Streszczenie: Niewłaściwe zabezpieczanie urządzeń elektrycznych może prowadzić do skrócenia żywotności lub ich zniszczenia oraz do wystąpienia poważnych awarii. Szczególnie dotyczy to przypadków, gdzie dotychczasowe urządzenia zostają zastępowane przez nowe urządzenia o rozszerzonej funkcjonalności – na przykład dławiki kompensacyjne z uzwojeniem potrzeb własnych. Na podstawie przypadków, w których nieprawidłowy dobór zabezpieczeń doprowadził do poważnych konsekwencji artykuł opisuje aspekty jakie należy wziąć pod uwagę, aby zapewnić długą i niezawodną eksploatację oraz przekazuje wytyczne do poprawnego zabezpieczania takich urządzeń.

Abstract: Insufficient or inadequate protection of electrical devices can lead to their lifespan decrease, destruction or to occurrence of serious malfunction. It concerns especially situations where the existing devices are being replaced by new ones having increased functionality, for example shunt reactors with self-needs winding. Upon cases where the improper protection led to serious damages, the paper deals with some aspects which have to be taken into consideration to secure the reliable operation and gives the guidelines for proper protection.

Słowa kluczowe: transformatory, dławiki,  układy zabezpieczeń

Keywords: transformers, reactors, protection devices

1. Wstęp

W ostatnich latach pojawia się w sieciach elektrycznych średnich napięć coraz więcej dławików kompensacyjnych. Związane to jest z tendencją zamiany linii napowietrznych średnich napięć liniami kablowymi. Linie kablowe charakteryzują się znacznie większymi pojemnościami międzyfazowymi i doziemnymi niż linie napowietrzne, a to z kolei powoduje zapotrzebowanie na dużo wyższą moc bierną pojemnościową. Z uwagi na fakt, że płynący prąd pojemnościowy przez transformator zasilający sieć powoduje wzrost napięcia, czasem powyżej wartości dopuszczalnych, to opłaty taryfowe za pobór energii pojemnościowej są znacznie wyższe, niż za pobór energii czynnej, co sprawia, że zakup odpowiedniego dławika ma swoje uzasadnienie ekonomiczne. Jednak dla prawidłowej pracy dławik musi być odpowiednio zasilony i zabezpieczony. Inspiracją do napisania artykułu były informacje od użytkowników dławików, gdzie doszło do awarii w rozdzielniach zasilających dławiki (Fot.1). Niejednokrotnie po takiej awarii dławik pozostawał sprawny elektrycznie. Było to przesłanką, by dokładnie przyjrzeć się w jaki sposób te konkretne dławiki były zasilane i zabezpieczane.

Fot.1. Ślady działania wysokich temperatur w polu zasilającym dławik

Pozwoliło to określić, jakie czynniki należy wziąć pod uwagę projektując układy zasilania dławików oraz w jaki sposób odpowiednio i prawidłowo je chronić. Kolejne rozdziały poruszać będą różne aspekty związane z zabezpieczeniami dławików

Przepięcia pojawiające się na zaciskach dławika są jednym z czynników mogących doprowadzić do awarii dławika. Dławiki instalowane na zewnątrz są narażone na występowanie udarów piorunowych pochodzenia atmosferycznego. Nie jest to jednak jedyne zagrożenie. Znacznie częściej do przepięć dochodzi w trakcie prowadzenia czynności łączeniowych w obwodach zawierających dławiki.  Z uwagi na wysoką indukcyjność procesowi wyłączania dławika towarzyszy powstawanie silnych przepięć zgodnie z zależnością (1).

Jest to zjawisko niebezpieczne, szczególnie w przypadku bardzo szybkich i częstych procesów łączeniowych realizowanych przez wyłączniki próżniowe. Prowadzić one mogą do przebicia izolacji międzyzwojowej lub między-warstwowej dławika. Standardowo izolacja dławika jest projektowana zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 60076-3 „Transformatory. Poziomy izolacji, próby wytrzymałości elektrycznej i zewnętrzne odstępy izolacyjne w powietrzu” [1] dotyczącej prób napięciowych z uwzględnieniem poziomu napięcia znamionowego i związanych z tą wartością poziomów napięć probierczych. Dlatego też w sytuacjach powodujących możliwość generowania narażeń większych niż określone napięcia probiercze dławiki powinny być zabezpieczane ogranicznikami przepięć, zwłaszcza zaś te, które podlegają częstym procesom załączania i wyłączania. O ile w przypadku udarów pochodzenia atmosferycznego istotne jest, by pomiędzy miejscem uderzenia pioruna a zaciskami dławika w dowolnym miejscu występował ogranicznik, o tyle w przypadku przepięć łączeniowych, które w naturalny sposób mogą generować się wewnątrz dławika istotne jest, by ograniczniki były zainstalowane jak najbliżej zacisków dławika.

Obecnie najczęściej instalowane są ograniczniki przepięć zbudowane z elementu nieliniowego na bazie warystora z tlenku cynku ZnO. Charakteryzują się one brakiem prądu następczego, odpowiednią szybkością zadziałania i precyzją nastawy napięcia zapłonu. Do ich wad należy stosunkowo duży prąd upływu i duża pojemność. Ważne jest by zainstalowane ograniczniki przepięć posiadały odpowiednio dobrane parametry. Do najistotniejszych parametrów należy napięcie trwałej pracy ogranicznika U_c oraz napięcie obniżone U_o pojawiające się na ograniczniku przy przepływie prądu związanego z udarem. Należy zwrócić uwagę, że wartości napięć obniżonych są znacznie większe od napięcia trwałej pracy (około czterokrotnie), stąd zastosowanie ograniczników o zbyt wysokim napięciu pracy trwałej U_c nie będzie chroniło urządzenia w sposób odpowiedni.  Dobór parametrów uzależniony jest od sposobu połączenia punktu neutralnego uzwojenia chronionego. Z punktu widzenia ochrony przed przepięciami łączeniowymi najbardziej korzystny sposób podłączenia ograniczników to połączenie ich w trójkąt do poszczególnych zacisków liniowych dławika. Wówczas ich parametry powinny być dobrane zgodnie z roboczymi napięciami miedzyprzewodowymi. Zalecany przez producentów ograniczników sposób połączenia w gwiazdę przy doborze parametrów na napięcie miedzyprzewodowe nie będzie chroniło dławika przed przepięciami łączeniowymi w sposób odpowiedni. Z punktu widzenia ochrony dławika połączenie w gwiazdę może być zastosowane, jeśli punkt gwiazdowy dławika jest uziemiony, co jest raczej rzadkim rozwiązaniem, a parametry ograniczników są dobrane zgodnie z napięciami fazowymi.

