ĆWICZENIE 32

WSPÓŁPRACA TRANSFORMATORÓW TRÓJFAZOWYCH

• Program ćwiczenia

• Ustalenie początków i końców uzwojeń transformatorów.

• Pomiarowe wyznaczenie grup połączeń.

• Pomiar przekładni.

• Pomiar napięć zwarcia.

• Próba obciążenia współpracujących transformatorów.

• Cel pomiarów

Współpracą transformatorów lub ich pracą równoległą nazywa się taką pracę, podczas której strony pierwotne transformatorów zasilane są ze wspólnych szyn, a strony wtórne tych transformatorów zasilają odbiory również przez wspólne szyny. Konieczność równoległego łączenia transformatorów wynika ze względów eksploatacyjnych, np. gdy moc zapotrzebowana jest większa od mocy znamionowej transformatorów. Przyczyną mogą być również duże zmiany obciążenia transformatorów w zależności od pory doby, roku itp. Zastosowanie kilku współpracujących transformatorów do zasilania takich odbiorów pozwala na wyłączanie poszczególnych jednostek, gdy pobór mocy jest mniejszy. Ogranicza się wtedy straty mocy, które w przypadku zasilania odbiorów niedociążonym pojedynczym transformatorem dużej mocy osiągnęłyby znaczną wartość.

Do pracy równoległej nie można załączać dowolnych transformatorów. Powinno się je tak dobierać, by zapewniona była jak najkorzystniejsza współpraca pod względem ekonomicznym i możliwość pełnego wykorzystania ich mocy znamionowych.

Celem ćwiczenia jest poznanie metod sprawdzania przydatności transformatorów do współpracy oraz badanie zachowania się transformatorów pracujących równolegle.

• Omówienie programu ćwiczenia

1. Warunki współpracy transformatorów

Współpracę transformatorów można uznać za prawidłową, gdy spełnione są następujące wymagania:

• w stanie bez obciążenia, w uzwojeniach strony wtórnej nie płyną prądy,

• współpracujące transformatory są równomiernie obciążone,

• odpowiednie prądy obciążenia poszczególnych transformatorów są ze sobą w fazie.

Pojawienie się prądów po stronie wtórnej nieobciążonych transformatorów, oznacza przepływ prądów wyrównawczych i powstanie zbędnych strat mocy w uzwojeniach. Przy obciążeniu takich transformatorów nie będzie można wykorzystać mocy znamionowych wszystkich współpracujących transformatorów.

Równomierne obciążenie transformatorów oznacza, że podział mocy na poszczególne transformatory jest proporcjonalny do ich mocy znamionowych. Gdy wymaganie to nie jest spełnione, wówczas przy znamionowym obciążeniu jednego transformatora pozostałe mogłyby być nie w pełni obciążone i wykorzystanie całej mocy znamionowej zespołu byłoby niemożliwe.

Współczynnik mocy współpracujących transformatorów zależy od charakteru odbiorów. Nie oznacza to jednak, że każdy z transformatorów pracuje przy tym właśnie współczynniku mocy. Współczynnik mocy każdego z transformatorów zależy także od jego właściwości wewnętrznych. Istnienie przesunięcia między prądami poszczególnych transformatorów nie jest pożądane, ponieważ łączna moc zespołu jest wówczas mniejsza niż suma mocy poszczególnych jednostek.

Omówione wymagania będą spełnione, gdy:

1. przekładnie transformatorów są równe,

2. grupy połączeń są jednakowe,

3. zaciski wszystkich transformatorów przyłączone do tych samych szyn są jednoimienne,

4. napięcia zwarcia transformatorów są równe,

5. współczynniki mocy w stanie zwarcia poszczególnych transformatorów są równe.

Spełnienie warunków „a, b, c”, eliminuje możliwość pojawienia się prądów wyrównawczych. Warunek „d” decyduje o równomiernym obciążaniu się transformatorów, a warunek „e” o równości faz prądów w odpowiednich uzwojeniach transformatorów.

Normy zezwalają na współpracę transformatorów, których przekładnie nie różnią się więcej niż ±0,5%. Gdy dokładność ta jest zachowana, prądy wyrównawcze zamykają się w przedziale 2-7% prądu znamionowego. Napięcia zwarcia mogą się różnić nie więcej niż ±10% średniej wartości napięć zwarcia. Jeżeli do pracy równoległej są przyłączone transformatory o różnych napięciach zwarcia, to współpraca ich będzie korzystniejsza wówczas, gdy transformator o większej mocy znamionowej będzie miał mniejsze napięcie zwarcia. Umożliwiłoby to wykorzystanie całkowitej mocy znamionowej większego transformatora.

