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 również 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 również pracują na
wspólne obciążenie.

Rys. 1

Układ dwóch transformatorów

,

pracujących równolegle

Praca równoległa jest uzasadniona tym, że moc znamionowa pojedynczego

transformatora jest mniejsza niż moc stacji transformatorowej, a tym samym mniejsza jest
moc i koszt transformatora rezerwowego, poza tym przy pracy równoległej możliwa jest
bardziej elastyczna eksploatacja stacji, gdyż można poszczególne transformatory odłączać lub
włączać w zależności od obciążenia. Unika się przez to pracy dużych jednostek przy małym
obciążeniu, 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 obciążeniu w uzwojeniach wtórnych nie płyną żadne prądy
wyrównawcze, a w uzwojeniach pierwotnych płynie tylko prąd jałowy;

b)

obciążenie każdego z transformatorów jest proporcjonalne do jego mocy znamionowej;

c)

prądy obciążenia poszczególnych transformatorów są ze sobą w fazie.

2

Aby powyższe 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 niż 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 może 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 obciążenia,

napięcia zwarcia są znormalizowane, np. transformatory energetyczne mają napięcie zwarcia
najczęściej 4,5%; transformatory o napięciu powyżej 30 k V mają zwykle napięcie zwarcia
6%, gdyż ze względu na duże odstępy między poszczególnymi elementami uzwojeń, a także
między uzwojeniami i rdzeniem, reaktancje rozproszenia uzwojeń są tak duże, że nie można
utrzymać warunku, by napięcie zwarcia wynosiło 4,5%. Według przepisów transformatory
nie mogą być dopuszczone do pracy równoległej, jeżeli ich napięcia zwarcia różnią się od
wartości podanych na tabliczkach znamionowych więcej niż o 10%.

Jeżeli pracujące równolegle transformatory znacznie się między sobą różnią mocą

znamionową, to nawet przy równych wartościach napięć zwarcia trójkąty zwarcia nie są
jednakowe, bo stosunek reaktancji do rezystancji zwarcia jest w transformatorach dużych
większy niż w małych. Przy obciążeniu znamionowym obu transformatorów prąd obciążenia
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
obciążenia 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 -— dużego (A) i małego (B)

Gospodarność pracy równoległej transformatorów opiera się na zasadzie

najmniejszych strat transformacji. Oznacza to, że liczba transformatorów włączonych do
pracy równoległej powinna być taka, aby straty występujące w pracujących transformatorach
były najmniejsze.

Straty występujące w jednym transformatorze przy obciążeniu prądem znamionowym

wynoszą

u

2

0

1

P

P

P

∆

β

∆

∆

+

=

∑

Przy pracy równoległej dwóch jednakowych transformatorów i obciążeniu takim

samym prądem:

u

2

0

2

P

2

2

P

2

P

∆

β

∆

∆













+

=

∑

Przy pracy równoległej n jednakowych transformatorów i nie zmienionym obciążeniu

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 obciążeniu 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 można wyznaczyć szukane obciążenie

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 obciążeniowych, 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 zależności od sposobu połączenia uzwojeń transformatora (gwiazda, trójkąt lub

zygzak) po stronie górnej i dolnej, transformatory mogą mieć różne 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, wyrażająca w

godzinach kąt, o jaki zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara należy 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 poniższej 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 można zastosować
metody fazomierza lub woltomierza. Kolejno do każdej 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 także wartości i kierunki strumieni w
poszczególnych kolumnach transformatora, są zależne 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 zależą więc także od sposobu połączenia uzwojenia górnego
oraz od wyboru odpowiednich zacisków górnych, do których dołącza się źródło. Kierunek
napięć indukowanych międzyprzewodowych w uzwojeniu dolnym zależy ponadto od
sposobu połączeń uzwojenia dolnego. Ostatecznie można stwierdzić, że kierunek napięć
międzyprzewodowych indukowanych w uzwojeniu dolnym w chwili zamknięcia wyłącznika
doprowadzającego napięcie stałe do odpowiednich zacisków uzwojenia górnego zależy 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 każdego 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

