Podręcznik

Stacja elektroenergetyczna jest elementem sieci elektroenergetycznej, jej zadaniem jest przetwarzanie oraz rozdział energii elektrycznej o określonych parametrach pomiędzy odbiorców.

Z zależności od roli spełnianej w sieci wyróżnia się następujące stacje:

• rozdzielcze,
• transformatorowo–rozdzielcze,
• transformatorowe.

Ze względu na napięcie znamionowe stacji (strony górnej w przypadku stacji transformatorowych lub transformatorowo–rozdzielczych) klasyfikacja jest następująca:

• stacja najwyższego napięcia (NN) $(U_n\ge220\ \mathrm{kV})$,
• stacja wysokiego napięcia (WN) $(60\lt U_n\lt 220\ \mathrm{kV})$,
• stacja średniego napięcia (SN) $(1\lt U_n\lt 60\ \mathrm{kV})$,
• stacja niskiego napięcia (nn) $(U_n\lt 1\ \mathrm{kV})$.

Ze względu na miejsce pracy w sieci, stacje dzielimy na:

• sieciowe,
• przemysłowe,
• miejskie,
• wiejskie.

Ze względu na budowę stacje dzielimy na:

• napowietrzne,
• wnętrzowe.

A. Układy stacji SN/nn

W Polsce stosuje się następujące układy połączeń rozdzielnic stacji SN/nn [17]:

1. z pojedynczym systemem szyn zbiorczych (1S):

• niesekcjonowane,
• sekcjonowane wyłącznikiem, rzadziej tylko odłącznikiem,

2. z podwójnym systemem szyn zbiorczych (2S):

• niesekcjonowane,
• pojedynczo sekcjonowane,
• podwójnie sekcjonowane,

Do podstawowych elementów stacji elektroenergetycznej należy zaliczyć:

1. tor główny (obwód pierwotny): wyłączniki, rozłączniki, odłączniki, bezpieczniki, przekładniki (prądowe i napięciowe), dławiki przeciwzwarciowe, izolatory, szyny zbiorcze, odgromniki,
2. tor pomocniczy (obwód wtórny): układy pomiarowe, zabezpieczenia, automatyka SZR, SCO i SPZ oraz telemechanika i telemetria,
3. obwody pomocnicze: instalacja zasilania potrzeb własnych stacji, instalacja oświetlenia i ogrzewania itp.

Wyłącznik – jest to element, który może załączyć lub wyłączyć każdy rodzaj prądu płynącego przez jego tor prądowy (roboczy, przeciążeniowy i zwarciowy) przy pełnym napięciu zasilania. Spotykane rodzaje wyłączników: pełnoolejowe (wycofywane z eksploatacji), pneumatyczne (powietrzne), wyłączniki małoolejowe oraz SF₆.

Rozłącznik (odłącznik mocy) – jest to element, który może załączyć i wyłączyć prądy robocze. W praktyce spotyka się również rozłączniki bezpiecznikowe, które wyposaża się w bezpieczniki umożliwiające wyłączenie prądów zwarciowych.

Odłącznik – jest to element, którego zadaniem jest stworzenie widocznej przerwy w obwodzie. Gdy odłącznik jest zamknięty przewodzi prądy robocze, przeciążeniowe oraz zwarciowe. Otwarcia lub zamknięcia odłącznika można dokonać tylko w obwodzie, przez który nie płynie prąd elektryczny.

Odłącznik jest aparatem elektrycznym, nie jest przeznaczony do przerywania prądów roboczych lub zakłóceniowych.

Bezpiecznik – zadaniem tego aparatu jest przerwanie obwodu elektrycznego, w którym nastąpiło zwarcie lub przeciążenie (prąd o wartości większej niż prąd znamionowy wkładki). Czas zadziałania bezpiecznika zależy od krotności prądu przepływającego przez niego.

Przekładnik – jest to transformator jednofazowy. Uzwojenie pierwotne dołączone jest do obwodu pierwotnego (wysokiego napięcia) natomiast do zacisków strony wtórnej przekładnika dołączone są najczęściej przyrządy pomiarowe, przekaźniki i inne aparaty niskiego napięcia.

Przekładniki dzielimy na:

1. prądowe,
2. napięciowe.

W skład stacji elektroenergetycznej może wchodzić transformator, wówczas możemy mieć do czynienia z następującymi przypadkami:

• stacja transformatorowa (np. SN/nn)
• stacja transformatorowo–rozdzielcza (w skład stacji wchodzi rozdzielnica).

B. Transformatory

Transformator elektroenergetyczny jest to urządzenie służące do przetwarzania energii elektrycznej za pośrednictwem pola magnetycznego bez udziału energii mechanicznej. Przetwarzanie polega na zmianie wartości napięcia i prądu przy nie zmienionej częstotliwości napięcia.