Przesunięcie fazowe między prądami transformatorów jest tym większe, im większa jest różnica współczynników mocy przy zwarciu. Ponieważ wartość tych współczynników zależy od wielkości transformatora i dla transformatorów tej samej mocy jest praktycznie taka sama, więc dopuszczalne przesunięcie fazowe można uzyskać wtedy, gdy stosunek mocy znamionowych jest nie większy niż 3:1.

1. Oznaczanie początków i końców uzwojeń

Do oznaczania początków i końców przyjmuje się, że jednoimiennymi zaciskami są te, do których prąd wpływając (lub wypływając), wytwarza w rdzeniu transformatora strumienie magnetyczne o tym samym kierunku. W transformatorach wielofazowych bada się kierunek strumieni w kolumnach.

Rys. 32.1. Ustalenie uzwojeń nawiniętych na tej samej kolumnie

Przed oznaczeniem początków i końców uzwojeń należy ustalić, które uzwojenia znajdują się na tych samych kolumnach rdzenia. W tym celu łączy się układ pomiarowy przedstawiony na rys. 32.1. Zasilając jedno z uzwojeń pierwotnych, mierzy się napięcia na wszystkich uzwojeniach wtórnych. Strumień magnetyczny wytworzony przez uzwojenie zasilane sprzęga się w największym stopniu z uzwojeniem znajdującym się na tej samej kolumnie co uzwojenie zasilane. Napięcie indukujące się w tym uzwojeniu jest więc większe od napięć na pozostałych uzwojeniach wtórnych. Powtarzając pomiar dla każdego z uzwojeń pierwotnych, ustala się pary uzwojeń umieszczonych na tych samych kolumnach. Po ustaleniu par uzwojeń oznacza się początki i końce uzwojeń według układu przedstawionego na rys. 32.2. Dowolny zacisk, np. oznaczony cyfrą 1, przyjmuje się za początek uzwojenia 1-2. Zacisk 3 będzie początkiem uzwojenia 3-4, jeżeli

(32.1)

lub jego końcem, jeżeli

(32.2)

Zasilając kolejne uzwojenia na innych kolumnach, wyznacza się początki i końce wszystkich uzwojeń.

Rys. 32.2. Oznaczenie początków i końców uzwojeń

2. Wyznaczanie grupy połączeń

Grupą połączeń transformatora nazywa się przesunięcie kątowe między wektorami odpowiadających sobie napięć strony górnej i dolnej, wyrażone w godzinach, przy czym 1h odpowiada 30º. W zależności od sposobu połączenia uzwojeń (gwiazda, trójkąt lub zygzak) po stronie górnej i dolnej należą transformatory do różnych grup połączeń. Połączenie w gwiazdę po stronie górnej oznaczone jest przez Y, po dolnej przez y, połączenie w trójkąt odpowiednio przez D i d, połączenie w zygzak (tylko po dolnej stronie) przez z. Możliwa jest realizacja grup połączeń 0, 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11. W zależności od grupy połączeń transformatory wykazują różne właściwości i różną przydatność do różnych warunków eksploatacyjnych. Tylko niektóre grupy połączeń umożliwiają prawidłową pracę równoległą. W Polsce zalecane są grupy Yy0, Dy5, Yd5, Yz5, Dy11, Yd11, Yz11. Przykład połączenia uzwojeń transformatora pokazano na rys. 32.3 (grupa Yd11).

Grupę połączeń można określić na podstawie schematu połączeń, gdy znane są początki i końce uzwojeń, lub metodami pomiarowymi. Gdy dostępne są tylko zaciski główne transformatora, ustalenie grupy możliwe jest jedynie przez pomiar. Najbardziej rozpowszechnioną metodą pomiarową jest pomiar napięć w układzie przedstawionym na rys. 32.4. Obniżonym napięciem trójfazowym zasila się transformator, którego uzwojenia dolnego i górnego napięcia są połączone w jednej z faz (na rys. 32.4 - faza A). Po zmierzeniu napięć obu stron U_AB i U_ab oraz napięcia U_Bb, można graficznie lub obliczeniowo wyznaczyć grupy połączeń. Wykreślając, w przyjętej skali, najpierw odcinek długości U_AB, a następnie kreśląc z jego końców łuki o promieniach U_ab i U_Bb, wyznacza się punkt b (rys. 32.4). Trójkąt ABb wyznacza kąt α, który określa grupę połączeń. Do wyznaczenia grupy połączeń można użyć również napięć U_AC, U_ac i U_Cc. Trójkąt ABb wskazuje również w jaki sposób można obliczyć kąt α. Z twierdzenia kosinusów

(32.3)

więc
(32.4)

i dalej
(32.5)

jeżeli α wyrażona jest w radianach lub
(32.6)

jeżeli α wyrażona jest w stopniach.