W przypadku zastosowania ograniczników przepięć nie bez znaczenia jest też fakt, że ograniczniki przepięć pozwalają także sprawniej wyłączyć dławik przez bezpiecznik. Powstający impuls napięcia podtrzymujący palenie łuku zostaje rozładowany przez ogranicznik przepięć i tym samym skraca czas wyłączania.

Ważnym aspektem mającym wpływ na pracę dławika jest zmienność napięcia zasilania. O ile w transformatorze wzrost napięcia jedynie minimalnie wpływa na wydzielane w nim straty, o tyle w dławiku zjawisko to jest nie do pominięcia, co szerzej opisano w [2], a w przybliżeniu zależy od kwadratu zmienności napięcia.

∆P ~ ∆U²                         (2)

Spotykane są lokalizacje dławików, gdzie możliwy wzrost napięcia sięga 20%. Jeśli taki fakt jest znany, to konieczne jest poinformowanie producenta, by dostarczył dławik dobrany na takie warunki pracy. W takim też przypadku zabezpieczenia powinny być dostosowane do maksymalnego dopuszczalnego długotrwale napięcia i w konsekwencji prądu dławika. Ponadto, jeżeli napięcie dławika wzrasta powyżej wartości dopuszczalnej długotrwale, co równoznaczne jest z wydzielaniem wyższych strat i tym samym stwarza ryzyko jego przegrzania, zabezpieczenie nadnapięciowe lub przeciążeniowe powinno skutecznie taki dławik odłączyć. Taką funkcję w ostateczności może spełniać termometr z kontaktami zainstalowany w kieszeni dławika, pobudzający cewkę wyzwalającą rozłącznika.

[1] PN-EN 60076-3 „Transformatory. Poziomy izolacji, próby wytrzymałości elektrycznej i zewnętrzne odstępy izolacyjne w powietrzu”, PKN, 02 2014.

[2] J. Dziura: “Właściwe określenie warunków pracy urządzeń elektrycznych kluczowym czynnikiem ich niezawodnej eksploatacji”, , Maszyny Elektryczne, Zeszyty Problemowe, INiME Komel, 2018

Autorzy

dr inż. Jacek Dziura – Dyrektor do spraw badań i rozwoju firmy TRAFTA Sp.z o.o. Myszków, ul.1.Maja 152.

Technologia żywiczna na trwałe znalazła zastosowanie w zakresie budowy transformatorów. Szczególne znaczenie mają lokalizacje, gdzie ochrona środowiska, ochrona przeciwpożarowa, a co się z tym wiąże bezpieczeństwo użytkowania mają zasadnicze znaczenie. Artykuł prezentuje specjalne typy transformatorów i dławików, w których ta technologia odgrywa kluczową rolę lub też stanowi ważną alternatywę dla wyrobów olejowych.

Słowa kluczowe: transformatory, dławiki,  dławiki kompensacyjne, dławiki gaszące, kompensacja mocy biernej, sieci elektryczne średnich napięć, stopień ochrony

Keywords: transformers, reactors, shunt reactors,  arc limiting reactors, reactive power compensation, middle voltage electrical networks, protection degree

Technologia żywiczna na przestrzeni ostatnich lat zyskała uznanie w oczach użytkowników. Z uwagi na znacznie bardziej ograniczoną palność niż dla transformatorów olejowych znajdują one zastosowanie w lokalizacjach, gdzie bezpieczeństwo pożarowe odgrywa zasadniczą rolę. Nie bez znaczenia są też dużo lepsze właściwości eksploatacyjne w zakresie ochrony środowiska. Powyższe przesłanki mogą także zasadniczo zmienić założenia ekonomiczne związane z planowaniem nowych inwestycji, gdyż wymagają mniej restrykcyjnych warunków lokalizacyjnych, a także w wielu wypadkach pozwalają na krótsze przesyłanie energii elektrycznej po stronie niskiego napięcia, co w znacznym stopniu pozwala na redukcję strat związanych z dostarczaniem energii.

Jedną z gałęzi przemysłu, gdzie transformatory żywiczne są powszechnie stosowane jest górnictwo. Specyficzne warunki środowiskowe, takie jak obecność atmosfery wybuchowej pozwalają na eksploatację jedynie takich wyrobów, które nie stwarzają ryzyka spowodowania zagrożenia [1]. Stąd też transformatory takie umieszczane są w wytrzymałych obudowach o wysokim stopniu ochrony (IP54) dodatkowo spełniających wymagania dyrektywy ATEX i norm powiązanych [2]. Wysoki stopień ochrony w połączeniu z ograniczonymi wymiarami powoduje bardzo niekorzystne warunki chłodzenia. Transformatory dla takich zastosowań muszą charakteryzować się odpowiednio zaprojektowanym systemem chłodzenia aby w przypadkach intensywnej eksploatacji, co w górnictwie jest powszechną praktyką, nie doprowadzić do przegrzania transformatora, a tym samym jego uszkodzenia bądź zniszczenia.

Z uwagi na intensywną eksploatację i utrudnione warunki chłodzenia transformatory takie wykonywane są w klasie ciepłoodporności izolacji H (180 ͦC). Żywiczna izolacja transformatorów wzmacniana włóknem szklanym – rowingiem – daje odpowiednio dużą wytrzymałość mechaniczną przy zapewnionej szczelnej izolacji o wysokiej odporności na wpływy atmosferyczne. Z uwagi na bardzo częste ograniczenie dopuszczalnej wysokości transformatorów dla zastosowań górniczych powszechne jest stosowanie konstrukcji pięciokolumnowej.

Jedną z ciekawszych konstrukcji w zakresie transformatorów dla górnictwa wyprodukowaną przez firmę TRAFTA są transformatory sprzęgające 5 MVA o przekładni 10000/6300 V/V. Przystosowane są do pracy w temperaturze otoczenia 45  ͦC. Regulacja zaczepowa po stronie 10000 V może być realizowana zdalnie, lecz w trybie beznapięciowym. Transformator przeznaczony jest do górnictwa podziemnego w atmosferze niewybuchowej i zabudowany jest w obudowie IP54.

