Bez kategorii

Ślady przegrzań w górnej strefie

Remonty transformatorów z izolacją Nomex®

Remonty transformatorów z izolacją Nomex®

Jacek Dziura

Streszczenie:

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®

Wprowadzenie

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.

Charakterystyczne cechy konstrukcyjne rozwiązania pierwotnego

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.

Fot.1. Ślady przegrzań w górnej strefie części aktywnej

Fot.2 a, b, c Ślady wyładowań w obrębie części aktywnej

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).

Prace modernizacyjne w obrębie części aktywnej

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.

Wnioski

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.

Literatura

Protokoły z badań transformatorów

Dokumentacja wewnętrzna Firmy TRAFTA Sp. z o.o.


torprądowy dławika TDSK

Najnowsza konstrukcja dławików zwarciowych i wygładzających

Najnowsza konstrukcja dławików zwarciowych i wygładzających

Jacek Dziura

Streszczenie:

Dławiki zwarciowe mają zastosowanie przy ograniczaniu mocy zwarciowej systemu elektroenergetycznego. Artykuł opisuje jedną z wersji konstrukcyjnych, wykonaną z miedzianego bądź aluminiowego płaskownika. Konstrukcja taka została zaprezentowana w Polsce w 2015 roku. W artykule przedstawione zostały aspekty konstrukcyjne, doświadczenia produkcyjne oraz wyniki prób i badań tej wersji dławików. Artykuł ten w pierwotnej wersji był przedstawiany na konferencji „Transformatory w eksploatacji 2017”. Aktualna wersja rozszerzona jest kolejne doświadczenia produkcyjno-eksploatacyjne z lat 2018 – 2020 oraz o  dławiki wygładzające wykonane w tej samej technologii.

Słowa kluczowe: dławiki,  dławiki przeciwzwarciowe, dławiki ograniczające, dławiki wygładzające, moc zwarciowa, prąd zwarciowy, ograniczanie prądu zwarciowego, sieci elektryczne średnich napięć

Keywords: reactors, current limiting reactors,  smoothing reactors, short circuit power, short circuit current, short circuit current reduction, middle voltage electrical networks

Wprowadzenie

Dławiki zwarciowe są elementem mającym zastosowanie przy ograniczaniu mocy zwarciowej systemu elektroenergetycznego. Bardzo często stosowane są w systemach energetycznych zakładów przemysłowych (sieci lokalne) przyłączonych do sieci krajowej w miejscach, gdzie moc zwarciowa sieci krajowej jest bardzo wysoka. Ograniczenie mocy zwarciowej w sieci lokalnej pozwala na stosowanie aparatów elektrycznych o mniejszych prądach zwarciowych, a tym samym tańszych. Dławik zwarciowy musi pozwolić na przepływ prądu związanego ze znamionowym poborem mocy przez sieć lokalną w sposób długotrwały, przy czym nie powinien powodować nadmiernego obniżenia napięcia w sieci lokalnej. W stanach awaryjnych sieci lokalnej trwających określony czas do zakładanego wyłączenia dławik musi bezawaryjnie wytrzymać zjawiska dynamiczne związane z przepływem prądu udarowego zwarciowego w początkowym momencie zwarcia oraz ustalonego prądu zwarciowego skutkującego głównie nagrzewaniem się dławika. W artykule tym opisano jedną z wersji konstrukcyjnych, wykonaną z miedzianego bądź aluminiowego płaskownika. Typowy zakres prądów długotrwałych opisywanych dławików wynosi od 1000 A do 5000 A przy napięciach znamionowych systemu 6 kV, chociaż ich praca w systemach o wyższym napięciu znamionowym też jest możliwa przy zachowaniu odpowiednich dla nich odległości izolacyjnych. Standardowe wymagania dotyczące cech i parametrów konstrukcyjnych , jak również badań, którym podlegają dławiki opisuje część 6. normy PN-EN 60076 [1]

Charakterystyczne cechy konstrukcyjne

Dławiki zwarciowe mogą być wykonane z odpowiednio izolowanych przewodów profilowych. Mogą też być wykonane z taśmy miedzianej lub aluminiowej. W omawianej konstrukcji materiałem nawojowym jest płaskownik aluminiowy lub miedziany. Istotną cechą tego wykonania jest jego tor prądowy. Jest on nawinięty „na kant” bez dodatkowych elementów łączących. Z uwagi na wartości prądu długotrwałego mogą być stosowane gałęzie  równoległe. Praktycznie zostały sprawdzone konstrukcje posiadające 2 lub 3 gałęzie równoległe z powodzeniem pozwalające na przepływ prądów rzędu 5000 A dla uzwojeń miedzianych lub około 4000 A dla przewodów aluminiowych. Elementy konstrukcyjno-izolacyjne standardowo wykonane są z materiału o klasie ciepłoodporności H, co sprawia, że dopuszczalne przyrosty temperatury uzwojenia wynoszą 125 K [2]; mogą też być stosowane materiały o wyższej klasie do 220ºC dające możliwość wykonania dławika o mniejszych wymiarach, lecz o wyższej temperaturze roboczej [2]. Tor prądowy impregnowany jest lakierem elektroizolacyjnym dla podwyższenia współczynnika emisji ciepła. Współczynniki emisji ciepła dla gładkiej polerowanej powierzchni metalowej są rzędu 0,02 dla miedzi oraz 0,04 – 0,06 dla aluminium. Pokrycie materiału warstwą lakieru może podnieść ten współczynnik nawet do wartości 0,9 – 0,95 [4].  Jego zastosowanie z punktu widzenia izolacji nie jest konieczne, gdyż zasadniczą izolacją dławika jest izolacja powietrzna oraz wstawki szkło-epoksydowe zapewniające równomierne rozłożenie zwojów. Jest to istotne dla ograniczenia strat dodatkowych oraz zapewnienia odpowiedniego chłodzenia toru prądowego. Konstrukcja mechaniczna w odpowiedni sposób umożliwia skompensowanie zmian wymiarów uzwojenia dławika związanych z rozszerzalnością cieplną materiału dla wyeliminowania naprężeń mechanicznych z tym zjawiskiem związanych. Wygląd ogólny takiego dławika o prądzie długotrwałym 1000 A przedstawia zdjęcie Fot.1.
Dławik TDSAZ
Fot.1 Przykład dławika TDSAZ 1000/6 wykonanego z płaskownika Więcej Info


