Impedancia del transformador

 

 

 

1.1 La definición de impedancia

Definición: La impedancia de un transformador se refiere a la resistencia que ejerce sobre la corriente cuando la corriente fluye a través de ella. Consiste en dos partes: resistencia y reactancia inductiva. La magnitud de la impedancia generalmente se expresa como un porcentaje y se marca en la placa de identificación del transformador.

parte constituyente:

• Resistencia (R): esta es la parte de resistencia del conductor eléctrico en el devanado del transformador, que está determinado principalmente por el material y la longitud del devanado. La resistencia puede hacer que la energía eléctrica se pierda en forma de energía térmica, que se conoce como pérdida de cobre.

• Reactancia inductiva (x): esta parte de la impedancia se origina a partir de la inductancia del devanado. Cuando la corriente alterna pasa a través del devanado, la reactancia inductiva impedirá el cambio de corriente. La reactancia inductiva está determinada principalmente por la estructura geométrica de los devanados y el flujo magnético de fuga entre los devanados.

 

1.2 El modo de expresión de impedancia

La impedancia total generalmente se expresa en forma compleja y consiste en la combinación de resistencia y reactancia inductiva.

Z=r+jx,  Entre ellos, J es la unidad imaginaria

Nota: La impedancia no se refiere a la impedancia de un solo voltaje de alto voltaje o bajo voltaje en sí, sino a la impedancia combinada de alto voltaje a bajo voltaje, resistencia y reactancia, que se utilizan para describir la impedancia entre los devanados de un transformador bajo cierto estado operativo.

Por ejemplo, la impedancia de un transformador de tres bobinas:

Alto voltaje - bajo voltaje

Alto voltaje - voltaje medio

Voltaje medio: bajo voltaje

 

 

2.1 La definición de impedancia de cortocircuito

Definición: La impedancia de cortocircuito en la placa de identificación del transformador es un parámetro muy importante, que refleja las características eléctricas del transformador en condiciones de cortocircuito. La impedancia de cortocircuito generalmente se expresa como un porcentaje (%Z), lo que representa la relación del voltaje que debe aplicarse al devanado primario para generar la corriente nominal cuando el devanado secundario del transformador está cortado en el voltaje nominal del devanado primario.

 

 

Formulación:

Impedancia de cortocircuito () puede expresarse mediante la siguiente fórmula:

Entre ellos:

• ¿El voltaje requerido para que el devanado primario alcance la corriente nominal cuando el devanado secundario está cortocircuitado?

• es el voltaje nominal del devanado primario.

La importancia de la impedancia de cortocircuito

 

2.2 La importancia de la impedancia de cortocircuito

2.2.1 Limite la corriente de cortocircuito

La impedancia de cortocircuito determina la magnitud de la corriente de cortocircuito generada por el transformador cuando el devanado secundario es cortocircuitado. La corriente de cortocircuito es la corriente máxima que puede ocurrir en un sistema de energía, y puede representar una seria amenaza para la seguridad de los equipos y sistemas.

Cuanto mayor sea la impedancia de cortocircuito, menor es la corriente de cortocircuito, lo que ayuda a proteger el transformador y el equipo aguas abajo del daño causado por la corriente excesiva de cortocircuito.

Cálculo de cortocircuito

Dado: la capacidad de la placa de identificación del transformador es de 100 mVA, el voltaje es de 132\/11 kV y la impedancia de cortocircuito es del 10%. Calcule la corriente de cortocircuito en los lados de alto y bajo voltaje.

= Actualidad de cortocircuito

= corriente calificada

Z%= impedancia de cortocircuito

 

Lado de alto voltaje:

 

Lado de bajo voltaje:

 

2.2.2 Regulación de voltaje

Impedancia de cortocircuito y caída de voltaje

La magnitud de la impedancia de cortocircuito afecta directamente la caída de voltaje del transformador. Una impedancia de cortocircuito más grande significa que cuando el transformador está bajo carga, la caída de voltaje en los devanadas también es mayor, lo que conduce a una mayor caída en el voltaje de salida. En otras palabras, cuanto mayor es la impedancia de cortocircuito, peor será el rendimiento de la regulación del voltaje, porque el voltaje de salida fluctúa más cuando la carga cambia.

2.2.3 Operación paralela

Cuando múltiples transformadores funcionan en paralelo, la magnitud de la impedancia de cortocircuito determina la proporción de la carga que cada transformador lleva. Si las impedancias de cortocircuito de los transformadores paralelos son diferentes, la carga se distribuirá de manera desigual.

• Transformador con baja impedancia

Tendrá una carga relativamente grande. Esto se debe a que una impedancia más pequeña significa una caída de voltaje más pequeña, por lo que puede transmitir más corriente, lo que resulta en una carga más grande.

