Najnowsza konstrukcja dławików zwarciowych i wygładzających

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

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]

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.

Fot.1 Przykład dławika TDSAZ 1000/6 wykonanego z płaskownika

Dławiki zwarciowe wykonane w wersji płaskownikowej są nową konstrukcją, dla której nie wszystkie aspekty elektromagnetyczne są opisane odpowiednio dokładnym modelem. Brak rdzenia magnetycznego powoduje, że poszczególne zwoje dławika są w różny sposób przenikane przez strumień magnetyczny a to z kolei sprawia, że straty dodatkowe przybierają różne wartości w każdym ze zwojów. Jest to aspekt o tyle istotny dla poprawnego funkcjonowania dławika, że z uwagi na dość duże wymiary zarówno osiowe jak i promieniowe płaskownika tworzącego zwoje, straty dodatkowe mogą przyjmować znacząco wysokie wartości i zjawiska tego w żadnym wypadku nie można pominąć. Również aspekty odprowadzania ciepła wymagają specyficznego modelu cieplnego, gdyż największe części powierzchni chłodzącej dostępnej dla wymiany konwekcyjnej to powierzchnie poziome, które dodatkowo są osłonięte sąsiednimi zwojami. To sprawia, że chłodzenie dławika istotnie zależy od wymiaru promieniowego płaskownika oraz od odległości pomiędzy zwojami. Aby móc lepiej zamodelować zjawiska zarówno elektromagnetyczne, jak i cieplne zostały wykonane próby nagrzewania dla różnych wymiarów płaskownika, jak i różnych odległości pomiędzy zwojami. Badania takie wykonano zarówno dla miedzi, jak i aluminium oraz dla powierzchni metalicznych i malowanych. W trakcie próby dławiki musiały być zasilone odpowiednio wysokim prądem. Z uwagi na fakt, że stanowiły one odbiór głównie indukcyjny, to odpowiednią wartość prądu zapewniono poprzez zainstalowaną regulowaną baterię kondensatorów a z regulatora pozyskiwano jedynie moc czynną związaną z koniecznością pokrycia strat dławików. Schemat układu pomiarowego próby nagrzewania przy prądach 3000 A  – 4500 A w układzie 1-fazowym przedstawiono na rysunku Rys.1.

Rys.1 Schemat układu pomiarowego
Przeprowadzone próby nagrzewania potwierdziły poprawność konstrukcji. Analizując obrazy termowizyjne stwierdzono dość równomierne nagrzewanie się uzwojeń zarówno na wysokości cewki jak i na całej szerokości płaskownika. Nie stwierdzono także żadnych krytycznych punktów nadmiernego nagrzewania się uzwojeń (Fot.2).

Fot.2. Obraz termowizyjny dławika TDSAZ 2700/6 w wersji aluminiowej

Potwierdzono także dość równomierny rozpływ prądów w przypadku wykonania uzwojeń z kilku gałęzi równoległych. W trakcie jednego z doświadczalnych nagrzewań dławika TDSZ 5000/6 prądem 4500 A przyrosty temperatur poszczególnych 3 gałęzi równoległych zwoju środkowego wynosiły w stanie quasi-ustalonym odpowiednio 106 K, 100 K i  97 K. Stan quasi-ustalony należy rozumieć jako stan nagrzania dławika, natomiast nie były spełnione kryteria stanu ustalonego według normy [3]. W trakcie prób stwierdzono silną zależność przyrostów temperatur od lokalnego ruchu powietrza wokół dławika, co sprawiało kłopoty przy uzyskaniu stanu ustalonego. Natomiast z drugiej strony stwarza to możliwości bardzo skutecznego i szybkiego wychłodzenia dławika nawet stosunkowo lekkim poprzecznym przepływie powietrza. Należy zaznaczyć też, że stała czasowa tego typu dławika jest mała. Dla dławika o prądzie znamionowym 5000 A wynosiła ona około 30 minut, co pozwoliło na uzyskanie stanu ustalonego już od początku 3 godziny próby. Przebiegi zarejestrowanych temperatur w trakcie nadzorowanej próby nagrzewania [5] przedstawia Rys.2.

Rys.2 Zarejestrowane temperatury dławika TDSZ 5000/6

Podczas próby tej wyznaczony przyrost temperatury uzwojeń metodą rezystancyjną przy prądzie 4500 A wyniósł 92 K, a przyrost przeliczony do wartości prądu 5000 A wyniósł 109 K. Dla dławika wykonanego w klasie izolacji H są to wartości bezpieczne w stosunku do dopuszczalnej granicy 125 K.

Fot.3. Stanowisko pomiarowe w trakcie próby nagrzewania cewki dławika w firmie TRAFTA Sp.z o.o. Myszków 

Badane dławiki zwarciowe wykonane były dla sieci o napięciu 6000 V do 6300 V. Adekwatny dla takich napięć znamionowych  poziom  napięć probierczych to LI 60 AC 20. Jak wspomniano wcześniej izolację zwojową stanowi odpowiedni dystans pomiędzy poszczególnymi zwojami zapewniony przez odpowiednio rozmieszczone wstawki z płyty szkło-epoksydowej. Dla typowych  napięć zwarcia takich dławików wynoszących od kilku do kilkunastu procent oraz o liczbie zwojów od kilkunastu do kilkudziesięciu napięcia zwojowe pozostają poniżej 100  V przy pracy znamionowej oraz poniżej 500 V w stanie zwarcia bezpośrednio za dławikiem. Przeprowadzone próby w laboratorium firmy EthosEnergy S.A. w Lublińcu potwierdziły, że dławik wytrzymuje próbę LI 60. Na fotografii Fot.4. przedstawiono dławik na stanowisku pomiarowym. Wykonane dodatkowe próby konstruktorskie dławika TDSAZ 1000/6 dały wynik pozytywny przy próbie LI 150. Jest to potwierdzenie, że taka konstrukcja może być z powodzeniem stosowana w sieciach o wyższym napięciu znamionowym, przy zachowaniu takich samych odległości między zwojowych.