NOWOCZESNE WARIANTY DŁAWIKÓW KOMPENSACYJNYCH W SIECIACH ŚREDNICH NAPIĘĆ

NOWOCZESNE WARIANTY DŁAWIKÓW KOMPENSACYJNYCH W SIECIACH ŚREDNICH NAPIĘĆ

MODERN VARIANTS OF SHUNT REACTORS IN MIDDLE VOLTAGE NETWORKS

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.

2. Właściwości eksploatacyjne dławików z uzwojeniami potrzeb własnych

2.1 Wyznaczanie prądów zwarcia

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.

Przedstawienie schematyczne dławika z uzwojeniem potrzeb własnych

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 RT, XT, ZT wyznaczane są na podstawie napięcia zwarcia wyznaczanego dla potrzeb własnych, a parametry poprzeczne XD, RD, wyznaczane są z mocy kompensacyjnej dławika oraz ze strat kompensacyjnych (bez potrzeb własnych) i można wykorzystać załączone poniżej formuły:

Schemat zastępczy dławika z uzwojeniem potrzeb własnych

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.

2.1 Metodyka wyznaczania strat

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.

Schemat zastępczy transformatora

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.

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

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.

2.1 Przekładnia i zmienność napięcia

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].

 

Pkcm = Ic2RGN                             (5)

 

Po = PcmPkcm                          (6)

 

Pkcn = Pkcm · kt                           (7)

 

Pc = Po + Pkcn                           (8)

 

gdzie

Ic – wartość prądu kompensacyjnego

RGN – rezystancja uzwojenia GN (przy temperaturze otoczenia)

Pcm – zmierzone straty kompensacyjne (przy temperaturze otoczenia)

kt – 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.

 

Pkp = IDN2RDN + IGN2RGN             (9)

 

Pkd = PkmPkp                           (10)

 

Pkn = Pkp · kt + Pkd / kt                (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).

 

Pkpt = IDN2RDN + (IGN+IC)2RGN                 (12)

 

Pkdt = Pkd ((IGN+IC) / IGN)2                      (13)

 

Ptn = Pkpt + Pkdt  + Po                             (14)

3. Rodzaje wykonań dławików z uzwojeniami potrzeb własnych

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.

3.1 Wersje hermetyczne

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.

Przykładowe wyposażenie dławika w wersji hermetycznej 

3.2 Wersje z konserwatorem

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.

3.3 Wersje suche (żywiczne)

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.

4. Szczególne wersje dławika z uzwojeniem potrzeb własnych

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

5. Inne wersje dławików kompensacyjnych

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.

6. Wnioski

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.

7. Literatura

[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


Targi Energetab 2017

Serdecznie zapraszamy na nasze stoisko plener L1 stoisko 12 podczas Targów ENERGETAB 2017 w dniach 12-14 Września


Firma Trafta Sp. z o. o. otrzymała nowy certyfikat ISO 14001:2015

Jest nam miło poinformować, że firma Trafta Sp. z o. o. otrzymała certyfikat zarządzania środowiskowego wg normy  ISO 14001: 2015. Certyfikat potwierdza dbałość spółki o politykę dotyczącą ochrony środowiska oraz użytkowania zasobów naturalnych


Seminarium naukowo-techniczne

W dniach 16-17.03.2017r firma TRAFTA była współorganizatorem seminarium naukowo-techniczne dotyczące „Kompensacji mocy biernej pojemnościowej, indukcyjnej oraz  kompensacja pojemnościowych prądów ziemnozwarciowych w sieciach elektroenergetycznych ”.


Gazele Biznesu 2014

Firma Trafta Sp. z o.o. dołączyła do grona Gazel Biznesu czyli najdynamiczniej rozwijających się małych i średnich firm, które dzięki niezwykle dynamicznemu rozwojowi doskonale dają sobie radę wśród nawet znacznie większych konkurentów.


Transformatory suche w technologii próżniowej

Firma Trafta Sp. z o.o. zakończyła właśnie wdrożenie nowej linii technologicznej do produkcji transformatorów suchych żywicznych w technologii próżniowej. Aby uzyskać informację o produktach https://trafta.pl/pl/transformatory-zywiczne-w-technologii-prozniowej/


Targi Energetab 2013

Serdecznie zapraszamy do odwiedzenia naszego stoiska nr 14 w plenerze L1 podczas Międzynarodowych Energetycznych Targów Bielskich ENERGETAB 2013, które odbędą się w dniach 17-19 wrzesień 2013r w Bielsku Białej.