• Transformadores con alta impedancia

Luego llevará una carga más pequeña. Esto se debe a que una impedancia mayor generará una caída de voltaje más grande, lo que dará como resultado una corriente transmitida más pequeña y, por lo tanto, una carga más pequeña.

Una de las condiciones para la operación paralela es que las impedancias de múltiples transformadores son las mismas.

Supongamos que hay dos transformadores que operan en paralelo:

La impedancia de cortocircuito del transformador A es del 8%.

La impedancia de cortocircuito del transformador B es del 10%.

Si estos dos transformadores funcionan en paralelo, debido a la menor impedancia de cortocircuito de A, llevará una carga mayor que B. Por ejemplo, si la carga total del sistema es de 1000kVA, entonces el transformador A podría tener 600kVA, mientras que el transformador B solo tiene 400kva.

Esta distribución de carga desigual puede conducir a los siguientes problemas:

• Sobrecarga: los transformadores con baja impedancia pueden sobrecargarse, mientras que aquellos con alta impedancia pueden estar en un estado de carga de luz.

• Baja eficiencia: debido a la distribución de carga desigual, la eficiencia operativa de todo el sistema puede disminuir.

• La vida útil acortada: los transformadores que operan en condiciones de sobrecarga pueden experimentar una vida útil acortada debido al estrés térmico y el envejecimiento acelerado.

2.2.4 Configuración de protección

La impedancia de cortocircuito tiene un impacto directo en la configuración de dispositivos de protección, como relés y interruptores de circuitos. Los dispositivos de protección generalmente deben establecerse de acuerdo con la corriente de cortocircuito para garantizar que las fallas se puedan cortar de manera rápida y efectiva cuando ocurra un cortocircuito, reduciendo así el impacto en otras partes del sistema.

Comprender la impedancia de cortocircuito de un transformador es útil para diseñar la configuración de protección adecuada para garantizar la seguridad y la confiabilidad del sistema.

 

 

3.1 La ventaja de la alta impedancia

• Limite la corriente de cortocircuito

Los transformadores con alta impedancia pueden limitar la magnitud de la corriente de cortocircuito cuando ocurre un cortocircuito. Esto ayuda a proteger el sistema de energía y el equipo y reduce el impacto de las fallas en el sistema.

• Flexibilidad durante la operación paralela

En los transformadores que operan en paralelo, si hay una ligera diferencia en la impedancia (pero dentro de un rango razonable), es más fácil distribuir la carga y evitar la concentración excesiva de la carga en un solo transformador debido a una impedancia demasiado pequeña.

• El costo puede ser relativamente bajo

En algunos diseños, el aumento de la impedancia puede reducir la cantidad de material de devanado utilizado, reduciendo así los costos de fabricación.

 

3.2 La desventaja de la alta impedancia

El rendimiento de la regulación de voltaje es pobre

Los transformadores con alta impedancia experimentarán fluctuaciones significativas en su voltaje de salida cuando cambie la carga. Esto es desfavorable para cargas que requieren un voltaje estable, y la caída de voltaje es relativamente grande

Pérdida de energía relativamente grande

Una mayor impedancia significa mayor resistencia y reactancia, lo que puede conducir a una mayor pérdida de energía y reducir la eficiencia del transformador.

 

3.3 Ventajas de baja impedancia

Tiene un buen rendimiento de regulación de voltaje

Los transformadores con baja impedancia tienen fluctuaciones de voltaje de salida más pequeñas cuando la carga cambia y pueden proporcionar un voltaje más estable. Esto es muy importante para los dispositivos que son sensibles a las fluctuaciones de voltaje, como dispositivos electrónicos y centros de datos, donde la caída de voltaje es relativamente pequeña.

Alta eficiencia

Una impedancia más pequeña significa una menor resistencia y reactancia, lo que generalmente conduce a una mayor eficiencia energética y reduce las pérdidas durante la operación.

 

3.4 Desventaja de baja impedancia

La corriente de cortocircuito es relativamente grande

La baja impedancia significa que cuando ocurre un cortocircuito, la corriente será muy grande, lo que puede causar un impacto significativo en el sistema y el equipo. Esto requiere medidas de protección más complejas y costosas.

Alto costo de fabricación

Lograr baja impedancia generalmente requiere el uso de más materiales (como cables más gruesos o núcleos más grandes) y procesos de fabricación más complejos, lo que aumenta los costos.

 

3.5 Elección de compromiso

En aplicaciones prácticas, los diseñadores de transformadores generalmente necesitan encontrar un punto de equilibrio entre las magnitudes de la impedancia.

