Parametry i schematy zastępcze transformatorów.
Obciążalność i przeciążalność transformatorów.

Piotr Muskietorz 13.12.2010

SLAJD 2

W krajowych sieciach EE występują różnego rodzaju transformatory.

- transformatory blokowe i transformatory potrzeb własnych współpracujące z generatorami,

- transformatory lub autotransformatory sprzęgające łączą sieci przesyłowe o różnych poziomach napięcia z sieciami przesyłowo-rozdzielczymi 110 kV

- transformatory redukcyjne łączące sieci WN (110 kV) z sieciami rozdzielczymi SN oraz sieci SN z sieciami nN.

Transformatory stosowane w sieciach NN i WN są zwykle budowane jako trójfazowe jednostki napowietrzne (przy bardzo dużych mocach stosuje się niekiedy 3 jednostki jednofazowe).

Ze względu na niższy koszt i mniejsze gabaryty w stacjach EE powszechnie stosuje się autotransformatory NN/NN i NN/WN. Uzwojenia transformatorów i autotransformatorów NN są połączone w gwiazdę, a punkt neutralny jest z reguły uziemiony. Dodatkowe uzwojenie pomocnicze połączone w trójkąt stanowi zasilanie potrzeb własnych stacji oraz służy do przyłączania urządzeń kompensacyjnych.

SLAJD 3

Napięcia znamionowe T i AT są o kilka procent wyższe on napięć znamionowych sieci i w celu maksymalizacji sprawności transformacji są tak dobrane aby ich wartość była zbliżona do maksymalnych napięć roboczych sprzęganych sieci.

Prawie każdy transformator sieciowy umożliwia zmianę jego przekładni. Transformatory redukcyjne małej mocy SN/nN umożliwiają ręczna zmianę przekładni po odłączeniu transformatora od sieci. Transformatory dużej mocy posiadają urządzenia pozwalające na zmianę przekładni bez odłączania transformatora od sieci, czyli pod obciążeniem. Transformatory takie nazywa się transformatorami regulacyjnymi. Regulacja zaczepów jest zazwyczaj wykonywana po górnej stronie napięcia ze względu na mniejszy prąd. Regulacja zaczepów powoduje zmianę przekładni transformatora a tym samym zmianę amplitudy napięcia. Taka regulacja nazywa się regulacją wzdłużną.

SLAJD 4

Podstawowy schemat zastępczy ma postać czwórnika typu T, w którym gałąź poprzeczna odpowiada startom w żelazie oraz prądowi magnesowania rdzenia transformatora natomiast gałąź wzdłużna reprezentuje rezystancje obu uzwojeń oraz ich indukcyjność rozproszenia.

Parametry elementów schematu można wyznaczyć z dwóch podstawowych prób pomiarowych przeprowadzonych dla transformatorów. Z próby stanu jałowego otrzymuje się prąd jałowy oraz starty w żelazie rdzenia, skąd oblicza się parametry gałęzie poprzecznej. Z próby zwarciowej otrzymuje się napięcie zwarcia oraz straty obciążeniowe skąd oblicza się impedancję gałęzi wzdłużnej

SLAJD 5

Dla transformatora o przekładni rzeczywistej v tj. transformatora z regulacja wzdłużną, model podstawowy zawiera impedancję gałęzi wzdłużnej Z oraz transformator idealny o przekładni v. W oparciu o ten model związek między prądami i napięciami można zapisać (…) po przekształceniach uzyskujemy równanie macierzowe opisujące transformator o przekładni rzeczywistej z regulację wzdłużną. Równaniu można przyporządkować schemat zastępczy zwany rezonansowym. Należy zwrócić uwagę że po obu stronach występują sieci z swoimi oryginalnymi wartościami napięć, prądów , impedancji . Ze schematu został wyeliminowany transformator idealny. Schemat zastępczy transformatora jest bardzo podobny do schematu zastępczego linii.

SLAJD 6

Dla transformatora z przesuwnikiem fazowym oraz dla samego przesuwnika fazowego zainstalowanego np. w linii przekładnia jest wielkością zespoloną. W tym przypadku związki między napięciami i prądami po obu stronach transformatora idealnego ulegają pewnej modyfikacji. Prądy wiąże relacja wynikająca z zasady zachowania mocy.