obniżonym napięciem od strony górnej. Przy badaniu transformatorów trójfazowych napięcie
zasilające powinno być możliwie symetryczne. Napięcie należy mierzyć na wszystkich fazach
uzwojenia górnego i dolnego. W celu zmniejszenia błędu przy pomiarze napięcia należy w
miarę możliwości unikać stosowania przekładników napięciowych. W koniecznym
przypadku należy stosować woltomierze o zakresie pomiarowym rozszerzonym za pomocą
oporników szeregowych. Odczytywanie woltomierzy powinno być jednoczesne. Aby błąd
pomiaru nie przekroczył 0,5%, należy używać woltomierzy klasy 0,2. Ponadto zakres
woltomierzy powinien być tak dobrany, aby wskazówki ich wychylały się możliwie 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 należy obrać za uzwojenie pierwotne,
zależy od warunków istniejących w laboratorium pomiarowym. Na ogół w czasie takiej próby
wygodnie jest zasilać transformator od strony dolnej, gdyż wtedy napięcia nie są zbyt
wysokie a prądy zbyt małe, co ułatwia pomiar Częstotliwość napięcia zasilającego powinna
być możliwie 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.

Ponieważ współczynnik mocy przy próbie stanu jałowego, zwłaszcza w zakresie

napięć zbliżonych do napięcia znamionowego, jest mały, to wychylenia jednego z watomierza
w układzie Arona są ujemne. Należy wtedy zmienić kierunek wychylenia tego watomierza na
dodatni przez przełączenie jego cewki napięciowej i moc pobraną przez transformator
wyznaczyć jako różnicę wskazań watomierzy

Jeżeli transformator jest włączony na napięcie o wartości zbliżonej do wartości

znamionowej, to prąd włączania może uzyskać wartość równą kilkakrotnej wartości prądu
znamionowego. Tak duży prąd może 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. Jeżeli moc znamionowa
transformatora badanego jest bardzo duża, to jego moc jałowa może być w przybliżeniu
równa mocy urządzeń zasilających. Wtedy duża wartość prądu wtaczania transformatora
może spowodować zadziałanie układu zabezpieczeń urządzeń zasilających i włączenie
napięcia. Dlatego włączanie transformatora powinno się odbywać przy znacznie obniżonym
napięciu.

Straty jałowe ∆P

0

są mniejsze od mocy pobieranej z sieci, w stanie jałowym, o straty

obciążeniowe:

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 obciążeniowych, 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 obniżający 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 dużych
transformatorów 0,05 ÷ 0,2 a nawet mniej. Przy współczynniku mocy mniejszym od 0,5
wychylenia watomierzy są przeciwne. Należy 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 dużych na najwyższe napięcia
— kilkanaście procent. Indukcja w rdzeniu w czasie próby zwarcia jest bardzo mała, w
związku z czym można 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 zależności prądu zwarciowego od napięcia
wystarczy więc jeden pomiar.

Przy pominięciu strat w rdzeniu można uważać, że cała moc zwarcia P

z

jest równa

stratom obciążeniowym P

obc

proporcjonalnym do kwadratu prądu, a wobec liniowej

zależności 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 obciążeniowych

przeznaczonych do współpracy transformatorów należy 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 już pracującego transformatora celowe

jest przeprowadzenie ostatecznego sprawdzenia prawidłowości połączeń. Sprawdzenie to
należy przeprowadzić w następujący sposób: po zasileniu stron pierwotnych transformatorów
należy zmierzyć różnicę napięć między jednoimiennymi, zaciskami stron wtórnych.

Wyłącznik W

3

łączący transformatory można zamknąć dopiero po stwierdzeniu, że

różnica 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 zależy od różnicy sił elektromotorycznych pracujących

równolegle transformatorów; prąd wyrównawczy jest, jednakowy w uzwojeniach wtórnych
każdego z nich.

9

Dla oceny wpływu prądu wyrównawczego na obciążalność transformatorów

wyznacza się stosunek prądu wyrównawczego do prądu znamionowego transformatora.

4.8. Pomiar rozpływu prądów podczas pracy równoległej.

Pomiar należy wykonać w układzie połączeń jaki na rys. 5 przy zamkniętym

wyłączniku W

4

. Transformatory są obciążone 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