Transformatory uziemiające stosowane są w sieciach średniego napięcia i służą do utworzenia punktu gwiazdowego sieci i jego uziemienia. Istotne jest, by od strony sieci średniego napięcia impedancja dla składowej zerowej nie była zbyt wysoka. Z tego też powodu strona średniego napięcia łączona jest w zygzak. Z uwagi na ich funkcję w systemie, transformatory te powinny w sposób ciągły lub dorywczy (2 godziny) umożliwiać przepływ prądu składowej zerowej o określonej wartości. Dodatkowo transformatory takie posiadają po stronie dolnego napięcia uzwojenie zasilające potrzeby własne stacji najczęściej o mocy 100 kVA. Uzwojenie to dla zapewnienia odpowiednich wartości napięcia zwarcia wykonane jest w formie dysków umieszczanych symetrycznie nad i pod uzwojeniem średniego napięcia. Uzwojenie to także wykonywane jest w pełnej izolacji żywicznej, najczęściej typu cast-coil, podczas gdy uzwojenie średniego napięcia wykonywane jest alternatywnie w technologii mokrej – rowingowej lub w technologii próżniowej cast-coil. W technologii żywicznej transformatory takie były wykonane dla prądów składowej zerowej od 3×10 do 3×60 A co odpowiada mocy od 273 kVA do 2182 kVA. Typowe wartości mocy uzwojenia potrzeb własnych wynosiły 100 kVA, 160 kVA oraz 315 kVA.

Wersje suche mogą być stosowane w lokalizacjach o bardziej restrykcyjnych wymaganiach środowiskowych i przeciwpożarowych. Są także w najwyższym stopniu bezobsługowe. Wymagają jednak instalacji wnętrzowych. Standardowo stosuje się w nich dwustopniowe zabezpieczenia temperaturowe chroniące urządzenie przed przegrzaniem.

Współczesne systemy przesyłu i rozdziału energii elektrycznej coraz częściej bazują na liniach kablowych. Są one bezpieczniejsze w użytkowaniu, mniej awaryjne od linii napowietrznych oraz w mniejszym stopniu zaburzają walory krajobrazowe. Niestety, jednocześnie posiadają znacznie większą pojemność niż linie napowietrzne z czym wiąże się większy prąd upływu a tym samym zwiększone straty podczas przesyłania energii. Z uwagi na ten aspekt korzystne jest, by elementy kompensujące pojemności linii były rozmieszczone stosunkowo gęsto. Z tego też powodu coraz częściej potrzebne są dławiki średniego napięcia o mocach kompensacyjnych od kilkudziesięciu do kilku tysięcy kilowarów.

Innym ważnym aspektem jest także miejsce, bardzo często mocno ograniczone, w istniejących, modernizowanych stacjach zasilających, gdzie dostawienie kolejnego urządzenia (dławika) jest utrudnione. Problem ten dotyka także nowych stacji, gdzie z technicznego punktu widzenia kolejne urządzenie można dostawić, ale wymaga to zwiększonych nakładów kapitałowych – grunt o większej powierzchni, większe obiekty budowlane. W istniejących stacjach  najczęściej był przewidziany transformator potrzeb własnych, przeważnie o mocy około 100 kVA, zasilających obwody pomocnicze stacji. W proponowanym rozwiązaniu przestrzeń zajmowaną przez transformator potrzeb własnych wykorzystuje się do posadowienia dławika, który dodatkowo posiada uzwojenie potrzeb własnych mogące zasilać potrzeby stacji. W omawianym przypadku oprócz zasilania potrzeb własnych uzwojenie to wykorzystywane może być do regulacji przepływu mocy biernej przez dławik.

Moce kompensacyjne dotychczas produkowanych dławików żywicznych z uzwojeniami potrzeb własnych najczęściej zawierały się w przedziale do 700 kVA, podczas gdy moc uzwojeń potrzeb własnych typowo wynosiła do 350 kVA. W zależności od lokalnych warunków panujących w sieci, proporcja pomiędzy mocą potrzeb własnych a mocą kompensacyjną może być mniejsza, równa lub większa od 1. Z uwagi na fakt, że dławiki te bardzo często zastępują transformatory potrzeb własnych, zwykle o mocy do 100 kVA, które we wcześniejszych latach wykonywane były z grupą połączeń Yzn, to takie same preferencje nadal obowiązują w przypadku dławików z uzwojeniami potrzeb własnych. Z punktu widzenia asymetrii obciążenia zarówno grupy połączeń Dyn jak i Yzn zachowują się poprawnie, natomiast materiałochłonność transformatorów z grupą Dyn przy obecnie stosowanych technologiach jest mniejsza. Stąd też wymóg stosowania grup połączeń Yzn, szczególnie gdy wiąże się z uzwojeniem potrzeb własnych o mocach większych niż 100 kVA, nie jest ekonomicznie uzasadniony [3].

I podobnie też, jak w przypadku transformatorów wersje suche dławików mogą być stosowane w lokalizacjach o bardziej restrykcyjnych wymaganiach środowiskowych i przeciwpożarowych.

Dla zwiększenia bezpieczeństwa użytkowania dławiki mogą być instalowane w obudowach zapewniających odpowiedni stopień ochrony (najczęściej IP21, IP23, IP31)

Z rejestrowanych wszystkich zakłóceń występujących w sieciach SN wynika, że około 70% to zwarcia doziemne. Z przeprowadzonych analiz wynika, że w ciągu roku na 100 km linii SN może przypadać od kilku do kilkunastu a nawet kilkadziesiąt doziemień [4]. W sieciach średniego napięcia, szczególnie w sieciach kablowych, z uwagi na duże pojemności prądy zwarć doziemnych 1-fazowych mogą osiągać znaczne wartości. Minimalizacja narażeń związanych z przepływem 1-fazowych prądów doziemnych. Znaczna ich liczba takich zwarćo zwarcie nietrwałe, którym towarzyszy łuk elektryczny podtrzymywany napięciem sieci i istotnym czynnikiem wpływającym na możliwości samoistnego ich wygaszenie jest stosowanie dławików kompensujących (cewki Petersena) w punkcie neutralnym.