SLAJD 7

Przy analizie złożonego wielonapięciowego systemu elektroenergetycznego stosowane są najczęściej jednostki względne. W takiej sytuacji wszystkie parametry elementów systemu (linie, transformatory, generatory) zostają przeliczone do wspólnych jednostek względnych. Do przeliczenia najczęściej przyjmuje się napięcie znamionowe danej sieci oraz jedną moc bazową Sb, wspólną dla całego analizowanego systemu. Podstawowym celem przejścia na jednostki względne jest dążenie do pozbycia się wielu poziomów napięcie wymagających wielokrotnego przeliczania różnych wielkości z jednego poziomu na drugi. Dwie wielkości bazowe można przyjmować dowolnie, pozostałe wynikają z praw elektrotechniki dla sieci trójfazowej. W praktyce najczęściej nie używa się indeksu Pu w oznaczeniach wielkości przyjmując domyślnie, że wszystkie wielkości z reguły są wyrażone w jednostkach względnych.

SLAJD 8

Ponieważ przesunięcie fazowe uniemożliwia utworzenie schematu zastępczego w postaci gałęziowej, możemy utworzyć go przez kaskadowe połączenie trzech czwórników o specyficznych właściwościach:

-przesuwnik fazowy,

-Czwórnik zawierający gałąź podłużną o impedancji Z

- transformator idealny o przekładni v

SLAJD 9

Model zerowy transformatora jest identyczny z modelem dla składowej zgodnej tylko w odniesieniu do wartości impedancji poszczególnych uzwojeń. Poza tym występują zasadnicze różnice wynikające z:

- sposobu połączenia uzwojeń transformatora,

-konstrukcji transformatora,

Podstawowe obserwacje wykorzystywane do budowy modeli zerowych transformatorów są następujące:

-Prądy zerowe nie mogą dopływać i nie mogą wypływać z uzwojeń połączonych w gwiazdę i zygzak z izolowanym punktem gwiazdowym oraz w trójkąt,

-W uzwojeniu połączonym w trójkąt indukują się prądy zerowe, jeżeli płyną one w drugim uzwojeniu transformatora; prądy indukowane nie wypływają poza trójkąt,

-Przez impedancję uziemiającą punkt gwiazdowy rzeczywistego transformatora płynie potrójna wartość prądu zerowego, w związku z czym strata napięcia na tej impedancji wynosi 3IoZn, dlatego dla zachowania takiej samej wartości straty na jednofazowym schemacie zastępczym modeluje się impedancję Zn pomnożoną przez .

SLAJD 10

Przedstawione schematy zastępcze zerowe najczęściej spotykanych transformatorów są to schematy uproszczone, pomijające wpływ regulacji przekładni i współczynnika sprowadzenia.

SLAJD 11

W transformatorach rozróżniamy regulacje wzdłużną i poprzeczną. Regulacja wzdłużna została omówiona wcześniej natomiast regulacja poprzeczna jest uzyskiwana za pomocą specjalnego transformatora dodawczego TD i transformatora wzbudzającego TW. Przedstawiony na rysunku zespół transformatorowy składa się z AT trójuzwojeniowego oraz TD i TW. Zespół ten służy do regulacji przepływów w sieci przesyłowej zarówno mocy czynnej jak biernej. Q reguluje się za pomocą AT natomiast P za pomocą TD i TW.

Moc czynną płynącą linią przesyłową określa wzór (…). Identyczne wyrażenie obowiązuje również dla transformatora. Wynika z tego, że moc czynną można zmieniać dokonując zmian napięcia U1 i U2, kąt obciążenia oraz wartość reaktancji ciągu przesyłowego . Możliwość sterowania przepływem mocy przy wykorzystaniu regulacji wartości U1 i U2 jest stosunkowo niewielka, ze względu na konieczność utrzymania wartości tych napięć możliwie bliskich wartości znamionowej, natomiast nawet małe zmiany napięcia mają bardzo duży wpływ na przepływ mocy biernej. Reaktancję ciągu przesyłowego można zmieniać poprzez włączenie szeregowo w ciąg dodatkowej reaktancji o zmiennej wartości np. sekcji kondensatorów. Jednak w najszerszym zakresie przepływ mocy można zmieniać wykorzystując kąt q. takie sterowanie umożliwia nie tylko zmianę wartości mocy, ale również kierunek jej przepływu w linii. Ze względu na stabilność systemu możliwe są tylko stany obciążeń na rosnącej części sinusoidy zaznaczonej linią ciągłą.

