+
C
-
Przesunięcie
godzinowe
woltomierza
a
+
b
-
a
+
c
-
b
+
c
-
a
+
b
-
a
+
c
-
b
+
c
-
a
+
b
-
a
+
c
-
b
+
c
-
0
+
+
—
+
+
+
—
+
+
1
+
0
—
+
+
0
0
+
+
5
—
—
0
0
—
—
+
0
—
6
—
—
+
—
—
—-
+
—
—-
11
+
+
0
0
+
+
—
0
+
4.3. Pomiar przekładni transformatorów
Pomiaru przekładni dokonujemy przez pomiar napięcia górnego i dolnego
transformatorów. Transformator znajduje się w stanie jałowym. Najczęściej zasila się go
6
obniŜonym napięciem od strony górnej. Przy badaniu transformatorów trójfazowych napięcie
zasilające powinno być moŜliwie symetryczne. Napięcie naleŜy mierzyć na wszystkich fazach
uzwojenia górnego i dolnego. W celu zmniejszenia błędu przy pomiarze napięcia naleŜy w
miarę moŜliwości unikać stosowania przekładników napięciowych. W koniecznym
przypadku naleŜy stosować woltomierze o zakresie pomiarowym rozszerzonym za pomocą
oporników szeregowych. Odczytywanie woltomierzy powinno być jednoczesne. Aby błąd
pomiaru nie przekroczył 0,5%, naleŜy uŜywać woltomierzy klasy 0,2. Ponadto zakres
woltomierzy powinien być tak dobrany, aby wskazówki ich wychylały się moŜliwie blisko
końca skali.
4.4. Pomiar strat jałowych transformatorów
W celu pomiaru strat jałowych wykonujemy uproszczoną próbę stanu jałowego
podczas której dokonujemy odczytu tylko przy zasilaniu transformatora napięciem
znamionowym.
W czasie próby stanu jałowego uzwojenie wtórne transformatora jest otwarte, a
napięcie jest doprowadzone do jego uzwojenia pierwotnego. Rozstrzygnięcie zagadnienia,
które z uzwojeń (górne czy dolne) transformatora naleŜy obrać za uzwojenie pierwotne,
zaleŜy od warunków istniejących w laboratorium pomiarowym. Na ogół w czasie takiej próby
wygodnie jest zasilać transformator od strony dolnej, gdyŜ wtedy napięcia nie są zbyt
wysokie a prądy zbyt małe, co ułatwia pomiar Częstotliwość napięcia zasilającego powinna
być moŜliwie równa częstotliwości znamionowej (najczęściej 50 Hz). Trójfazowe napięcie
zasilające powinno być symetryczne. Kształt krzywej napięcia zasilającego powinien być
sinusoidalny.
Rys. 3. Schemat połączeń do próby stanu jałowego transformatora
W czasie próby mierzy się napięcie zasilające, prąd i moc pobraną przez
transformator, trzy napięcia międzyprzewodowe i oblicza się średnią wartość napięcia.
Podobnie mierzy się trzy prądy przewodowe i oblicza się wartość średnią prądu. Moc mierzy
się najczęściej dwoma watomierzami w układzie Arona. Równocześnie mierzy się
częstotliwość napięcia zasilającego. Schemat połączeń do próby stanu jałowego
transformatora trójfazowego jest podany na rys. 3. W miarę potrzeby zmienia się schemat
przez zastosowanie przekładników prądowych i napięciowych.
PoniewaŜ współczynnik mocy przy próbie stanu jałowego, zwłaszcza w zakresie
napięć zbliŜonych do napięcia znamionowego, jest mały, to wychylenia jednego z watomierza
w układzie Arona są ujemne. NaleŜy wtedy zmienić kierunek wychylenia tego watomierza na
dodatni przez przełączenie jego cewki napięciowej i moc pobraną przez transformator
wyznaczyć jako róŜnicę wskazań watomierzy
JeŜeli transformator jest włączony na napięcie o wartości zbliŜonej do wartości
znamionowej, to prąd włączania moŜe uzyskać wartość równą kilkakrotnej wartości prądu
znamionowego. Tak duŜy prąd moŜe uszkodzić cewki prądowe watomierzy i cewki
7
amperomierzy, dobrane do ustalonego prądu jałowego. Dlatego cewki te powinny być w
takim przypadku zwierane na czas włączania napięcia. JeŜeli moc znamionowa
transformatora badanego jest bardzo duŜa, to jego moc jałowa moŜe być w przybliŜeniu
równa mocy urządzeń zasilających. Wtedy duŜa wartość prądu wtaczania transformatora
moŜe spowodować zadziałanie układu zabezpieczeń urządzeń zasilających i włączenie
napięcia. Dlatego włączanie transformatora powinno się odbywać przy znacznie obniŜonym
napięciu.
Straty jałowe ∆P
0
są mniejsze od mocy pobieranej z sieci, w stanie jałowym, o straty
obciąŜeniowe:
1
2
10
10
0
R
I
3
P
P
−
=
∆
gdzie: P
10
— moc pobierana z sieci w stanie jałowym;
I
10
— prąd płynący z sieci w stanie jałowym;
R
1
— rezystancja uzwojenia zasilanego z sieci w stanie jałowym.
4.5. Pomiar strat obciąŜeniowych, napięć zwarcia i współczynników mocy przy zwarciu
transformatorów.
Celem próby zwarcia ustalonego jest, w tym przypadku, wyznaczenie napięcia
zwarciowego, strat zwarciowych i współczynnika mocy przy zwarciu. Ponadto w czasie
próby zwarcia kontroluje się stan złącz stykowych, lutowanych i spawanych.