Regulacja zaczepowa tych dławików w pewnym stopniu pozwala na doregulowanie indukcyjności, tak aby kompensacja mocy biernej pojemnościowej była jak najlepsza. Kompensacja ziemnozwarciowa spełni oczekiwania tylko wtedy, gdy reaktancja cewki Petersena jest porównywalna z reaktancją pojemnościową sieci. Pełny efekt kompensacji następuje wtedy, gdy reaktancje te są równe. Ze względu na występowania zjawiska naturalnej asymetrii doziemnej (tzw. przepięcia rezonansowe) uznaje się, że sieć powinna pracować trwale z lekkim przekompensowaniem [4]. Zakres prądu tych dławików skoordynowany jest z zakresem prądów transformatorów uziemiających i dla wyrobów wyprodukowanych przez firmę TRAFTA wynosił od 30 A do 180 A, a wykonywane one były w obu technologiach – próżniowej i rowingowej w poziomach napięć znamionowych 10, 15 oraz 20 kV.

Technologia żywiczna, zarówno w wersji cast coil, jak i w technologii rowingowej sprawdza się nie tylko w typowych transformatorach rozdzielczych, ale także w wersjach specjalnych transformatorów. Zastosowanie takiej izolacji może w znacznym stopniu zwiększyć bezpieczeństwo użytkowania, może pozwolić na instalowanie urządzeń w lokalizacjach wrażliwych ekologicznie lub pożarowo. Może też w znaczącym stopniu ograniczyć operacje związane z obsługą urządzeń. Zastosowanie odpowiednich materiałów i technologii nie powoduje też znaczącej różnicy w sprawności urządzeń, ani też w ich koszcie.

[1] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2014/28/UE z dnia 26 lutego 2014 r. w sprawie harmonizacji ustawodawstw państw członkowskich odnoszących się do udostępniania na rynku i kontroli materiałów wybuchowych przeznaczonych do użytku cywilnego

[2] PN-EN 60079-0:2013-03, Atmosfery wybuchowe — Część 0: Urządzenia — Podstawowe wymagania

[3] Dziura J.; Nowoczesne warianty dławików kompensacyjnych w sieciach średnich napięć, Maszyny Elektryczne, Zeszyty Problemowe, INiME Komel 2019,

[4] Lorenc J., Staszak B., Borucki R., Torbus M.; Kryteria regulacji nadążnej kompensacji ziemnozwarciowej w sieciach średniego napięcia. Przegląd Elektrotechniczny nr 10/2018.

Jednym z obszarów działalności Firmy TRAFTA Sp.z o.o jest działalność serwisowa. Głównie polega ona na remontach i przezwojeniach transformatorów innych firm pozwalających na przywrócenie lub poprawę parametrów eksploatacyjnych lub też dostosowanie do zmienionych warunków zasilania danego urządzenia. Niniejszy artykuł opisuje sposób, w jaki została usprawniona seria transformatorów wchodzących w skład farm wiatrowych o specyficznej konstrukcji typu „slim” z izolacją Nomex®  i płynem Midel7131®

Z początkiem roku 2020 firma TRAFTA nawiązała współpracę dotyczącą naprawy  serii transformatorów chłodzonych cieczą o specyficznej konstrukcji typu „slim” stanowiących wyposażenie farm wiatrowych. Transformatory te są zabudowywane w wieżach elektrowni wiatrowych, co sprawia, że wymiary a szczególnie szerokość transformatora są mocno ograniczone. Stosunkowo duża moc (1700 kVA) i ograniczona kubatura transformatora wymusiły zastosowanie systemu izolacyjnego wyższego niż klasa ciepłoodporności A. Stąd w oryginalnej konstrukcji został zastosowany Nomex® oraz płyn chłodzący Midel7131®. Objawami świadczącymi o nieprawidłowej pracy tych transformatorów był wysoki poziom gazów oraz wysoki poziom wyładowań niezupełnych. W przypadku jednego z egzemplarzy degradacja części aktywnej była znacznie dalej posunięta, gdyż doszło już do wewnętrznych zwarć zwojowych lub międzywarstwowych. Z uwagi na bardzo wysoki poziom wyładowań niezupełnych sięgających rzędu nanokulombów [nC] należało stwierdzić, że większość transformatorów była w krytycznym stanie przedawaryjnym i zachodziła pilna potrzeba przywrócenia prawidłowej kondycji układu izolacyjnego. Z uwagi na konieczność zachowania poufności nie będą publikowane dokładne informacje konstrukcyjne.

Oryginalny transformator charakteryzował się poniższymi parametrami:

Moc                            – 1700 kVA

Przekładnia                 – 30000±2×2.5%/12000 V/V

Napięcie zwarcia        – 6%

Straty jałowe              – 1900W

Straty obciążeniowe   – 12000 W

Zarówno uzwojenie górnego jak i dolnego napięcia wykonane było z przewodu miedzianego profilowego w oplocie nomexowym. Z uwagi na ograniczoną przestrzeń wewnętrzną kanały chłodzące posiadały płaszczenia a kanał główny był krytycznie wąski. Izolację stanowił papier aramidowy preimpregnowany żywicą (DPP) w postaci warstw stopniowanych. Oględziny wewnętrzne części aktywnej ujawniły ślady przegrzań w górnych obszarach cewek Fot.1. oraz ślady wyładowań Fot.2.

Wewnętrzna inspekcja uszkodzonej części aktywnej wykazała również, że warstwy papieru aramidowego nie są dostatecznie sklejone ani ze sobą, ani też z przewodami nawojowymi. Niedostatecznie utwardzona żywica mogła skutkować reakcją z olejem, co z kolei mogło prowadzić do wysokich wyładowań niezupełnych. Czynnikiem powodującym zwiększony poziom wyładowań był też niestaranny montaż, skutkujący dużą ilością zanieczyszczeń wewnątrz kadzi, jak również luźnymi elementami mechanicznymi (luźne podkładki spoczywające na części aktywnej).

Dla jednego egzemplarza transformatora, tego z nieuszkodzoną częścią aktywną wykonano próbę nagrzewania. Uzyskane wyniki przyrostów temperatur przedstawiały się następująco:

• ∆θ _DN = 75,5 K
• ∆θ _GN = 83,3 K

Uzyskane wyniki potwierdziły konieczność stosowania układu izolacyjnego wyższego niż klasa ciepłoodporności A, lecz nie były krytycznie wysokie.

