Испытания трансформаторов К-фактора

Установка для определения К-фактора трансформаторов

Определение и верификация К-фактора обычно проводятся не в рамках заводских испытаний, а в ходе эксплуатации, моделирования или нагрузочных испытаний с гармоническими искажениями либо на специальной установке для испытаний гармонической нагрузки с помощью программируемых источников питания.

Анализатор электропитания регистрирует обусловленные нелинейными нагрузками гармонические составляющие тока , которые вызывают дополнительное нагревание в трансформаторах. Величины для расчета К-фактора измеряются в имеющейся электрической цепи трансформатора, поэтому они отражают фактические гармонические искажения как в целом, так и для каждой отдельной гармоники, воздействующей на трансформатор. Современный анализатор электропитания способен автоматически рассчитывать К-фактор на основе измеренных значений.

Интерпретация результатов измерения К-фактора трансформатора

Формула К-фактора содержит каждую гармонику как порядок гармоники, возведенный в квадрат. Гармоники более высокого порядка вносят значительно больше тепла вследствие дополнительных потерь на вихревые токи. Трансформатор с высоким К-фактором не устраняет гармоники, вызываемые нелинейными нагрузками в системе. Однако он выдерживает рост температуры по причине гармоник. К-фактор указывает на способность трансформатора справляться с побочными эффектами гармонических искажений тока.

Стандартные классы К-фактора трансформаторов могут служить ориентиром при выборе требуемой модели:

• Трансформаторы K4 выдерживают легкие и средние нелинейные нагрузки (например, в офисах, где используются компьютеры, электронные устройства, светодиодные лампы и т. п.).
• Трансформаторы K9 подходят для систем, в которых доля нелинейных нагрузок составляет до 50 % от общей нагрузки (больницы, школы, здания коммерческого назначения и т. п.).
• Трансформаторы K13 способны выдерживать до 75 % нелинейных нагрузок (производственные предприятия и инфраструктура связи, т. е. серверные помещения, узлы и мачты связи).
• Трансформаторы K20 способны выдерживать до 100 % нелинейных нагрузок и пригодны для систем с высокими гармониками (центры хранения и обработки данных, источники бесперебойного питания, ИТ-инфраструктура и т. п.).
• Любой трансформатор класса выше K30 изготавливается на заказ и выдерживает очень высокие гармонические токи в специфических сценариях со 100 % нелинейными нагрузками.

Количество устройств, создающих нелинейные нагрузки, сегодня стремительно растет и продолжит расти в ближайшем будущем. Это вызывает электрические помехи в энергосистемах. Распределительные трансформаторы в условиях гармонических токов имеют повышенные потери на вихревые токи в обмотках и потери на рассеяние в стальных элементах конструкции, приводящие к выделению избыточного тепла.

Особенности трансформаторов с высоким К-фактором:

• Более прочные сердечники с оптимизированной плотностью магнитного потока и улучшенной конструкцией пластин из материалов с низкими потерями
• Конфигурация обмоток с минимальными потерями на вихревые токи и равномерным распределением тепла по поверхности
• Нейтральные проводники с 200%-м номиналом рассчитаны на двойной номинальный ток
• Электростатические экраны для защиты обмоток трансформатора и электроники

Задачи, связанные с определением К-фактора трансформаторов

Правильный выбор трансформатора с оптимальным К-фактором имеет решающее значение для обеспечения безопасной и эффективной работы оборудования. Трансформатор с избыточными характеристиками имеет неоправданно высокую стоимость, тогда как трансформатор с недостаточными характеристиками может перегреваться и выходить из строя.

Для определения К-фактора трансформатора требуется не только измерение суммарного коэффициента нелинейных искажений. Здесь необходим точный и подробный анализ гармонических составляющих, т. к. К-фактор рассчитывается на основе среднеквадратичных значений отдельных гармоник тока. Даже небольшие погрешности в измерении гармоник высших порядков могут существенно искажать результат.

Основные трудности:

• Сложные профили с переходными гармониками: в отличие от устойчивого профиля синусоидальной нагрузки, насыщенные гармониками среды генерируют изменяемые переходные нагрузки.
• Широкий спектр гармоник и широкий динамический диапазон: современные нелинейные нагрузки генерируют сложные гармонические составляющие, которые необходимо регистрировать в широком диапазоне частот, при этом требуется точное измерение малых гармоник более высокого порядка в присутствии значительно более высоких основных токов.
• Скопления гармоник: ввиду неравномерного распределения потерь требуются более точные измерения температуры.
• Эффекты фазового угла: при точных испытаниях К-фактора необходимо в дополнение к амплитудам гармоник также учитывать их фазовые углы.
• Гармоники порядка, кратного трем: гармоники порядков, кратных трем (3, 9, 15 и т. д.), повышают потери в обмотках и потери на вихревые токи, вызывая экспоненциальное нагревание трансформатора.
• Отдельные гармоники и суммарный коэффициент нелинейных искажений: схожие значения суммарных коэффициентов нелинейных искажений могут давать очень разные К-факторы, поскольку фактическое влияние отдельных гармоник не обязательно отражается в измеренных или расчетных суммарных коэффициентах нелинейных искажений для всей силовой системы.
• Типовые условия эксплуатации: результаты определения К-фактора имеют смысл только в том случае, если измерения отражают фактический профиль нагрузок трансформатора.
• Автоматический расчет и формирование отчетов: автоматизированный расчет К-фактора и экспорт стандартизированных данных повышают повторяемость, сокращают объем ручного труда и упрощают ведение документации.
• Перспективность: любой проводимый сегодня расчет на основе анализа гармонических составляющих нелинейной нагрузки также должен принимать во внимание потенциальный рост доли нелинейных нагрузок в будущем.

Наши решения для определения К-фактора трансформаторов

Анализатор гармоник является базовым прибором для анализа гармонической нагрузки в целом и измерения отдельных гармоник различного порядка. В более широких и сложных приложениях, где обязательно требуется определение К-фактора, анализатор электропитания обеспечивает подробный анализ во временной и частотной областях. Прецизионный анализатор электропитания LMG671 с возможностями анализа гармоник до 2000-го порядка (или до 150 кГц) предоставляет исключительно широкую функциональность для прямых измерений гармонических составляющих тока на основе быстрого преобразования Фурье с высоким разрешением.

Возможности LMG671:

• Точное измерение напряжения, тока, частоты и коэффициентов нелинейных искажений напряжения и тока
• Расчет и вывод К-фактора в уникальном встроенном редакторе сценариев в реальном масштабе времени и с синхронизацией по циклам
• Анализ качества электропитания во временной и частотной областях
• Отображение и количественное определение отдельных гармонических составляющих
• Визуальное представление несинусоидальных нагрузок в виде форм сигналов для их быстрого анализа
• Широкий динамический диапазон для максимальной точности измерения малых гармонических составляющих высокого порядка в присутствии высоких основных токов