Напряжение короткого замыкания трансформатора (%Uk) — что означает и как выбрать

Напряжение короткого замыкания — один из немногих параметров трансформатора, который заказчик действительно выбирает, а не просто принимает. Оно указывается на паспортной табличке в процентах, и это единственное число определяет ток короткого замыкания, который должна выдержать установка, насколько просядет выходное напряжение под нагрузкой и можно ли включить агрегат параллельно с существующим.

Это также параметр, который чаще всего задают, копируя предыдущий проект, не задаваясь вопросом, подходит ли прежнее значение.

Определение

Напряжение короткого замыкания — это напряжение, которое необходимо приложить к одной обмотке при замкнутой накоротко другой, чтобы через трансформатор протекал номинальный ток. Выражается в процентах от номинального напряжения.

Трансформатору с напряжением КЗ 4 % требуется 4 % номинального напряжения — 16 V на обмотке 400 V, — чтобы обеспечить протекание полного номинального тока при закороченной другой стороне. Эта величина измеряется напрямую в ходе приёмо-сдаточных испытаний каждого агрегата.

Откуда оно берётся

Напряжение КЗ — не отдельный элемент, добавленный в трансформатор. Это совокупный результат двух свойств, присущих самой конструкции:

• Активное сопротивление обмоток — активная составляющая, обусловливающая нагрузочные потери. В большинстве конструкций мала по сравнению с реактивной.
• Реактивное сопротивление рассеяния — преобладающая составляющая. Обусловлена магнитным потоком, сцепляющимся с одной обмоткой и не сцепляющимся с другой; определяется главным образом расстоянием между обмотками ВН и НН и геометрией обмоток.

Поскольку сопротивление рассеяния зависит от геометрии, напряжение КЗ задаётся на стадии проектирования расположением обмоток. Конструктор увеличивает его, разнося обмотки дальше друг от друга или изменяя их пропорции, что одновременно увеличивает габариты, расход материалов и стоимость.

Стандартные значения

Стандарты IEC 60076-5 и EN 50588-1 устанавливают типовые значения напряжения КЗ для распределительных трансформаторов:

Влияние на уровень тока короткого замыкания

Именно это следствие чаще всего определяет выбор. Ток короткого замыкания на выводах трансформатора обратно пропорционален напряжению КЗ:

Следствие для коммутационной аппаратуры прямое. Переход с 4 % на 6 % для агрегата 1000 kVA снижает уровень тока КЗ с 36 kA до 24 kA, а это может быть разницей между стандартным щитом НН и значительно более дорогим.

Влияние на изменение напряжения под нагрузкой

Более высокое напряжение КЗ означает большее падение напряжения между холостым ходом и полной нагрузкой. Приближённо изменение напряжения составляет:

На практике изменение напряжения при полной нагрузке приближается к значению напряжения КЗ в процентах при низком коэффициенте мощности нагрузки и значительно меньше при коэффициенте мощности, равном единице.

Там, где важна стабильность напряжения у потребителя — чувствительная электроника, длинные линии с уже имеющимся падением напряжения, объекты вблизи нижней границы допустимого диапазона питающего напряжения, — предпочтительно меньшее напряжение КЗ.

Влияние на пуск электродвигателей

Прямой пуск электродвигателя вызывает ток в шесть-восемь раз выше номинального на несколько секунд. Этот пусковой ток проходит через сопротивление трансформатора и создаёт просадку напряжения по всей установке.

Если крупный двигатель запускается от относительно небольшого трансформатора, просадка может быть достаточной, чтобы отпали контакторы, сработала защита минимального напряжения или сам двигатель не смог развернуться. На таких объектах выбор напряжения КЗ может определяться пуском двигателей, а не уровнем тока КЗ.

Влияние на параллельную работу

Параллельно работающие трансформаторы распределяют нагрузку обратно пропорционально своим напряжениям КЗ. Два агрегата одинаковой мощности с разными напряжениями КЗ не разделят нагрузку поровну — больше возьмёт тот, у которого напряжение КЗ ниже.

Согласно рекомендациям IEC, напряжения КЗ параллельно работающих трансформаторов должны различаться не более чем на 10 %. При большем расхождении один агрегат выходит на номинал, тогда как у второго остаётся запас, и суммарная используемая мощность оказывается меньше суммы номиналов. Расчёт и разобранные примеры приведены в статье Параллельная работа трансформаторов.

Влияние на потери и стоимость

Более высокое напряжение КЗ требует большего расстояния между обмотками, а значит большего окна магнитопровода, большего расхода электротехнической стали, большей средней длины витка и большего количества проводника.

Компромисс здесь реальный, и универсально правильного ответа не существует. Важно, чтобы выбор был сделан осознанно, а не унаследован из предыдущей спецификации.

Когда отступать от стандартного значения

Задавайте более высокое напряжение КЗ, если:

• Расчётный уровень тока КЗ превышает параметры существующей или предпочтительной коммутационной аппаратуры
• Несколько трансформаторов будут работать параллельно, и ограничением является суммарный ток КЗ
• Объект расположен вблизи мощной сети с высоким уровнем тока КЗ
• При реконструкции сохраняется существующая коммутационная аппаратура

Задавайте более низкое напряжение КЗ, если:

• Критична стабильность напряжения у потребителя
• Крупные двигатели запускаются напрямую от трансформатора небольшой мощности
• Питающее напряжение уже находится вблизи нижней границы допустимого диапазона
• Потребление реактивной мощности штрафуется тарифом

Повторяйте существующее значение, если:

• Новый агрегат будет работать параллельно с уже установленным трансформатором
• Требуемое значение задано стандартом сетевой компании или проектной спецификацией
• Трансформатор является равноценной заменой на объекте, где уставки защит уже установлены

Практические замечания

• Напряжение КЗ измеряется на основном ответвлении. У трансформатора с широким диапазоном регулирования значение на крайних ответвлениях отличается, и в протоколе испытаний следует указывать значения по всему диапазону, когда это существенно.
• Процент относится к собственной номинальной мощности трансформатора. Напряжение КЗ 6 % у агрегата 630 kVA и 6 % у агрегата 1600 kVA соответствуют совершенно разным абсолютным значениям сопротивления.
• Если в спецификации напряжение КЗ не указано, изготовитель поставляет стандартное значение для данной мощности. Если требуется конкретная величина, она должна быть указана в запросе: изменение после утверждения конструкции означает перепроектирование трансформатора.
• Расчёты селективности защит после поставки агрегата следует выполнять по измеренному значению из протокола испытаний, а не по номинальному значению спецификации.