Este punto de equilibrio depende de:

• Requisitos de protección para sistemas de energía

Si la corriente de cortocircuito debe controlarse estrictamente, se puede elegir un diseño con una impedancia mayor.

• Los requisitos de estabilidad de voltaje de la carga

Si se requiere un voltaje de salida muy estable, se puede elegir un diseño con una impedancia más pequeña.

• Consideración de costos

Según la premisa de cumplir con los requisitos de rendimiento, el costo a menudo es un factor de toma de decisiones importante.

 

 

4.1 Propósito de la prueba

La prueba de impedancia de cortocircuito y pérdida de carga es una prueba importante para los transformadores, que se utiliza para determinar la impedancia de cortocircuito (%z) del transformador y la pérdida de carga (es decir, pérdida de cobre) en condiciones de cortocircuito. Esta prueba puede proporcionar una información característica eléctrica importante del transformador en condiciones de trabajo específicas, lo que es útil para verificar la calidad del diseño y el rendimiento del transformador.

• Mida la impedancia de cortocircuito (%z)

La impedancia de cortocircuito refleja el efecto combinado de la resistencia y la reactancia de un transformador y es crucial para evaluar el rendimiento de un transformador en condiciones de falla.

• Medir la pérdida de carga

La pérdida de carga (o pérdida de cobre) es la pérdida de potencia causada por la resistencia al devanado de un transformador bajo carga nominal, que se puede medir a través de pruebas de impedancia de cortocircuito

 

4.2 Principio de prueba

La prueba de impedancia de cortocircuito implica aplicar un voltaje relativamente bajo al devanado primario (generalmente el lado de alto voltaje) de un transformador mientras corta el devanado secundario (generalmente el lado de bajo voltaje) y mide el voltaje, la corriente y la potencia del devanado primario en este momento. Según estos valores de medición, se puede calcular la impedancia de cortocircuito y la pérdida de carga del transformador.

 

4.3 Procedimientos de prueba

4.3.1 Preparación de la prueba

Cableado: cortocircuito El devanado secundario (lado de bajo voltaje) del transformador y conecte el devanado del lado primario (lado de alto voltaje) a una fuente de alimentación ajustable.

Preparación del equipo: conecte el dispositivo de medición para registrar parámetros como voltaje, corriente y energía.

4.3.2 Voltaje aplicado

Aumente gradualmente el voltaje en el lado primario de cero hasta que la corriente en el lado primario alcanza la corriente nominal. En este punto, debido al cortocircuito en el lado secundario, el voltaje debe estar cerca de cero.

4.3.3 Medida

Voltaje: mida y registre el voltajeen el lado primario

Actual: mida y registre la corrienteen el lado primario

Potencia: mida y registre la entrada activa Potencia P, que es principalmente la pérdida de carga (pérdida de cobre) del devanado.

4.4.4 Cálculo

Fórmula de cálculo de impedancia de cortocircuito:

Porcentaje de impedancia de cortocircuito (%z):

Entre ellos,es el voltaje nominal del transformador

Pérdida de carga (pérdida de cobre) se refiere a la potencia medida P.

4.4.5 Condiciones de prueba

Las pruebas generalmente se realizan a temperatura ambiente, pero debido a la influencia significativa de la temperatura en la resistencia al devanado, las pérdidas de carga medidas reales pueden requerir corrección de temperatura.

En la prueba, el voltaje aplicado es relativamente bajo. Solo necesita alcanzar la corriente nominal, no el voltaje nominal, porque cuando el devanado secundario está cortocircuitado, aplicar un voltaje más bajo es suficiente para generar la corriente nominal.

4.4.6 Análisis de los resultados de las pruebas

Valor de impedancia de cortocircuito

El valor de impedancia de cortocircuito medido debe ser consistente con el valor de diseño o el valor en la placa de identificación. Si las diferencias son significativas, puede indicar que hay problemas en el diseño o fabricación del transformador.

Pérdida de carga

La pérdida de carga medida (pérdida de cobre) se utiliza para evaluar la eficiencia del transformador en condiciones de carga completa. Esta pérdida debe estar dentro del rango especificado en el diseño.

4.4.7 Significado

La prueba de impedancia de cortocircuito no solo verifica la calidad de diseño y fabricación del transformador, sino que también proporciona datos clave para el análisis de fallas del sistema, la configuración de dispositivos de protección y la operación paralela del transformador. A través de esta prueba, los ingenieros pueden garantizar la seguridad y confiabilidad del transformador en la operación real. En conclusión, la prueba de impedancia de cortocircuito es un paso importante para garantizar que el transformador cumpla con las especificaciones de diseño y pueda funcionar de manera segura y eficiente.