Impedância do transformador

 

 

 

1.1 A definição de impedância

Definição: A impedância de um transformador refere -se à resistência que exerce na corrente quando a corrente flui através dela. Consiste em duas partes: resistência e reatância indutiva. A magnitude da impedância é geralmente expressa como uma porcentagem e marcada na placa de identificação do transformador.

parte constituinte:

• Resistência (R): Esta é a parte da resistência do condutor elétrico no enrolamento do transformador, que é determinado principalmente pelo material e pelo comprimento do enrolamento. A resistência pode fazer com que a energia elétrica seja perdida na forma de energia térmica, conhecida como perda de cobre.

• Reatância indutiva (x): Esta parte da impedância se origina da indutância do enrolamento. Quando a corrente alternada passa pelo enrolamento, a reatância indutiva impedirá a mudança de corrente. A reatância indutiva é determinada principalmente pela estrutura geométrica dos enrolamentos e pelo fluxo magnético de vazamento entre os enrolamentos.

 

1.2 O modo de expressão de impedância

A impedância total é geralmente expressa em forma complexa e consiste na combinação de resistência e reatância indutiva.

Z=r+jx,  Entre eles, J é a unidade imaginária

Nota: A impedância não se refere à impedância de uma única tensão de alta tensão ou baixa tensão, mas à impedância combinada de alta tensão a baixa tensão, resistência e reatância, que são usadas para descrever a impedância entre enrolamentos de um transformador sob um determinado estado operacional.

Por exemplo, a impedância de um transformador de três bobinas:

Alta tensão - baixa tensão

Alta tensão - tensão média

Tensão média - baixa tensão

 

 

2.1 A definição de impedância de curto-circuito

Definição: A impedância de curto-circuito na placa de identificação do transformador é um parâmetro muito importante, que reflete as características elétricas do transformador em condições de curto-circuito. A impedância de curto-circuito é geralmente expressa como uma porcentagem (%z), representando a proporção da tensão que precisa ser aplicada ao enrolamento primário para gerar a corrente nominal quando o enrolamento secundário do transformador é curto-circuito na tensão nominal do enrolamento primário.

 

 

Formulação:

Impedância de curto-circuito () pode ser expresso pela seguinte fórmula:

Entre eles:

• é a tensão necessária para o enrolamento primário atingir a corrente nominal quando o enrolamento secundário é curto-circuito.

• é a tensão nominal do enrolamento primário.

O significado da impedância de curto-circuito

 

2.2 O significado da impedância de curto-circuito

2.2.1 Limite a corrente de curto-circuito

A impedância de curto-circuito determina a magnitude da corrente de curto-circuito gerada pelo transformador quando o enrolamento secundário é curto-circuito. A corrente de curto-circuito é a corrente máxima que pode ocorrer em um sistema de energia e pode representar uma séria ameaça à segurança de equipamentos e sistemas.

Quanto maior a impedância de curto-circuito, menor a corrente de curto-circuito, o que ajuda a proteger o transformador e o equipamento a jusante contra danos causados ​​pela corrente excessiva de curto-circuito.

Cálculo de curto -circuito

Dado: A capacidade da placa de identificação do transformador é de 100MVA, a tensão é de 132\/11 kV e a impedância de curto-circuito é de 10%. Calcule a corrente de curto-circuito nos lados de alta e baixa tensão.

= corrente de curto-circuito

= Corrente nominal

Z%= impedância de curto -circuito

 

Lado de alta tensão:

 

Lado de baixa tensão:

 

2.2.2 Regulação da tensão

Impedância de curto-circuito e queda de tensão

A magnitude da impedância de curto-circuito afeta diretamente a queda de tensão do transformador. Uma impedância de curto-circuito maior significa que, quando o transformador está sob carga, a queda de tensão nos enrolamentos também é maior, o que leva a uma queda maior na tensão de saída. Em outras palavras, quanto maior a impedância de curto-circuito, pior o desempenho da regulação da tensão, porque a tensão de saída flutua mais quando a carga muda.

2.2.3 Operação paralela

Quando vários transformadores operam em paralelo, a magnitude da impedância de curto-circuito determina a proporção da carga que cada transformador possui. Se as impedâncias de curto-circuito dos transformadores paralelos forem diferentes, a carga será distribuída desigualmente

• Transformador com baixa impedância

Ele terá uma carga relativamente grande. Isso ocorre porque uma impedância menor significa uma queda de tensão menor, para que possa transmitir mais corrente, resultando em uma carga maior.

