Transformatory energetyczne

Transformator olejowy; Moc: 25 - 1600 kVA, Napięcie: 6,3 - 33 kV

Transformator mocy, olejowy, dwuuzwojeniowy [8]

Transformator suchy żywiczny, dwuuzwojeniowy [8]

1 - zaciski uzwojenia GN; 2 - zaciski uzwojenia DN; 3 - układ

kontroli temperatury; 4 - tabliczka znamionowa i schematowa;

5 - zacisk ochronny; 6 - zaczepy regulacyjne; 7 - obudowa;

8 - trzymacz kabla.

Przy doborze transformatorów należy uwzględnić jego następujące parametry techniczne:

• typ i rodzaj wykonania;

• grupę połączeń;

• przekładnię i sposób regulacji przekładni;

• wytrzymałość dynamiczną i cieplną;

• napięcie zwarcia;

• rodzaj chłodzenia.

Typ i rodzaj wykonania.

Transformatory budowane są w wykonaniu wnętrzowym lub napowietrznym, natomiast ich moce są znormalizowane w zakresie od 0,03 kVA do 63 000 kVA. Transformatory trójfazowe są wykonywane jako jednokadziowe lub w postaci grupy trzech jednostek jednofazowych. W zakresie średnich napięć stosuje się transformatory trójfazowe jednokadziowe. Jedynie transformatory na najwyższe napięcia budowano w postaci grupy trzech jednostek jednofazowych. Obecnie w stacjach elektroenergetycznych wysokich i najwyższych napięć transformatory zostały wyparte przez autotransformatory.

Grupa połączeń.

Transformatory w stacjach elektroenergetycznych mają na ogół uzwojenie w układzie trójkąt-gwiazda (Dy), gwiazda-trójkąt (Yd), gwiazda-zygzak (Yz) lub gwiazda-gwiazda (Yy).

Układ (Dy) stosuje się dla transformatorów o napięciu wtórnym niskim pracujących w sieci z uziemionym punktem zerowym, w których dopuszczalna jest znaczna asymetria obciążeń, dochodząca nawet do 100% - czyli w sieciach przemysłowych.

Układ (Yd) stosuje się w sieciach przemysłowych o wysokim napięciu wtórnym i znacznej asymetrii obciążeń, dochodzącej do 100%.

Układ (Yz) stosuje się w sieciach miejskich o wysokim napięciu wtórnym i dopuszczalnej asymetrii obciążeń.

Układ (Yy) stosowany jest w jednostkach wszystkich napięć. Transformatory w takim wykonaniu są najtańsze, nie są jednak dostosowane do asymetrii obciążeń.

Tablica 1 Zalecane układy połączeń transformatorów energetycznych [4]

Rodzaj transformatora	Grupa połączeń
Dwuuzwojeniowe do 250 kVA Dwuuzwojeniowe od 315 do 500 kVA Dwuuzwojeniowe od 630 do 1600 kVA Dwuuzwojeniowe od 2 do 40 MVA Trójuzwojeniowe od 10/6,3 do 40/40/40 MVA	Yy0, Yz5 Dy0, Yy0 Dy5, Yy0, Yd5 Yy0 Yd11 Yy0/d11, Yd11/d11

Przekładnia i sposób regulacji przekładni.

Regulację napięcia w sieci można przeprowadzić poprzez:

• zmianę przekładni bez obciążenia;

• zmianę przekładni pod obciążeniem;

• za pomocą autotransformatora dodawczego.

Napięcie zwarcia.

Napięcie zwarcia U_z jest to napięcie przyłożone do strony pierwotnej transformatora przy zwarciu strony wtórnej, gdy w uzwojeniu wtórnym płynie prąd znamionowy transformatora. Napięcia zwarcia transformatorów są znormalizowane. Niekiedy zakłady energetyczne wymagają transformatorów o podwyższonym napięciu zwarcia. Możliwe jest wtedy wykonanie tego typu transformatorów, których zadaniem jest ograniczanie prądów zwarciowych, np. w elektrowniach z generatorami dużej mocy.

Tablica 2. Napięcia zwarcia transformatorów krajowych [4]

Moc znamionowa Transformatora [MVA]	Napięcie górne [kV]
		20	30	40	60	110
do 1,6 2-3,31 4-10 12,5 6,3-12,5 16-31,5	4,5 6 7 8	6-6,6 7-7,7 8 8-8,5	8-8,8	8 9 9-9,5	10,5-11

Rodzaj chłodzenia.

Straty energii występujące w transformatorach wynoszą zwykle około 1÷2% energii transformowanej. Straty te powodują wytwarzanie ciepła, które musi być odprowadzone do otoczenia, aby temperatura uzwojeń i innych elementów transformatora nie przekroczyła temperatury granicznej dopuszczalnej długotrwałej.

