Wykonanie specjalne transformatorów i dławików żywicznych

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.