• Transformadores com alta impedância

Em seguida, terá uma carga menor. Isso ocorre porque uma impedância maior gerará uma queda de tensão maior, resultando em uma corrente transmitida menor e, portanto, uma carga menor.

Uma das condições para operação paralela é que as impedâncias de vários transformadores são iguais.

Suponha que haja dois transformadores operando em paralelo:

A impedância de curto-circuito do transformador A é de 8%.

A impedância de curto-circuito do transformador B é de 10%.

Se esses dois transformadores operam em paralelo, devido à menor impedância de curto-circuito de A, ela terá uma carga maior que B. Por exemplo, se a carga total do sistema for 1000kva, o transformador pode suportar 600kva, enquanto o Transformer B possui apenas 400kvA.

Esta distribuição desigual de carga pode levar aos seguintes problemas:

• Sobrecarga: os transformadores com baixa impedância podem ser sobrecarregados, enquanto aqueles com alta impedância podem estar em um estado de carga de luz.

• Baixa eficiência: devido à distribuição desigual de carga, a eficiência operacional de todo o sistema pode diminuir.

• Vida por vida reduzida: os transformadores que operam em condições de sobrecarga podem sofrer uma vida útil reduzida devido ao estresse térmico e ao envelhecimento acelerado.

2.2.4 Configurações de proteção

A impedância de curto-circuito tem um impacto direto na configuração de dispositivos de proteção, como relés e disjuntores. Os dispositivos de proteção geralmente precisam ser definidos de acordo com a corrente de curto-circuito para garantir que as falhas possam ser cortadas de maneira imediata e eficaz quando ocorrer um curto-circuito, reduzindo assim o impacto em outras partes do sistema.

Compreender a impedância de curto-circuito de um transformador é útil para projetar configurações de proteção apropriadas para garantir a segurança e a confiabilidade do sistema.

 

 

3.1 A vantagem da alta impedância

• Limite a corrente de curto-circuito

Transformadores com alta impedância podem limitar a magnitude da corrente de curto-circuito quando ocorre um curto-circuito. Isso ajuda a proteger o sistema de energia e o equipamento e reduz o impacto das falhas no sistema.

• Flexibilidade durante operação paralela

Nos transformadores que operam em paralelo, se houver uma pequena diferença na impedância (mas dentro de um intervalo razoável), é mais fácil distribuir a carga e evitar a concentração excessiva da carga em um único transformador devido à impedância muito pequena.

• O custo pode ser relativamente baixo

Em alguns projetos, o aumento da impedância pode reduzir a quantidade de material de enrolamento usado, reduzindo assim os custos de fabricação.

 

3.2 A desvantagem da alta impedância

O desempenho da regulação da tensão é ruim

Os transformadores com alta impedância experimentarão flutuações significativas em sua tensão de saída quando a carga mudar. Isso é desfavorável para cargas que requerem uma tensão estável, e a queda de tensão é relativamente grande

Perda de energia relativamente grande

Maior impedância significa maior resistência e reatância, o que pode levar a uma maior perda de energia e reduzir a eficiência do transformador.

 

3.3 Vantagens de baixa impedância

Tem um bom desempenho de regulamentação de tensão

Os transformadores com baixa impedância têm flutuações de tensão de saída menores quando a carga mudar e pode fornecer uma tensão mais estável. Isso é muito importante para dispositivos sensíveis a flutuações de tensão, como dispositivos eletrônicos e data centers, onde a queda de tensão é relativamente pequena.

Alta eficiência

Uma impedância menor significa menor resistência e reatância, o que geralmente leva a maior eficiência energética e reduz as perdas durante a operação.

 

3.4 Desvantagem da baixa impedância

A corrente de curto-circuito é relativamente grande

A baixa impedância significa que, quando ocorre um curto -circuito, a corrente será muito grande, o que pode causar um impacto significativo no sistema e no equipamento. Isso requer medidas de proteção mais complexas e caras.

Alto custo de fabricação

A obtenção de baixa impedância geralmente requer o uso de mais materiais (como fios mais espessos ou núcleos maiores) e processos de fabricação mais complexos, o que aumenta os custos.

 

3.5 Choice de compromisso

Em aplicações práticas, os designers de transformadores geralmente precisam encontrar um ponto de equilíbrio entre as magnitudes da impedância.