Odwzorowany pierwotny układ izolacyjny został poddany analizie metodami elementów skończonych. Analiza wskazała na obszary, gdzie natężenia pola elektrycznego przybierały wartości wysokie (lokalnie powyżej 20 kV/mm).

Obserwacje poczynione podczas oględzin części aktywnych pierwotnego rozwiązania wskazały na kierunki, w których powinno się poszukiwać ulepszeń. Były one następujące:

• Zminimalizowanie lokalnych wysokich wartości naprężeń pola elektrycznego
• Zastosowanie odpowiednio skutecznego układu chłodzenia
• Zapewnienie prawidłowej impregnacji papieru aramidowego DPP lub rezygnacja z papieru preimpregnowanego
• Zapewnienie odpowiedniej staranności i czystości podczas montażu

Finalnie zdecydowano się na zastąpienie przewodu w izolacji w oplocie Nomex® przewodem emaliowanym o klasie ciepłoodporności minimum 180°C. Izolacja warstwowa z szerokich warstw preimpregnowanego papieru aramidowego została zastąpiona izolacja stripową z paska papieru Nomex®. Pozwoliło to na zmniejszenie ilości izolacji przy jednoczesnym, co należy podkreślić, obniżeniu lokalnych wartości natężenia pola elektrycznego. Stripowy układ izolacyjny pozwolił również na rezygnację z płaszczenia kanałów chłodzących. W trakcie prac modernizacyjnych zadbano również o kompatybilność użytych materiałów izolacyjnych i pomocniczych z płynem Midel7131®, gdyż nie wszystkie materiały zachowujące się prawidłowo w środowisku oleju mineralnego nie reagują z estrami syntetycznymi.

Cykl suszenia i impregnacji zawierał etapy suszenia części aktywnej w piecu atmosferycznym oraz zalewania płynem Midel7131® w komorze próżniowej po jego wcześniejszym uzdatnieniu.

Po modernizacji transformator został poddany pełnym próbom obejmującym próby wyrobu, próbę nagrzewania oraz pomiar wyładowań niezupełnych. Skutkiem rezygnacji z płaszczenia kanałów chłodzących był nieznaczny wzrost (o 0,4%) napięcia zwarcia, co było zjawiskiem spodziewanym.  Spodziewano się także obniżenia przyrostów temperatur po modernizacji. Faktyczne przyrosty były znacznie niższe i przedstawiały się następująco:

• ∆θ _DN = 62,7 K
• ∆θ _GN = 51,9 K

Zatem redukcja przyrostu temperatury w uzwojeniu DN wyniosła około 10 K a w uzwojeniu GN około 30 K. Tym samym, część aktywna transformatora jest mniej podatna na efekty starzeniowe zależne od temperatury.

Przeprowadzone pomiary wyładowań niezupełnych na modernizowanych transformatorach dały rezultat na poziomie kilkunastu pikokulombów [pC] i w żadnym wypadku nie przekroczyły poziomu 40 pC.

Wyniki badań wielu egzemplarzy po modernizacji pokazują, że w jej trakcie pomyślnie wyeliminowano przyczyny nadmiernie szybkiego procesu starzeniowego transformatorów w ich pierwotnej wersji. Zmodernizowane jednostki trafiły z powrotem do eksploatacji a kolejne jednostki wymagające modernizacji są sukcesywnie modernizowane według tych samych reguł. Wszystkie jednostki są lub będą regularnie monitorowane pod względem zawartości gazów w oleju oraz pomiarów wyładowań niezupełnych. Mimo ograniczonej przestrzeni dla części aktywnej wewnątrz kadzi pomyślnie zredukowano miejsca największych zagrożeń elektrycznych. Analiza użytych materiałów pozwoliła na zastosowanie materiałów kompatybilnych z zastosowanym płynem izolacyjnym, a odpowiednio prowadzony proces technologiczny zminimalizował źródła potencjalnych wyładowań niezupełnych.

Protokoły z badań transformatorów

Dokumentacja wewnętrzna Firmy TRAFTA Sp. z o.o.

Streszczenie: W ostatnim czasie coraz większego znaczenia nabierają aspekty jakości energii elektrycznej, jak i minimalizacji kosztów związanych z użytkowaniem sieci. W obliczu konkurencji występującej również na rynku wytwarzania, przesyłu i rozdziału energii elektrycznej, szczególnie przy znacząco rosnących cenach surowców jak i kosztach związanych z emisją zanieczyszczeń, zagadnienia jak najefektywniejszego procesu dostarczania energii są kluczowe dla zabezpieczenia swej pozycji rynkowej. Dławiki kompensacyjne instalowane w sieciach mają za zadanie poprawę współczynnika mocy a tym samym obniżenie strat powstających podczas przesyłu energii. Istotne jest także zapewnienie, by kompensacja była odpowiednia do aktualnego stanu sieci i nadążała za jej zmianami. Artykuł opisuje warianty dławików wprowadzonych ostatnio do produkcji i eksploatacji pozwalające na nadążną i efektywną kompensację mocy biernej. Artykuł o podobnej treści prezentowany był na konferencji PEMINE 2018.

Abstract: In recent times the aspects of electrical energy quality and cost related to operation of electrical networks get the higher importance. For the markets of electrical energy generation, transmission and distribution  operating in competition environment it is crucial to secure the effectiveness of the energy supply process, especially when the fuel prices and charges for emission are significantly rising. Shunt reactors which are installed in electrical networks to increase the power factor and hence to minimize the loss related to energy transmission. It is also essential to secure that compensation is adequate to the current state of a network and follows its changes. The paper describes the variants of shunt reactors recently introduced for production and operation which allow to compensate the reactive power in follow-up and effective way. The similar content of the paper was presented during the Conference PEMINE 2018

Słowa kluczowe: dławiki,  dławiki kompensacyjne, kompensacja mocy biernej, transformatory uziemiające, akcesoria transformatorowe, straty elektryczne, stacje transformatorowe, sieci elektryczne średnich napięć

Keywords: reactors, shunt reactors,  compensation of reactive power, earthing transformers, transformer accessories, electrical losses, transformer stations, middle voltage electrical networks

1. Wstęp

Współczesne systemy przesyłu i rozdziału energii elektrycznej coraz częściej bazują na liniach kablowych. Są one bezpieczniejsze w użytkowaniu, mniej awaryjne od linii napowietrznych oraz w mniejszym stopniu zaburzają walory krajobrazowe. Niestety, jednocześnie posiadają znacznie większą pojemność niż linie napowietrzne z czym wiąże się większy prąd upływu a tym samym zwiększone straty podczas przesyłania energii. Z uwagi na ten aspekt korzystne jest, by elementy kompensujące pojemności linii były rozmieszczone stosunkowo gęsto. Z tego też powodu coraz częściej potrzebne są dławiki średniego napięcia o mocach kompensacyjnych od kilkudziesięciu do kilku tysięcy kilowarów.

