Dobór transformatorów

dr inż. Mirosław Pawłot

Lublin – 2008/2009

S-12

Stacje elektroenergetyczne

Podstawowe kryteria doboru

Główne kryteria doboru transformatorów w stacjach

elektroenergetycznych to:

•

wymagania techniczne

•

optymalny wynik gospodarczy

Moc transformatora musi być dostosowana do obciążenia stacji: moc

znamionowa dobranej jednostki powinna być co najmniej równa mocy
obciążenia
szczytowego S

m

.

Dla stacji jednotransformatorowych, gdy wymagania co do niezawodności

są niewielkie, warunki doboru można określić następująco:

S

t1

≥ S

m

K

r

≈ K

rmin

gdzie: S

t1

– moc pozorna jednego transformatora, K

r

– całkowity koszt

roczny jednego transformatora w stacji

S-12

Podstawowe kryteria doboru

W stacji wymagania niezawodności zasilania często powodują konieczność

instalowania większej liczby jednostek. Należy wówczas określić moc,
którą stacja musi nadal dostarczać przy uszkodzeniu jednego z
transformatorów S

rez

. Przy doborze dwóch takich samych

transformatorów dolna granica mocy każdego z nich S

t2

wynika z

warunków:

S

t2

≥ S

m

/2

S

t2

≥ S

rez

Przy czym S

m

oznacza maksymalną moc dostarczaną przez stację w pracy

normalnej.

Jeśli układ stacji przewiduje zainstalowanie trzech transformatorów, to ich

moc minimalna przy identycznych transformatorach jest określona
warunkami:

S

t3

≥ S

m

/3

S

t3

≥ S

rez

/3

S-12

Dobór danych technicznych

transformatorów

Podstawowe dane techniczne transformatorów:

a) typ i rodzaj wykonania;
b) przekładnia oraz sposób regulacji przekładni;
c) grupa połączeń;
d) napięcie zwarcia;
e) wytrzymałość dynamiczna i cieplna;
f) rodzaj chłodzenia.

S-12

Dobór danych technicznych

transformatorów

Przy doborze transformatorów w stacjach

wielkotransformatorowych należy zwrócić uwagę na
możliwość pracy równoległej jednostek, która wymaga
spełnienia następujących warunków:

–

jednakowe napięcia znamionowe pierwotne i wtórne;

–

jednakowa grupa połączeń lub przynależność do grup
mogących ze sobą współpracować;

–

równość napięć zwarcia (z dopuszczalną tolerancją ±10%);

–

stosunek mocy transformatorów nie większy niż 1:3

S-12

Typ i rodzaj wykonania

Transformatory budowane są:
•

w wykonaniu wnętrzowym

•

w wykonaniu napowietrznym

Transformatory trójfazowe wykonywane są jako jednokadziowe

lub w postaci grupy trzech jednostek jednofazowych.

W stacjach elektroenergetycznych wysokich i najwyższych

napięć powszechnie stosowane są autotransformatory.

S-12

Typ i rodzaj wykonania

Cechy autotransformatorów:
•

są tańsze od transformatorów;

•

mają mniejsze ciężary i gabaryty od transformatorów (jest to
bardzo cenna zaleta przy jednostkach dużych mocy);

•

straty mocy oraz reaktancje są znacznie mniejsze niż w
transformatorach;

•

jest wspólny punkt gwiazdowy obu uzwojeń wysokiego
napięcia bezpośrednio uziemiony (autotransformatory zatem
nie mogą pracować w sieciach o izolowanym punkcie
zerowym lub w sieciach kompensowanych)

S-12

Przekładnia transformatorów i

regulacja przekładni

Przekładnia transformatorów powinna zapewnić utrzymanie
poziomu napięcia w granicach dopuszczalnych.
Uzwojenie pierwotne będące uzwojeniem zasilającym buduje
się na napięcie znamionowe sieci lub na napięcie
generatorowe, a uzwojenie wtórne na napięcie o 5, 10 lub 15%
wyższe od napięcia znamionowego sieci.
Aby utrzymać wahania napięcia w dopuszczalnych granicach
stosuje się regulację przekładni :

•

zaczepową w stanie beznapięciowym;

•

zaczepową pod obciążeniem (automatyczną i półautomatyczną);

•

za pomocą autotransformatora dodawczego.