Este ponto de equilíbrio depende de:

• Requisitos de proteção para sistemas de energia

Se a corrente de curto-circuito precisar ser estritamente controlada, um design com uma impedância maior poderá ser escolhido.

• Os requisitos de estabilidade de tensão da carga

Se for necessária uma tensão de saída muito estável, um design com uma impedância menor poderá ser escolhido.

• Consideração de custo

Na premissa de atender aos requisitos de desempenho, o custo geralmente é um importante fator de tomada de decisão.

 

 

4.1 Objetivo do teste

A impedância de curto-circuito e o teste de perda de carga é um teste importante para transformadores, que é usado para determinar a impedância de curto-circuito (%z) do transformador e a perda de carga (ou seja, perda de cobre) em condições de curto-circuito. Este teste pode fornecer informações características elétricas importantes do transformador em condições de trabalho específicas, o que é útil para verificar a qualidade e o desempenho do design do transformador.

• Meça a impedância de curto-circuito (%z)

A impedância de curto-circuito reflete o efeito combinado da resistência e reatância de um transformador e é crucial para avaliar o desempenho de um transformador em condições de falha.

• Medir a perda de carga

Perda de carga (ou perda de cobre) é a perda de energia causada pela resistência do enrolamento de um transformador sob carga nominal, que pode ser medida através de testes de impedância de curto-circuito

 

4.2 Princípio do teste

O teste de impedância de curto-circuito envolve a aplicação de uma tensão relativamente baixa ao enrolamento primário (geralmente o lado de alta tensão) de um transformador durante o curto-circuito do enrolamento secundário (geralmente o lado de baixa tensão) e medindo a tensão, a corrente e a potência do enrolamento primário nesse período. Com base nesses valores de medição, a impedância de curto-circuito e a perda de carga do transformador podem ser calculadas.

 

4.3 Procedimentos de teste

4.3.1 Preparação de teste

Fiação: curto-circuito O lado secundário (lado de baixa tensão) enrolamento do transformador e conecte o lado primário (lado de alta tensão) a uma fonte de alimentação ajustável.

Preparação do equipamento: conecte o dispositivo de medição para registrar parâmetros como tensão, corrente e energia.

4.3.2 Tensão aplicada

Aumente gradualmente a tensão no lado primário de zero até que a corrente no lado primário atinja a corrente nominal. Nesse ponto, devido ao curto -circuito no lado secundário, a tensão deve estar próxima de zero.

4.3.3 Medida

Tensão: meça e registre a tensãono lado principal

Atual: meça e registre o atualno lado principal

Poder: meça e registre a entrada de energia ativa P, que é principalmente a perda de carga (perda de cobre) do enrolamento.

4.4.4 Cálculo

Fórmula de cálculo de impedância de curto-circuito:

Porcentagem de impedância de curto-circuito (%z):

Entre eles,é a tensão nominal do transformador

Perda de carga (perda de cobre) refere -se à potência medida P.

4.4.5 Condições de teste

Os testes são geralmente realizados à temperatura ambiente, mas devido à influência significativa da temperatura na resistência do enrolamento, as perdas reais de carga medidas podem exigir correção de temperatura.

No teste, a tensão aplicada é relativamente baixa. Ele só precisa atingir a corrente nominal, não a tensão nominal, porque quando o enrolamento secundário é curto-circuito, a aplicação de uma tensão mais baixa é suficiente para gerar a corrente nominal.

4.4.6 Análise dos resultados dos testes

Valor de impedância de curto-circuito

O valor de impedância de curto-circuito medido deve ser consistente com o valor do projeto ou o valor na placa de identificação. Se as diferenças forem significativas, pode indicar que há problemas no design ou fabricação do transformador.

Perda de carga

A perda de carga medida (perda de cobre) é usada para avaliar a eficiência do transformador em condições de carga total. Essa perda deve estar dentro do intervalo especificado no design.

4.4.7 Significado

O teste de impedância de curto-circuito não apenas verifica a qualidade do design e a fabricação do transformador, mas também fornece dados importantes para a análise de falhas do sistema, a configuração de dispositivos de proteção e a operação paralela do transformador. Através deste teste, os engenheiros podem garantir a segurança e a confiabilidade do transformador na operação real. Em conclusão, o teste de impedância de curto-circuito é uma etapa importante para garantir que o transformador cumpra as especificações do projeto e possa operar com segurança e eficiência.