Rys. 32.3. Przykład grupy połączeń

Rys. 32.4. Wyznaczanie grupy połączeń

3. Pomiar przekładni transformatorów

Pomiary przekładni transformatorów należy wykonać w sposób opisany w ćwiczeniu 31. Zmierzone wartości przekładni obu transformatorów należy porównać ze sobą, biorąc pod uwagę, że przekładnie nie mogą się różnić więcej niż ±0,5% wartości przekładni znamionowej albo ±0,1 wartości względnej napięcia zwarcia, przy czym obowiązuje wartość mniejsza.

4. Pomiary napięć zwarcia transformatorów

Napięcie zwarcia należy zmierzyć dla obu transformatorów, w sposób opisany w ćwiczeniu 31, ograniczając pomiary do jednego punktu I_z = I_n. Następnie należy obliczyć średnią wartość napięcia zwarcia i z tą wartością porównać napięcia zwarcia poszczególnych transformatorów. Należy uwzględnić to, że różnice nie mogą przekraczać 10%.

5. Próba obciążenia współpracujących transformatorów

Wyznaczenie grup połączeń, przekładni i napięć zwarcia pozwala zdecydować, czy transformatory nadają się do współpracy. Jeżeli warunki pracy równoległej są spełnione, łączy się transformatory według schematu przedstawionego na rys. 32.5. Warunek połączenia jednoimiennych zacisków obu transformatorów do tych samych szyn zbiorczych sprawdza się przez pomiar napięć woltomierzami V₁ i V₂. Po załączeniu wyłączników W₁, W₂ i W₃ należy zmierzyć napięcia na wyłączniku W₄. Jeżeli woltomierze V₁ i V₂ nie wychylają się, można załączyć wyłącznik W₄. Wystąpienie napięcia na wyłączniku W₄ oznacza, że połączenie jest błędne i wówczas po wyłączeniu transformatorów należy zamienić dwa dowolne przewody na wyłączniku W₄ i ponownie wykonać pomiar. Po załączeniu wyłącznika W₄ należy odczytać wskazania amperomierzy po stronie wtórnej (jeżeli są różne od zera). Następnie wyłącznikiem W załącza się obciążenie, którym w ćwiczeniu jest trójfazowy opornik wodny. Zmieniając wartość obciążenia, mierzy się prądy stron wtórnych obu transformatorów oraz całkowity prąd obciążenia. Podczas pomiarów należy zwracać uwagę, by prąd któregokolwiek transformatora nie przekroczył 1,25·I_n. Wyniki pomiarów należy zestawić w tabeli 32.1.

Tabela 32.1

Lp.

U1

U2

Transformator I

Transformator II

Obciążenie

Uwagi

Ia

Ib

Ic

I2I

Ia

Ib

Ic

I2II

Ia

Ib

Ic

Iobc

V

V

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

Rys. 32.5. Układ do badania rozkładu obciążeń przy współpracy transformatorów

Na podstawie wyników pomiarów należy wykreślić zależności I_2I i I_2II od prądu obciążenia I_obc, przy stałym napięciu U₁ = U_1n i f = f_n. Przykładowe przebiegi takich charakterystyk pokazano na rysunku 32.6. Na charakterystykach należy zaznaczyć prądy znamionowe obu transformatorów i stwierdzić, czy odpowiadający im prąd obciążenia jest równy sumie prądów znamionowych.

Rys. 32.6. Rozkład obciążeń współpracujących transformatorów

• Sprawozdanie z ćwiczenia

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

• protokół z pomiarów,

• graficzne wyznaczenie grupy połączeń,

• sprawdzenie warunków pracy równoległej,

• wykresy rozpływu prądów obciążenia przy pracy równoległej I_2I, I_2II = f(I_obc) przy U₁ = U_n,

• uwagi i wnioski.

• Pytania kontrolne

• Co to jest praca równoległa transformatorów?

• Wymienić warunki pracy równoległej.

• Jakie przyczyny mogą wywołać przepływ prądów wyrównawczych?

• Podać dopuszczalne odchyłki przekładni i napięć zwarcia transformatorów przeznaczonych do pracy równoległej.

• Od czego zależy przesunięcie fazowe prądów współpracujących transformatorów?

• Wymienić zalecane grupy połączeń transformatorów.

• Jak zapewnia się równomierność obciążenia współpracujących transformatorów?

123

---