Inną cechą współczesnych systemów jest duża dynamika zmian obciążenia. Przykładem takim są systemy zasilania trakcji kolejowej, które w chwili przejazdu pociągu stanowią odbiór o charakterze indukcyjnym, a w pozostałych okresach o charakterze wyraźnie pojemnościowym. Na liniach kolejowych o dużych prędkościach zmiany takie charakter częsty i szybki. W takich przypadkach dławiki z mechaniczną regulacją szczeliny są zbyt wolne, a z kolei dławiki z podobciążeniowymi przełącznikami zaczepów są z kolei, w rozpatrywanym zakresie mocy, zbyt duże, zbyt drogie i zwykle nie zapewniają odpowiedniej głębokości regulacji.

Innym ważnym aspektem jest także miejsce, bardzo często mocno ograniczone, w istniejących, modernizowanych stacjach zasilających, gdzie dostawienie kolejnego urządzenia (dławika) jest utrudnione. Problem ten dotyka także nowych stacji, gdzie z technicznego punktu widzenia kolejne urządzenie można dostawić, ale wymaga to zwiększonych nakładów kapitałowych – grunt o większej powierzchni, większe obiekty budowlane. W istniejących stacjach  najczęściej był przewidziany transformator potrzeb własnych, przeważnie o mocy około 100 kVA,  zasilających obwody pomocnicze stacji. W proponowanym rozwiązaniu przestrzeń zajmowaną przez transformator potrzeb własnych wykorzystuje się do posadowienia dławika, który dodatkowo posiada uzwojenie potrzeb własnych mogące zasilać potrzeby stacji. W omawianym przypadku oprócz zasilania potrzeb własnych uzwojenie to wykorzystywane może być do regulacji przepływu mocy biernej przez dławik.

Dławiki z uzwojeniem potrzeb własnych łączą funkcje typowego dławika kompensacyjnego i transformatora. Na schematach systemu elektroenergetycznego można je przedstawić w sposób następujący (Rys.1.). Kontur otaczający schemat dławika i transformatora oznacza umieszczenie obu tych cech w jednym urządzeniu.

Rys.1. Przedstawienie schematyczne dławika z uzwojeniem potrzeb własnych

Z takiego też modelu można korzystać wyznaczając na przykład warunki zwarciowe występujące na szynach po stronie niskiego napięcia. Układ powyższy można przedstawić następującym schematem zastępczym (Rys.2.). W schemacie tym parametry gałęzi podłużnej R_T, X_T, Z_T wyznaczane są na podstawie napięcia zwarcia wyznaczanego dla potrzeb własnych, a parametry poprzeczne X_D, R_D, wyznaczane są z mocy kompensacyjnej dławika oraz ze strat kompensacyjnych (bez potrzeb własnych) i można wykorzystać załączone poniżej formuły:

Rys.2. Schemat zastępczy dławika z uzwojeniem potrzeb własnych

Typowe wartości napięć zwarcia wahają się od 2% do 10 % i w głównej mierze zależą od proporcji mocy kompensacji do mocy potrzeb własnych.
Powyższe parametry wyznaczane są pomiarowo w trakcie prób wyrobu. Są one też wyznaczane obliczeniowo jako wielkości projektowe.

Zagadnieniem wymagającym szerszego omówienia jest kwestia przekładni napięciowej, gdyż jest ona zasadniczo odmienna od przekładni w transformatorze. Dla transformatora przekładnia zdefiniowana jest jako stosunek napięć po stronie pierwotnej i wtórnej U₁:U₂ występujący przy biegu jałowym – patrz schemat (Rys.3.). Dla biegu jałowego transformatora można założyć zerowy prąd płynący w gałęzi podłużnej a tym samym, przy przekładni równej 1 napięcia U₁ = e = U₂. W przypadku transformatora przekładnia napięciowa jest wprost związana z przekładnią zwojową.

Rys 3. Schemat zastępczy transformatora

W przypadku dławika, nawet gdy strona wtórna jest nieobciążona, to po stronie pierwotnej płynie prąd kompensacyjny powodujący spadki napięć na reaktancji rozproszenia dławika. To powoduje, że przy takim samym stosunku zwojów jak w transformatorze, na stronie wtórnej dławika obserwujemy napięcia o kilka procent niższe niż w przypadku transformatora. Aby przeciwdziałać temu zjawisku przekładnię zwojową dławika z uzwojeniem potrzeb własnych należy dobrać nieco niższą niż w typowym transformatorze. Korekta ta zależy od proporcji mocy kompensacji i potrzeb własnych oraz od reaktancji rozproszenia powiązanej z parametrem napięcia zwarcia. Z uwagi na brak możliwości dokładnego analitycznego uwzględnienia tych zjawisk na etapie projektowania zwykle uchyb przekładni dławika jest większy od uchybu przekładni transformatora i może wynosić około 1%.

W tym miejscu należy wspomnieć o jeszcze jednym zjawisku.

Uzwojenie potrzeb własnych może również być obciążone pojemnościowo. W takim przypadku napięcie po stronie wtórnej przy obciążeniu może być wyższe od napięcia występującego bez obciążenia. Zilustrowano to na uproszczonym wykresie wskazowym (Rys.4), gdzie pokazano w jaki sposób zachowuje się napięcie po stronie wtórnej U₂, przy jednakowym napięciu strony pierwotnej U₁, gdy zasila odpowiednio odbiór o charakterze rezystancyjnym, indukcyjnym i pojemnościowym [1]. W przypadkach, w których z powodu charakteru obciążenia dochodzi do sytuacji wzrostu napięcia do poziomu krytycznego dla urządzeń, to należy wówczas odpowiednio doregulować napięcie przełącznikiem zaczepów po stronie pierwotnej ustawiając go na zaczep dedykowany dla wyższego napięcia pierwotnego.