Sposoby chłodzenia transformatorów oznacza się następująco literami:

O - olej mineralny;

L - olej syntetyczny niepalny;

A - powietrze;

W - woda;

N - ruch naturalny;

F - ruch wzmożony.

Chłodzenie powietrzem z naturalnym obiegiem oleju (AN-ON) stosowane jest w większości transformatorów energetycznych małej i średniej mocy. Ten typ chłodzenia polega na tym iż kadź jest chłodzona powietrzem, a uzwojenie olejem mineralnym.

W transformatorach wnętrzowych o mocy do 10 MVA i napowietrznych do 20 MVA, stosowane jest chłodzenie powietrzne wzmożone naturalnym obiegiem oleju (AF-ON). Realizowane jest za pomocą wentylatorów rozmieszczonych równomiernie wokół kadzi transformatora.

Chłodzenie ze wzmożonym obiegiem oleju i powietrza (AF-OF) stosuje się w bardzo dużych transformatorach, głównie napowietrznych (powyżej 20 MVA). Olej wówczas krąży w obiegu zamkniętym, pomiędzy kadzią transformatora a chłodnicą wyposażoną w wentylatory powietrzne.

Chłodzenie wodne (WF-OF) stosuje się głównie w dużych transformatorach wnętrzowych (powyżej 10 MVA). W tego typu chłodzeniu olej przepływa w obiegu zamkniętym pomiędzy kadzią transformatora a chłodnicą chłodzoną wodą.

Przykłady rozwiązań wentylacji naturalnej komór transformatorowych [1]:

1. z transformatorem olejowym, b) z transformatorem suchym

1,2 - otwory wlotowe i wylotowe powietrza, 3 - rampa transportowa, 4 - rura do urządzeń pompujących, 5 - rura ochronna kabli

Pod transformatorem wykonany jest dół ściekowy, którego zadaniem jest pomieścić zawartość oleju w razie awarii transformatora. Dół wypełniony jest tłuczniem, którego zadaniem jest ewentualne gaszenie palącego się oleju.

Układy szynowe

Podczas projektowania stacji transformatorowych i rozdzielnic średniego napięcia, przeznaczonych do zainstalowania w warunkach, w których występują różne ograniczenia architektoniczne i środowiskowe, dokonuje się doboru szyn zbiorczych tych rozdzielnic. Wymaga to m.in. nie tylko wyznaczenia spodziewanych sił oraz naprężeń w szynach zbiorczych oraz izolatorach wsporczych i przepustowych szyn w czasie przepływu prądu zwarciowego, lecz także takiego doboru tych elementów, aby występujące naprężenia nie przekroczyły wartości granicznych dopuszczalnych dla tych elementów rozdzielnicy.

W stacjach napowietrznych szyny zbiorcze wykonuje się najczęściej w ten sam sposób co przewody linii napowietrznych i nazywa się je szynami giętkimi.

W stacjach wnętrzowych najczęściej stosowanymi szynami są konstrukcje okrągłe, rurowe, ceownikowe składające się z jednego lub dwóch ceowników na fazę oraz płaskie.

Sprawdzanie szyn sztywnych na dynamiczne działanie prądu zwarciowego polega na wyznaczaniu naprężeń mechanicznych w szynach, które występują w przypadku przepływu przez nie prądów zwarciowych i porównaniu tych naprężeń z naprężeniami granicznymi dopuszczalnymi σ_dop.

Całkowite naprężenie gnące σ_tot pojedynczego przewodu lub przewodów utworzonych z kilku kształtowników (przewodów składowych) jest sumą naprężeń wywołanych zarówno oddziaływaniem prądów różnych faz (σ_m), jak i prądów płynących w poszczególnych przewodach składowych tej samej fazy (σ_s).

Poszczególne naprężenia (wyrażane w N/mm²) oblicza się ze wzorów

w których

gdzie: V_σ , V_σs - współczynniki uwzględniające dynamiczny charakter zjawiska (rys.1); V_r - współczynnik określony ilorazem naprężenia lub siły w przypadku nieudanego trójfazowego samoczynnego powtórnego załączania (SPZ) i naprężenia lub siły bez SPZ; β - współczynnik zależny od sposobu zamocowania przewodu; i_{p -} prąd udarowy przy zwarciu trójfazowym; l - odległość między podporami; a - odległość między osiami przewodów; a_s - obliczeniowa odległość między osiami przewodów składowych; n - liczba przewodów składowych w przewodzie fazowym; l_s - odległość między przekładkami; k_1s - współczynniki; Z - wskaźnik wytrzymałości przewodu fazowego, równy sumie wskaźników wytrzymałości przewodów składowych Z_s.