Rys. 4. Schemat połączeń do próby zwarcia transformatora
Schemat połączeń układu do próby zwarcia jest przedstawiony na rys. 4.
Transformator badany zasila się najczęściej od strony górnej, aby prądy po stronie zasilania
nie osiągnęły nadmiernej wartości. Prądy te przy próbie zwarcia powinny być doprowadzone
co najmniej do wartości znamionowej. Wartość prądu zwarcia reguluje się przez zmianę
autotransformatorem napięcia zasilającego, podawanego następnie na dodatkowy
transformator obniŜający napięcie. Uzwojenie wtórne, którym jest najczęściej uzwojenie
dolne, zwarte jest bezpośrednio na zaciskach odpowiednio grubym przewodem. Wszystkie
przyrządy pomiarowe są umieszczone po stronie pierwotnej. Mierzy się trzy prądy
przewodowe, trzy napięcia międzyprzewodowe i oblicza średnie arytmetyczne tych prądów i
napięć. Moc mierzy się najczęściej za pomocą dwóch watomierzy w układzie Arona.
Współczynnik mocy przy zwarciu wynosi: dla małych transformatorów 0,3 ÷ 0,7, dla duŜych
transformatorów 0,05 ÷ 0,2 a nawet mniej. Przy współczynniku mocy mniejszym od 0,5
wychylenia watomierzy są przeciwne. NaleŜy wtedy przełączyć cewkę napięciową
watomierza o wychyleniu ujemnym i wskazania watomierzy odjąć od siebie.
Napięcie doprowadzone do transformatora w czasie tej próby powinno być co najmniej równe
napięciu zwarciowemu, które dla małych transformatorów na niskie napięcie wynosi kilka
procent napięcia znamionowego a dla transformatorów bardzo duŜych na najwyŜsze napięcia
— kilkanaście procent. Indukcja w rdzeniu w czasie próby zwarcia jest bardzo mała, w
związku z czym moŜna całkowicie pominąć straty w rdzeniu i prąd magnesujący. Pozwala to
na pomiar prądu tylko po stronie zasilania. Oporami transformatora w stanie zwarcia są jego
8
rezystancje i reaktancje rozproszeniowe. Są to opory stałe, dlatego prąd zwarciowy jest
proporcjonalny do napięcia. Do wyznaczenia zaleŜności prądu zwarciowego od napięcia
wystarczy więc jeden pomiar.
Przy pominięciu strat w rdzeniu moŜna uwaŜać, Ŝe cała moc zwarcia P
z
jest równa
stratom obciąŜeniowym P
obc
proporcjonalnym do kwadratu prądu, a wobec liniowej
zaleŜności prądu od napięcia, proporcjonalnym do kwadratu napięcia.
Zgodnie z normą napięcia zwarcia powinny spełniać następujący warunek:
%
zśś
%
z
%
zśś
%
z
%
zII
%
zI
%
zśś
U
1
,
0
U
U
U
2
U
U
U
≤
−
=
+
=
∆
4.6. Określenie mocy granicznej przełączenia transformatorów do pracy równoległej.
Na podstawie dokonanych pomiarów strat jałowych i strat obciąŜeniowych
przeznaczonych do współpracy transformatorów naleŜy wykonać obliczenie określające
punkt załączenia transformatorów do współpracy opłacalny ze względu na wielkość strat
występujących w układzie transformatorów.
4.7. Pomiar prądów wyrównawczych
Przed dołączeniem drugiego transformatora do juŜ pracującego transformatora celowe
jest przeprowadzenie ostatecznego sprawdzenia prawidłowości połączeń. Sprawdzenie to
naleŜy przeprowadzić w następujący sposób: po zasileniu stron pierwotnych transformatorów
naleŜy zmierzyć róŜnicę napięć między jednoimiennymi, zaciskami stron wtórnych.
Wyłącznik W
3
łączący transformatory moŜna zamknąć dopiero po stwierdzeniu, Ŝe
róŜnica napięć we wszystkich jest praktycznie równa zeru.
Schemat układu połączeń przedstawia rys. 5.
A
A
R
w
W
2
V
A
A
3
W
A
4
W
V
V
A
A
TrII
TrI
V
W
1
Rys. 5.
Pomiar prądów wyrównawczych przeprowadzić przy otwartym wyłączniku W
4
.
Prąd wyrównawczy zaleŜy od róŜnicy sił elektromotorycznych pracujących
równolegle transformatorów; prąd wyrównawczy jest, jednakowy w uzwojeniach wtórnych
kaŜdego z nich.
9
Dla oceny wpływu prądu wyrównawczego na obciąŜalność transformatorów
wyznacza się stosunek prądu wyrównawczego do prądu znamionowego transformatora.
4.8. Pomiar rozpływu prądów podczas pracy równoległej.
Pomiar naleŜy wykonać w układzie połączeń jaki na rys. 5 przy zamkniętym
wyłączniku W
4
. Transformatory są obciąŜone opornikiem wodnym. Na podstawie pomiarów
wykreślić charakterystyki I
Iśr
= f(I
obc
) i I
IIśr
= f(I
obc
).
Teoretyczny przebieg charakterystyk I
Iśr
= f(I
obc
) i I
IIśr
= f(I
obc
) dla transformatorów
idealnie spełniających warunki pracy równoległej przedstawia rys.6.
2In
I
2IIn
I
2IIn
2In
obc
2I
2II
I
I
2II
I
+
I
I
I
I
2I
Rys. 6