Rys 4. Wykresy wskazowe dla transformatora lub dławika z uzwojeniem potrzeb własnych przy obciążeniu o różnym charakterze: – a) re-zystancyjnym; b) indukcyjnym; c) pojem-nościowym

Moce kompensacyjne dotychczas produkowanych dławików z uzwojeniami potrzeb własnych najczęściej zawierały się w przedziale do 1000 kVA, podczas gdy moc uzwojeń potrzeb własnych typowo wynosiła do 500 kVA. W zależności od lokalnych warunków panujących w sieci, proporcja pomiędzy mocą potrzeb własnych a mocą kompensacyjną może być mniejsza, równa lub większa od 1. Z uwagi na fakt, że dławiki te bardzo często zastępują transformatory potrzeb własnych, zwykle o mocy do 100 kVA, które we wcześniejszych latach wykonywane były z grupą połączeń Yzn, to takie same preferencje nadal obowiązują w przypadku dławików z uzwojeniami potrzeb własnych. W przypadku małych transformatorów (do 100 kVA), w których należy się liczyć z asymetria obciążenia po stronie niskiego napięcia wybór takiej grupy był ekonomicznie uzasadniony. Obecnie w zakresie mocy do 100 kVA równoważnie stosowana jest również grupa Dyn, a dla mocy wyższych od 100 kVA jest ona wręcz rekomendowana [2]. Z punktu widzenia asymetrii obciążenia obie te grupy połączeń zachowują się poprawnie, natomiast materiałochłonność transformatorów z grupą Dyn przy obecnie stosowanych technologiach jest mniejsza. Stąd też wymóg stosowania grup połączeń Yzn, szczególnie gdy wiąże się z uzwojeniem potrzeb własnych o mocach większych niż 100 kVA, nie jest ekonomicznie uzasadniony.

W przypadku transformatorów można wyodrębnić czynnik strat związany z przepływem prądu przez uzwojenie – tak zwane straty obciążeniowe oraz czynnik strat związany ze zjawiskami magnetycznymi w rdzeniu (histereza, straty wiroprądowe w blachach) – tak zwane straty stanu jałowego zależne od indukcji w rdzeniu. Z uwagi na stosunkowo mały prąd biegu jałowego transformatora można założyć w takim stanie, że całość mierzonych strat to straty w rdzeniu. Podobnie, przy wyznaczeniu strat obciążeniowych, z uwagi na niskie napięcie zwarcia możliwe jest założenie, że całość strat wyznaczanych w tym stanie to straty wyłącznie wynikające z przepływu prądu, a więc straty obciążeniowe. Stąd też w sposób pomiarowy możliwe jest oddzielne wyznaczanie obu tych składników strat. Z uwagi na zależność strat od temperatury obowiązujące normy wymagają przeliczenia wartości strat wyznaczonych z pomiaru na temperaturę referencyjną uzależnioną od klasy ciepłoodporności izolacji uzwojeń [2]. W tym przypadku straty podstawowe przelicza się do wartości odpowiadającej temperaturze referencyjnej mnożąc przez temperaturowy współczynnik rezystancji [4], a straty dodatkowe, związane z przepływem prądów wirowych, wyznacza się dzieląc wartość wyznaczoną pomiarowo przez tenże współczynnik.

W dławiku sytuacja jest odmienna. Przy podaniu napięcia znamionowego obserwujemy przepływ pełnego prądu kompensacyjnego a obserwowane straty pochodzą równocześnie i od przepływającego prądu, jak i od strumienia przenikającego rdzeń, a ich dokładne rozgraniczenie jest niemożliwe. Można jedynie wyznaczyć straty obciążeniowe podstawowe wynikające z rezystancji wyznaczanej przy prądzie stałym. Zgodnie z normą dotyczącą dławików straty te należy przeliczyć do temperatury referencyjnej, w taki sposób, że straty podstawowe mnożone są przez temperaturowy współczynnik rezystancji, natomiast pozostałe składniki strat, a więc straty w rdzeniu oraz straty wiroprądowe w uzwojeniu są pozostawiane w wartości wyznaczonej pomiarowo [3].

W przypadku dławików z uzwojeniami potrzeb własnych zaproponowano metodykę wyznaczania i specyfikowania strat łączącą obie powyższe metody. Dla stanu pracy kompensacyjnej wyznaczamy składnik reprezentujący straty podstawowe w uzwojeniu i przeliczamy go zgodnie z wymaganiami normy dla dławików [3].

P_kcm = I_c²R_GN                             (5)

P_o = P_cm – P_kcm                          (6)

P_kcn = P_kcm · k_t                           (7)

P_c = P_o + P_kcn                           (8)

gdzie

I_c – wartość prądu kompensacyjnego

R_GN – rezystancja uzwojenia GN (przy temperaturze otoczenia)

P_cm – zmierzone straty kompensacyjne (przy temperaturze otoczenia)

k_t – współczynnik temperaturowy rezystancji

Przy wyznaczaniu strat obciążeniowych związanych z przepływem prądu od potrzeb własnych w pełni możemy wykorzystać sposób podany w podstawowej normie transformatorowej [2] określając straty podstawowe oraz straty dodatkowe i odpowiednio je przeliczyć do temperatury referencyjnej.

P_kp = I_DN²R_DN + I_GN²R_GN             (9)

P_kd = P_km – P_kp                           (10)

P_kn = P_kp · k_t + P_kd / k_t                (11)

W stanie pracy łącznej całkowitą wielkość strat wyznaczamy (14) jako sumę podstawowych strat obciążeniowych przy prądzie potrzeb własnych po stronie uzwojenia dolnego napięcia oraz sumarycznym prądzie od potrzeb własnych i kompensacyjnym po stronie górnego napięcia (12), strat dodatkowych odpowiadających sumarycznemu prądowi potrzeb własnych i pracy kompensacyjnej (13) oraz strat kompensacyjnych jałowych (6).