S-12

Przekładnia transformatorów i

regulacja przekładni

1) Regulacja zaczepowa w stanie beznapięciowym. Znajduje

zastosowanie wtedy, gdy konieczność zmiany przekładni występuje
rzadko. Regulacja ta jest mało precyzyjna, odbywa się skokami w zakresie
±5%

2) Regulacja zaczepowa pod obciążeniem. Jest ona stosowana w stacjach,

w których zmiany napięcia występują bardzo często i gdy wyłączanie
transformatora w celach regulacyjnych nie jest możliwe ze względu na
pracę samej jednostki. Regulacja taka stosowana jest przede wszystkim w
stacjach wysokich napięć, wyposażonych w duże transformatory, a także w
niektórych stacjach przemysłowych w zakresie +16% do -10%.

3) Regulacja za pomocą autotransformatora dodawczego. Jest to

rozwiązanie drogie, ale umożliwiające na płynną regulację w szerokim
zakresie. Stosuję się ją w stacjach wysokich i najwyższych napięć, gdy
występujące wahania napięć przekraczają możliwości regulacji
zaczepowej lub, gdy ze względów konstrukcyjnych utrudnione jest
wykonanie odpowiednich zaczepów po stronie górnego napięcia
transformatora.

S-12

Grupy połączeń

Transformatory w stacjach elektroenergetycznych mają na ogół

uzwojenie w układzie:

•

trójkąt-gwiazda (Dy)

•

gwiazda-gwiazda (Yy)

•

gwiazda-trójkąt (Yd)

Układ połączeń gwiazda-zygzak (Yz) stosowany jest w sieciach
miejskich, w transformatorach obniżających o dolnym uzwojeniu
niskiego napięcia w sieci czteroprzewodowej.

Układ połączeń trójkąt-gwiazda stosowany jest w sieciach
przemysłowych o napięciu wtórnym niskim. Przy zasilaniu z
takiego transformatora sieci czteroprzewodowej niskiego napięcia
(punkt zerowy uziemiony) dopuszczalna jest znaczna asymetria
obciążenia (do 100% prądu znamionowego transformatora).

S-12

Grupy połączeń

Układ połączeń gwiazda-gwiazda stosowany jest w
jednostkach wielkich napięć i mocy znamionowych. Układ ten
znalazł szczególne zastosowanie w jednostkach o obu
uzwojeniach na napięcie wysokie, a to ze względu na brak
znaczniejszych asymetrii obciążeń w sieciach wysokich
napięć.

Układ połączeń gwiazda-trójkąt stosuje się przeważnie w
sieciach przemysłowych w transformatorach obniżających o
napięciu dolnym wysokim.

Układ połączeń gwiazda-zygzak z uziemionym przewodem
zerowym stosuje się do zasilania sieci niskiego napięcia o
znacznej asymetrii obciążeń.

S-12

Grupy połączeń

Zalecane układy połączeń uzwojeń transformatorów

S-12

Rodzaj transformatora

Grupa połączeń

Dwuuzwojeniowy do 250 kV∙A

Dwuuzwojeniowy od 315 do 500

kV∙A

Dwuuzwojeniowy od 630 do

1600 kV∙A

Dwuuzwojeniowy od 2 do 40

MV∙A

Trójuzwojeniowy od 10/6, 3/6, 3

do 40/40/40 kV∙A

Yy 0, Yz 5

Dy 5, Yy 0

Dy 5, Yy 0, Yd 5

Yy 0, Yd

11

Yy 0/d 11, Yd 11/d 11

Napięcie zwarcia

Napięcia zwarcia transformatorów dwuuzwojeniowych

S-12

Moc znamionowa

transformatora w

MV∙A

Napięcie górne w 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

Wytrzymałość dynamiczna i

cieplna

Transformator powinien być tak dobrany, aby wytrzymywał:
•

skutki dynamiczne udarowego prądu zwarciowego;

•

skutki dynamiczne i cieplne dopuszczalnego (ustalonego)
prądu zwarciowego.

Transformator powinien wytrzymywać bez widocznych szkód,

deformacji oraz zmniejszenia przydatności do dalszej pracy
siły dynamiczne wywołane przez:

•

udarowy prąd zwarciowy i

u

•

dopuszczalny prąd zwarciowy I

zd

(ustalony prąd zwarciowy)

Udarowy prąd zwarciowy transformatora jest to największa

wartość chwilowa prądu płynącego w uzwojeniu pierwotnym
przy nagłym zwarciu zacisków uzwojenia wtórnego, jeśli do
uzwojenia pierwotnego przyłożone jest napięcie znamionowe.

