1.9.1. Условия включения трансформаторов на параллельную работу

При параллельной работе необходимо, чтобы общая нагрузка подстанции распределялась между трансформаторами пропорционально их номинальным мощностям. Такое распределение нагрузки происходит, когда включаемые параллельно трансформаторы должны иметь:

1. одинаковое число фаз и одинаковые группы соединений;

2. равные первичные и вторичные напряжения, то есть

U_1(I)= U_1(II)= U_1(III)== U_1(n)

U_2(I)= U_2(II)= U_2(III)== U_2(n),

а следовательно трансформаторы должны иметь равные коэффициенты трансформации;

3. равные напряжения короткого замыкания, то есть

u_к(I)= u_к(II)= u_к(III)= u_к(n);

4. отношение номинальных мощностей не должно превышать 1:3.

При выполнении всех перечисленных условий трансформаторы нагружаются пропорционально их номинальным мощностям.

На практике должно быть безусловно выполнено первое условие, а второе и третье условия выполняются с определенными отступлениями, для которых устанавливаются допустимые границы.

Рассмотрим перечисленные условия включения трансформаторов на параллельную работу.

1.9.1.1. Условие одинаковости групп соединения обмоток

Допустим, что на параллельную работу включены два трансформатора – с соединением обмоток  и ₀, имеющие одинаковые первичные и вторичные номинальные напряжения и одинаковые напряжения короткого замыкания. В этом случае вторичные ЭДС Е₂ соответствующих фаз этих трансформаторов будут равны по величине, но сдвинуты по фазе друг относительно друга на 30⁰ (рис.1.31). В замкнутом контуре вторичных обмоток будет действовать разность этих ЭДС

Е₂=2E₂sin 15⁰=0,518Е₂ (1.70)

За счет разностной ЭДС во вторичной обмотке трансформатора возникает уравнительный ток. Как было рассмотрено при изучении работы трансформатора под нагрузкой, любое изменение тока во вторичной цепи вызывает аналогичные изменения тока в первичной цепи.

Рис.1.31. Векторная диаграмма ЭДС и уравнительных токов при параллельной работе трансформаторов разных групп

Следовательно уравнительные токи возникают, как во вторичной цепи, так и в первичной цепи. Эти токи протекают только по обмоткам трансформаторов и ограничиваются по величине только сопротивлениями обмоток, то есть сопротивлениями короткого замыкания трансформаторов

, (1.71)

где Z_кI и Z_кII сопротивления короткого замыкания первого и второго трансформаторов.

Если, например, мощности трансформаторов равны и равны приведенные значения z_к1*= z_к11*= u_к1*= u_к11*=0,05, то относительная величина уравнительного тока будет равна

,

то есть уравнительный ток будет в 5,18 раза больше номинального. Наличие такого тока почти равносильно короткому замыканию и поэтому параллельное включение трансформаторов различных групп недопустимо.

Следовательно необходимым условием параллельной работы трансформаторов является совпадение по фазе ЭДС вторичных обмоток E_2(I) и E_2(II), так, чтобы их векторная разность равнялась нулю, а это возможно только у трансформаторов одинаковых групп соединений.

1.9.1.2. Условие равенства коэффициентов трансформации

Предположим, что два параллельно включенных однофазных трансформатора (рис.1.32) имеют одинаковые группы соединения, одинаковые напряжения короткого замыкания, но коэффициенты трансформации их не равны, причем k_I<k_II.

Будем считать, что трансформаторы работают в режиме холостого хода и, что напряжение первичной сети равно номинальным первичным напряжениям каждого из параллельно включаемых трансформаторов U₁=U_1H(I)= U_1H(II). Тогда за счет неравенства коэффициентов трансформации вторичные напряжения трансформаторов будут не равны

, (1.72)

причем векторы и совпадают по фазе (рис.1.33).

Рис.1.32. Уравнительные токи в обмотках трансформаторов с разными коэффициентами трансформации

Следовательно в замкнутом контуре вторичных обмоток будет действовать разность этих напряжений и возникнет уравнительный ток I_у. Уравнительный ток, за счет падения напряжения в обмотках, приводит вторичное напряжение обоих трансформаторов к одному и тому же значению. Этот ток во вторичных обмотках трансформаторов имеет различные направления (рис.1.32) поэтому на векторной диаграмме (рис.1.33) он показан двумя векторами: I_у(I) в первом трансформаторе и I_у(II)=-I_у(I) в втором трансформаторе.

Как и в предыдущем случае уравнительный ток можно рассчитать, используя полные сопротивления короткого замыкания трансформаторов

. (1.73)

Что бы преобразовать эту формулу примем, что k_Ik_II=k² и U₁/k=U_2н. Здесь k – средний коэффициент трансформации обоих трансформаторов и U_2н – среднее значение вторичного номинального напряжения.

Рис.1.33. Векторные диаграммы трансформаторов с разными коэффициентами трансформации, включенными на параллельную работу

. (1.74)

Здесь - процентная разность коэффициентов трансформации, I_2H(I) и I_2H(II) – номинальные значения вторичных токов трансформаторов.

Обычно ток I_y выражают в процентном отношении номинального тока одного из трансформаторов, например от I_2H(I). Тогда

, (1.75)

где Р_н1 и Р_н2 – номинальные активные мощности первого и второго трансформаторов.

Допустим, например, что k=1%, u_к1=u_к2=5,5%, Р_н1/Р_н2=100/100, Р_н1/Р_н2=100/300, Р_н1/Р_н2=100/500. Тогда, используя уравнение 1.73, получим I_y%=9,1%; 14%; 15,1%.

Следовательно при различных коэффициентах трансформации трансформаторов даже в режиме холостого хода возникает уравнительный ток, который составляет довольно значительную величину и вызывает дополнительные потери в трансформаторах.

При включении нагрузки в трансформаторах возникают токи нагрузки I_наг(I) и I_наг(II). Складываясь с ними, уравнительные токи вызывают неравенство токов вторичных обмоток трансформаторов и, следовательно, их неравномерную нагрузку. В результате этого трансформатор, у которого коэффициент трансформации меньше, будет перегружен, а трансформатор с большим коэффициентом трансформации - недогружен. Если, например, первый трансформатор будет перегружен на 15%, то настолько же нужно уменьшить внешний нагрузочный ток, чтобы ток этого трансформатора не превосходил его номинального значения. Следовательно подстанция будет работать с недогрузкой 15%, потому что общая мощность трансформаторов будет меньше, чем их суммарная номинальная мощность.

По ГОСТ в общем случае допускается различие коэффициентов трансформации k0,5%, а для трансформаторов с k3 и трансформаторов, используемых для собственных нужд подстанции допускается k1%.