Rys.1. Zależność współczynników[1]:

1. V_F, V_σ, V_σs od ilorazu częstotliwości drgań własnych układu szyn (f_c) i częstotliwości prądu (f) w przypadkach zwarć

1 - zwarcie trójfazowe, 2 - dwufazowe, 3 - zwarcie dwu- i trójfazowe

b) V_r od ilorazu f_c / f dla różnych czasów trwania przerwy beznapięciowej t_u w cyklu SPZ

Rys.2. Współczynnik k_1s do określenia obliczeniowego odstępu między osiami przewodów a_s [1]

Wartości współczynników V zależą od ilorazu częstotliwości drgań własnych układu szyn i częstotliwości prądu. Częstotliwość drgań własnych pojedynczego przewodu oblicza się ze wzoru

gdzie: γ - współczynnik zależny od sposobu zamocowania przewodów; E - moduł Younga; J - moment bezwładności przewodu fazowego, cm⁴; m' - masa jednostkowa przewodu fazowego, kg/m.

W przypadku przewodu fazowego złożonego z kilku przewodów składowych, moment bezwładności J oraz masę m należy wyznaczyć dla całego przewodu. Jeżeli przewody składowe są o przekroju prostokątnym, częstotliwość drgań własnych można obliczyć ze wzoru

gdzie

przy czym: c - współczynnik zależny od konstrukcji przewodu składowego (rys.3), przy braku przekładek przyjmuje się c=1; J_s - moment bezwładności przewodu składowego, cm⁴; m'_s - masa jednostkowa przewodu składowego, kg/m.

Rys.3. Współczynnik c do obliczenia częstotliwości drgań własnych układów szynowych z przekładnikami[1]:

przy drganiach prostopadłych do szerszej (a) i węższej (b) płaszczyzny przewodu; c) układy przekładek lub odstępników

m'_s - masa jednostkowa przewodu składowego, kg/m; m_z - masa jednej przekładki, kg; n - liczba przewodów składowych

Przy potrójnym układzie szyn płaskich największa siła działa na szynę środkową. Podczas stosowania w jednej fazie trzech płaskowników, siła działająca na pasek środkowy będzie równa 0, ponieważ w tym obszarze pola magnetyczne zniosą się wzajemnie.

Siły oddziałujące między paskami należy obliczyć ze wzoru

gdzie: a_p - odległość między paskami, l_p - odłegłość między przekładkami.

Przekładek nie może być zbyt dużo, ponieważ pogarsza się skuteczność chłodzenia szyn. Z drugiej też strony nie może być ich za mało, ponieważ pod wpływem działania sił powstające naprężenia mogą spowodować zetknięcie się pasków.

Z punktu widzenia obciążalności prądowej szyny, korzystniejsze jest pionowe ułożenie szyn na izolatorach, ponieważ zwiększa się ich chłodzenie przez konwekcję.

Należy pamiętać, że obciążalności szyn podawane w tablicach są dla ułożenia pionowego. Jeżeli szyny kładzie się płasko to jej obciążalności należy zmniejszyć stosując współczynniki korygujące. Płaskie ułożenie szyn na izolatorach jest natomiast korzystniejsze z punktu widzenia wytrzymałości mechanicznej.

h F F

b

h

b

gdzie: h - wysokość szyny, b - szerokość szyny.

Podczas doboru szyn, należy najpierw ustawić szynę pionowo. Jeżeli układ wytrzymuje naprężenia elektrodynamiczne, to pozostaje się przy pionowym sposobie ułożenia szyny. Jeżeli układ nie wytrzymuje naprężeń elektrodynamicznych należy ułożyć szynę na płasko. Jeśli jednak naprężenia są nadal zbyt duże i nie można zmienić punktów podparcia szyny, należy zastosować większy wymiar szyny. Sprawdzanie szyn na ulot polega na obliczaniu napięcia krytycznego, przy którym w warunkach atmosferycznych wystąpi ulot.

gdzie: p - współczynnik zależny od stanu powierzchni przewodu (dla linek p=0,83-0,87); r - promień przewodu, cm; a - odległość między przewodami, cm.

W przybliżeniu można przyjąć, że ulot nie wystąpi, jeżeli średnica przewodu d (w milimetrach) jest większa niż U_N /8.W normie PN-72/E-05025 zalecano stosowanie przewodów o średnicy nie mniejszej niż 15 mm przy napięciu 110 kV i 20 mm przy 220 kV. W praktyce wykorzystuje się przewody o przekroju nie mniejszym niż 95 mm² przy napięciu 110 kV i 350 mm² przy napięciu 220 kV. Przy napięciu 440 kV i wyższych są to przewody wiązkowe.

24

---