Fot.4. Dławik TDSAZ 1000/6 na stanowisku pomiarowym udarowych prób napięciowych w firmie EthosEnergy Poland S.A. Lubliniec

Jednorodność materiału, z którego nawinięte jest uzwojenie oraz prosta i zwarta konstrukcja mechaniczna sprawiają, że dławiki o takiej konstrukcji są dość ciche. Ciśnienie akustyczne mierzone w odległości 1 m od badanej cewki dławika przy prądzie 4500 A wynosiło około 60 dB(A). Jest to niższa wartość niż dla dławika o uzwojeniu wykonanym z równoległych przewodów profilowych, która przy takich wartościach prądu jest zwykle o 10 dB wyższa.

Na przełomie roku 2019 i 2020 wprowadzone zostały modyfikacje układu mechanicznego. Zostały wprowadzone przekładki formowane z tworzywa w klasie ciepłoodporności H w miejsce przekładek wycinanych z płyty szkło-epoksydowej. Odpowiednią wytrzymałość samych przekładek, jak i pozostałych elementów mocujących, potwierdzono próbami wytrzymałościowymi we własnym zakresie oraz potwierdzono poprzez wykonanie dynamicznej próby zwarciowej w Instytucie Energetyki [8]. Wykonanie tej próby, oprócz formalnego potwierdzenia poprawności konstrukcji, miały też na celu weryfikację formuł obliczeniowych wytrzymałości mechanicznej. W ramach próby eksperymentalnie zmieniano rozstaw przekładek i podczas próby udarowej sprawdzano, w którym momencie zaczynają pojawiać się deformacje mechaniczne w torze prądowym. Obserwacje te pozwoliły na określenie granicznych parametrów wytrzymałościowych w obecnie stosowanych formułach.

W przypadku dławików wygładzających serii TDSK w nowej wersji opracowanej przez firmę TRAFTA Sp. z o.o. zastosowano również tor prądowy wykonany z płaskownika. Dławiki takie przeznaczone są do włączenia w obwód prostownika 12-pulsowego. W rezultacie w obwodzie zwiększona zostaje wypadkowa impedancja toru prądowego pomiędzy połówkami prostownika, dzięki czemu dochodzi do obniżenia wartości prądów komutacyjnych. Ze względu na wymogi specyfikacji materiałem czynnym była miedź. Posiada on konstrukcję 1-fazową i charakteryzuje się następującymi parametrami:

• Napięcie znamionowe – 3300 V
• Prąd zwarciowy – do 1700 A
• Indukcyjność – do 4 mH
• Rodzaj pracy – ciągła
• Napięcie probiercze izolacji – 18.5 kV

Fot.6. Tor prądowy dławika TDSK

Dławik wygładzający serii TDSK  o prądzie znamionowym 1700 A i indukcyjności 4 mH przeszedł pomyślne próby typu przeprowadzone przez Instytut Elektrotechniki [6,7]

Fot.7. Dławik TDSK 1700/3.3 w trakcie prób typu

Do chwili obecnej TRAFTA wykonała i zainstalowała kilkanaście dławików tej konstrukcji wykonanych zarówno z aluminium, jak i z miedzi. Zakres prądów długotrwałych wynosił od 300 A do 5000 A. Przykładowe konstrukcje pokazano w tabeli Tab 1.

Tabela 1. Przykładowe realizacje dławików ograniczających i wygładzających

Nowatorska konstrukcja toru prądowego dławików zwarciowych i wygładzających wykonanych z aluminiowego lub miedzianego płaskownika pozwoliła na uzyskanie bardzo zwartej konstrukcji umożliwiającą bardzo wysoką wytrzymałość napięciową przy zredukowanej ilości materiałów izolacyjnych. Konstrukcja dławika umożliwia jego skuteczne i szybkie chłodzenie, co daje możliwość długiej i bezawaryjnej eksploatacji a obniżony hałas podnosi komfort eksploatacji. Konstrukcja dławików zwarciowych została odpowiednio przebadana i może być stosowana w sieciach średniego napięcia, gdzie zachodzi konieczność ograniczania mocy zwarciowej, a konstrukcja dławików wygładzających przeszła kompleksowe badania typu w Instytucie Elektrotechniki i otrzymała stosowny certyfikat.

[1] PN-EN 60076-6:2008; Transformatory. Cześć 6: Dławiki

[2] PN-EN 60076-11:2006; Transformatory. Cześć 11: Transformatory suche

[3] PN-EN 60076-2:2011; Transformatory. Cześć 2: Przyrosty temperatury

[4] S.Wiśniewski, T.S.Wiśniewski; Wymiana ciepła. Wyd.WNT. Wydanie 6.

[5] Protokół z próby nagrzewania uzwojenia dławika zwarciowego typu TDSZ 5000/6 nr fabryczny 001227. Myszków, Styczeń 2017

[6] Sprawozdanie z badań  nr 029/18/NZL/NBR/NN dławika wygładzającego TDSK 1700/3.3. Warszawa, 16.03.2018

[7] Certyfikat Zgodności  nr DN319/2018 dławika wygładzającego TDSK 1700/3.3. Warszawa, 04.12.2018

[8] Raport z Badań nr EUR/40/E/19-1 dławika przeciwzwarciowego TDSAZ 1000/6. Warszawa, 02.12.2019