Ogólnie przesuwniki fazowe mogą być zainstalowane w szereg z transformatorem sprzęgającym lub z linia przesyłową. Może to służyć między innymi do:

- dociążenia lub odciążenia konkretnych ciągów liniowych,

- sterowania przepływem mocy,

- dociążenia oraz odciążenia pewnych fragmentów sieci w otoczeniu dwóch węzłów sieciowych połączonych przesuwnikiem fazowym.

SLAJD 12

Przy ustalonych napięciach i kątach obciążenia, przez linię I linię II płyną moce czynne. Moc PII jest w tej sytuacji większa od mocy PI. Zmiana wartości napięcia dodawczego powoduje zmianę kąta delta q i tym samym zmianę mocy PII. Napięcie dodawcze deltaU czyli także kąt dleta q, można regulować w szerokim zakresie, od wartości ujemnych do wartości dodatnich jeżeli delta U <0 to PII<PI

SLAJD 13

Podstawowym czynnikiem limitującym dopuszczalną obciążalność transformatorów energetycznych jest temperatura uzwojeń i ich izolacji (papierowo-olejowej). Istotna jest temperatura miejsca najgorętszego. Główną przyczyną ograniczającą obciążalność transformatorów jest fakt, że po przekroczeniu pewnej charakterystycznej dla danego rodzaju materiału izolacyjnego, następuje znaczące przyśpieszenie procesów starzeniowych, prowadzących do utraty właściwości izolacyjnych materiałów.

Badania Montsingera:

- długotrwałe zwiększenie temperatury izolacji papierowo-olejowej o około 8⁰C powoduje zmniejszenie trwałości o połowę.

Dalsze badania pokazały, że to prawo obowiązuje dopiero od około 120⁰C natomiast w temperaturach niższych obowiązuje prawo 5⁰C .

W aktualnej normie w przedziale temperatur 80-140⁰C, przyjęte zostało prawo 6⁰C natomiast maksymalna temperatura miejsca gorącego dla, którego uzyskuje się 25 letnią trwałość określono jako 98⁰C lub dla materiałów o ulepszonych właściwościach 110⁰C.

Normalne obciążenie ciągłe – temperatura uzwojeń i oleju nie przekracza wartości, na które transformator został zaprojektowany, praca ciągła w temp. 20⁰C. Norma podaje dopuszczalną obciążalność ciągła dla różnych temperatur w zakresie -25-40⁰C.

Normalne obciążenie cykliczne – temperatura uzwojeń i oleju przekracza (w pewnych okresach doby) wartości dopuszczalne dla normalnego obciążenia ciągłego,

Długotrwałe awaryjne obciążenie cykliczne – obciążenie spowodowane długotrwałym brakiem niektórych elementów sieci. Ograniczeniu w tym przypadku podlega wartośc maksymalnego prądu oraz temperatura najgorętszego miejsca wg tabeli.

Krótkotrwałe obciążenie awaryjne – wyjątkowo duże obciążenie, spowodowane znaczącym odstępstwem od normalnych warunków pracy SEE, zwykle taki stan trwa krócej niż pół godziny (stała czasowa transformatora), powodując osiągnięcie przez najgorętsze miejsce niebezpiecznego poziomu. Czasami taki stan jest uważany jako „mniejsze zło” z punktu widzenia całego systemu.

SLAJD 15

Rzeczywiste dobowe obciążenie transformatora jest odwzorowane uproszczonym dwustanowym cyklem obciążenia o wartości początkowej Kp i szczytowej Kk. Korzystając z prawa 6⁰C można znaleźć takie pary wielkości dla których otrzymuje się znamionową trwałość układu izolacyjnego, pomimo, że przez część cyklu obciążenia T temperatura HST osiąga wartości wyższe niż Tmax. Można wykazać, że dla transformatora o Tmax =98⁰C 8 godzin pracy w temperaturze 104⁰C i 16 godzin pracy w temperaturze 92 ⁰C powoduje to samo starzenie izolacji, jak 24 godziny w temperaturze 98⁰C,

SLAJD 16

Opisane wyżej metody mogą być wykorzystywane do zarządzania obciążalnością transformatorów w procesie planowania pracy i w sterowania pracą systemu elektroenergetycznego (…)

DRMCC – dynamic rating, monitoring, control and communication)

SLAJD 18

W praktyce dla większości transformatorów jest słuszna zależność Xt=Zt zaś wartość elementów poprzecznych G_Fe i B_u Są małe, wyrażane w mikrosimensach. W wielu praktycznych obliczeniach można je pominąć lub przenieść na początek czwórnik