P_kpt = I_DN²R_DN + (I_GN+I_C)²R_GN                 (12)

P_kdt = P_kd ((I_GN+I_C) / I_GN)²                      (13)

P_tn = P_kpt + P_kdt  + P_o                             (14)

Wybór odpowiedniej wersji dławika podyktowany jest warunkami lokalizacyjnymi, wliczając w to przepisy przeciwpożarowe, przepisy ochrony środowiska, dostępną powierzchnię i narażenie na warunki atmosferyczne i klimatyczne. Wybór wersji powinien być poprzedzony odpowiednim rachunkiem ekonomicznym, uwzględniającym oprócz kosztu zakupu dławika również planowane koszty użytkowania oraz dodatkowe koszty infrastruktury. Ważnym aspektem wpływającym na wybór wersji jest także przewidywany reżim pracy, w tym sposób sterowania i reagowania na niestandardowe warunki pracy. W przypadku instalacji wnętrzowych można stosować zarówno wykonanie suche, jak i olejowe. W przypadku instalacji napowietrznych konieczny jest wybór wersji olejowej. Wersje olejowe jednak wymagają dodatkowej ochrony przeciwpożarowej i środowiskowej, co również wiąże się z adekwatnymi nakładami  inwestycyjnymi.

Konstrukcja hermetyczna transformatora lub też dławika jest w zasadzie bezobsługowa. Olej całkowicie wypełnia zamkniętą szczelnie kadź a jego zmiany objętości związane z temperaturą kompensowane są elastycznością ścianek falistych. W przypadku większych dławików bardzo często stosowane są zintegrowane zabezpieczenia reagujące na temperaturę, poziom oleju, generowanie się gazów oraz ciśnienie oleju, które standardowo posiadają zestyki pozwalające na monitorowanie pracy dławika w sposób zdalny i co najważniejsze w sposób niezwłoczny. Dławiki takie można montować zarówno w stacjach wnętrzowych, jak i napowietrznych, a ich kompaktowa budowa pozwala na instalowanie w ograniczonej przestrzeni. Przykład wyposażenia dławika w wersji hermetycznej przedstawiono na fotografii Fot.1.

W wielu wypadkach dławiki są wykonywane z konserwatorem i z przekaźnikiem Buchholza. Ma to na celu wykorzystanie istniejących lub standardowo stosowanych układów zabezpieczeń w oparciu o taki właśnie przekaźnik. Aby ograniczyć negatywny wpływ kontaktu atmosfery z olejem dławiki są wyposażane w odwilżacze. Niemniej należy regularnie sprawdzać stan odwilżacza oraz parametry oleju. Z uwagi na lokalizację wersje z konserwatorem nadają się do instalacji zewnętrznych i wewnętrznych. Wymagają jednak większej przestrzeni niż analogiczne dławiki hermetyczne.

Wersje suche mogą być stosowane w lokalizacjach o bardziej restrykcyjnych wymaganiach środowiskowych i przeciwpożarowych. Są także w najwyższym stopniu bezobsługowe. Wymagają jednak instalacji wnętrzowych. Standardowo stosuje się w nich dwustopniowe zabezpieczenia temperaturowe chroniące urządzenie przed przegrzaniem.

Szczególnym przypadkiem dławika z uzwojeniem potrzeb własnych jest dławik, którego uzwojenie po stronie średniego napięcia jest skojarzone w zygzak.  Uzwojenie takie umożliwia również kompensację prądu składowej zerowej po stronie średniego napięcia. W tym przypadku dławik charakteryzował się następującymi parametrami:

Napięcie znamionowe              – 15750 V

Moc kompensacyjna                 – 100 kVAr

Moc potrzeb własnych             – 100 kVA

Napięcie zwarcia                      – 4.5%

Moc kompensacyjna składowej 0 – 160 kVA

Prąd składowej 0                      – 18 A

Impedancja dla składowej 0      – 31.0 Ω/fazę

Grupa połączeń                        – ZNyn11

Straty kompensacyjne              – 1064 W

Straty potrzeb własnych           – 1043 W

Straty całkowite                       – 2697 W

Sposobem regulacji indukcyjności dławika może być regulacja zaczepowa. Można ją zrealizować z wykorzystaniem bądź to przełącznika beznapięciowego, bądź też przełącznika podobciążeniowego. W obu tych przypadkach regulacja jest skokowa, przy czym, przy odpowiedniej liczbie zaczepów możliwe jest wykonanie regulacji dość głębokiej – od mocy znamionowej do ½ lub ⅓ tej wartości. W przypadku przełącznika podobciążeniowego regulacja może być stosunkowo szybka natomiast koszt dławika i jego gabaryty oraz masa są znacznie powiększone. W przypadku przełącznika beznapięciowego do zmiany indukcyjności wymagane jest wyłączenia dławika spod napięcia. To praktycznie uniemożliwia zastosowanie tego typu dławików do sieci, w których zachodzą dynamiczne zmiany charakteru obciążenia.

Opisywane wersje dławików z uzwojeniami potrzeb własnych pozwalają poprzez zmianę charakteru obwodu przyłączonego do uzwojenia potrzeb własnych regulację indukcyjności. Połączenie funkcji dławika i transformatora potrzeb własnych pozwala na zainstalowanie go w stacjach, w miejsce transformatora potrzeb własnych, bez konieczności rozbudowy stacji.

Również koncepcja połączenia funkcji dławika regulowanego, transformatora potrzeb własnych oraz transformatora uziemiającego pozwoli na efektywniejsze zarządzanie stacjami w których przewidywany jest punkt uziemiający sieci średniego napięcia.

[1] Eugeniusz Jezierski: “Transformatory”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1983

[2] PN-EN 50588-1, „Transformatory średniej mocy 50 Hz, o najwyższym napięciu urządzenia nieprzekraczającym 36 kV — Część 1: Wymagania ogólne”, PKN, 04 2016.

[3] PN-EN 60076-6:2008, “Transformatory — Część 6: Dławiki”. PKN, 10.2008.

[4] https://pl.wikipedia.org/wiki/Temperaturowy_współczynnik_rezystancji (dostęp 2021-02-04)

Autorzy

Dr inż. Jacek Dziura – Dyrektor do spraw badań i rozwoju firmy TRAFTA Sp.z o.o. Myszków, ul,1.Maja 152.
Treść artykułu w pierwotnym brzmieniu prezentowana była na konferencji PEMINE 2018 oraz w czasopiśmie Napędy i Sterowanie