S-12

Rodzaj chłodzenia

Rozróżnia się stępujące sposoby chłodzenia transformatorów:
O – olejem mineralnym;
L – olejem syntetycznym niepalnym;
A – powietrzem;
W – wodą;
N – naturalne (nie wymuszony ruch czynnika chłodzącego);
P – wzmożone, przez sztuczne wprowadzenie w ruch czynnika

chłodzącego (wentylatory, pompy olejowe)

S-12

Rodzaj chłodzenia

Chłodzenie powietrzem z naturalnym obiegiem oleju (AN-ON) jest
stosowane w większości transformatorów energetycznych małej i
średniej mocy.

Chłodzenie powietrzne wzmożone z naturalnym obiegiem oleju (AP-
ON) stosowane jest w transformatorach wnętrzowych o mocach do
10 MV∙A i napowietrznych do mocy 20 10 MV∙A , a nawet
większych.

Chłodzenie powietrzne ze sztucznym obiegiem oleju i powietrza
(AP-PO) stosowane jest w dużych transformatorach , głównie
napowietrznych.

Chłodzenie wodne (WP-OP) stosowane jest głównie w dużych
transformatorach wnętrzowych.

S-12

Rodzaj chłodzenia

W zależności od warunków pracy transformatora i czasu trwania

przeciążenia rozróżnia się:

•

Przeciążenie trwałe;

•

Przeciążenie szczytowe;

•

Przeciążenie dorywcze;

•

Przeciążenie zakłóceniowe.

Przeciążenie trwałe jest dopuszczalne w transformatorach

pracujących w środowisku o temperaturze niższej od normalnej
obliczeniowej (35ºC). Jeśli średnia dobowa temperatura
czynnika chłodzącego jest trwale niższa od 15ºC o x stopni, to
transformatory o chłodzeniu naturalnym AN-ON można trwale
przeciążyć o x procent, a transformatory o chłodzeniu AP-ON,
AP-OP, WN-ON o 0,75 x procent, jednak nie więcej niż o 20%.

S-12

Rodzaj chłodzenia

Przeciążenie szczytowe jest dopuszczalne, jeśli transformator przez znaczną

część doby jest niedociążony. Na każde 10% różnicy między obciążeniem
znamionowym a średnim dobowym, ustalonym jako średnia
arytmetyczna z 24 odczytów prądów dokonywanych co godzinę, wolno
transformator przeciążyć o 3% w okresie obciążenia szczytowego.
Temperatura otaczającego powietrza nie może jednak przekraczać 35ºC.

S-12

Obciąże

nie

szczytow

e

względn

e

w %

Uprzednie średnie względne obciążenie w okresie

pozaszczytowym w procentach prądu

znamionowego

80

70

60

50

40

Dopuszczalny czas trwania przeciążenia szczytowego, w

godzinach

105

110

115

3

-

-

5

-

-

12

3,5

-

12

7

-

12

9

3,5

Dopuszczalny czas trwania przeciążenia szczytowego

Rodzaj chłodzenia

Przeciążenie dorywcze jest dopuszczalne w transformatorach , które w okresie

co najmniej 10h pracowały przy obciążeniu niższym od znamionowego.

S-12

Uprzedni

e

obciążen

ie

względn

e

w %

Najwyższa ustalona

temperatura oleju (w

ºC) transformatorów o

różnym sposobie

chłodzenia

Najdłuższy czas trwania

przeciążenia w minutach

w zależności od wielkości

przeciążenia, w %

AN-ON

AP-ON

AP-OP

AN-OP

WN-

ON

WP-OP

110

120

130

140 150

Mniej niż:

50

50 ÷ 75

75 ÷ 90

55

68

78

49

60

68

41

50

58

180

120

60

90

60

30

60

30

15

30

15

8

15

8

4

Dopuszczalny czas trwania przeciążenia dorywczego

Rodzaj chłodzenia

Przeciążenie zakłóceniowe. W czasie zakłóceń pracy sieci zachodzi

niekiedy konieczność utrzymania transformatorów w ruchu
pomimo znacznego ich przeciążenia. Wynika to z konieczności
utrzymania zasilania szczególnie ważnych odbiorców.

S-12

Dopuszczalny czas trwania przeciążenia zakłóceniowego

Wykonanie i

rodzaj chłodzenia

transformatora

Największy dopuszczalny czas trwania

przeciążenia

w minutach

120

60

30

10

Dopuszczalne przeciążenie, w %

Napowietrzne AN-

ON

Wnętrzowe AN-ON

AP-ON, AP-OP

WN-ON, WP-OP

135

110

130

125

135

130

150

140

170

150

160

150

200

180

180

170