Transformatory można podzielić ze względu na:

1. czynnik chłodzący:

• olejowe,
• suche,

2. liczbę uzwojeń:

• jednouzwojeniowe (autotransformatory),
• dwuuzwojeniowe,
• trójuzwojeniowe,

3. funkcję spełnianą w sieci

• blokowe (współpracujące z generatorem i siecią przesyłową),
• sieciowe (łączące sieci przesyłowe lub sieć przesyłową z rozdzielczą),
• rozdzielcze (pracujące w sieciach rozdzielczych – 110/6,3 kV, 110/16,5 kV, 15/0,4 kV).

Transformator olejowy składa się z następujących elementów:

• rdzenia (zbudowany z blach stalowych z dodatkiem krzemu – tzw. blach transformatorowych);
• uzwojeń (zbudowane z przewodów miedzianych lub aluminiowych):
  • pierwotnego (do którego doprowadzana jest energia),
  • wtórnego (z którego odbierana jest energia do zasilania odbiorników);
• kadzi transformatora,
• zbiornika oleju umieszczonego w konserwatorze.

Stosunek prądu w uzwojeniu pierwotnym do prądu w uzwojeniu wtórnym można opisać następującą zależnością:

1. przekładnia prądowa

2. przekładnia napięciowa

C. Parametry transformatora

Poniżej podane zostaną pozostałe parametry transformatora:

1. $S_\mathrm{nT}$ – moc znamionowa transformatora, w [kVA],
2. $\Delta P_\mathrm{obc\_zn}$ – znamionowe obciążeniowe straty mocy czynnej transformatora, w [kW],
3. $\Delta P_0$ – straty mocy czynnej stanu jałowego transformatora, w [kW],
4. $i_0$ – prąd stanu jałowego transformatora, w [A] (lub i%, w [%]),
5. $\Delta Q_\mathrm{obc\_zn}$ – straty bierne stanu jałowego transformatora, w [kvar].

6. $\Delta Q_0$ – znamionowe obciążeniowe straty mocy biernej, w [kvar],

7. $u_k$ – napięcie zwarcia, w [–] lub $u_{k\%}$ w [%])
8. $U_\mathrm{nT}$ – napięcie znamionowe transformatora, przy którym oblicza się impedancję zwarciową, w [V],
9. $u_x$ – składowa bierna napięcia zwarciowa, w [–]

10. $u_R$ – składowa czynna napięcia zwarciowa, w [–]

11. $Z_T$ – impedancja transformatora, w [Ω]

12. $X_T$ – reaktancja transformatora, w [Ω]

13. $R_T$ – rezystancja transformatora, w [Ω]

14. $m_1$ – liczba faz, w [–]
15. $\cos\varphi$ – współczynnik mocy, w [–].

D. Praca równoległa transformatorów

Jeżeli konieczna jest praca równoległa dwóch transformatorów to muszą być spełnione poniższe wymagania:

1. jednakowe napięcia znamionowe pierwotne i wtórne;
2. grupy połączeń muszą być identyczne;
3. napięcia zwarcia jednostek nie mogą się różnić o więcej niż o 0,5%; (dopuszczalna tolerancja $\pm 10\%$);
4. moce jednostek nie mogą się różnić więcej niż w stosunku 1:3.

E. Regulacja napięcia w transformatorze

Występują dwa sposoby regulacji:

1. regulacja w stanie beznapięciowym;
2. regulacja pod obciążeniem.

Regulację w stanie beznapięciowym stosuje się w transformatorach średniej i małej mocy (rys. 5.15). Zakres regulacji wynosi od kilku do kilkunastu procent napięcia znamionowego.

Rys. 5.15 Uproszczony schemat regulatora napięcia w stanie beznapięciowym [17]

Regulację pod obciążeniem (w trakcie normalnej pracy) wykonuje się najczęściej w jednostkach dużej mocy, przykład regulatora został przedstawiony na rys. 8.16.

Rys. 5.16. Uproszczony schemat regulatora napięcia w stanie obciążenia: 1) przed regulacją –1,2 zwarte, 3 rozwarty; 2) pierwszy etap regulacji –1,3 zwarte, 2 rozwarty; 3) drugi etap regulacji – 3 zwarty, 1, 2 rozwarty; 4) po regulacji – 2, 3 zwarty, 1 rozwarty. [17]

F. Transformator trójfazowy

W przypadku transformatora trójfazowego mamy do czynienia z następującymi przypadkami:

1. połączone ze sobą trzy transformatory jednofazowe,
2. jeden transformator, w którym występują trzy pary uzwojeń.

Wyróżniamy następujące rodzaje połączeń uzwojeń (grupy połączeń):

• trójkąt,
• gwiazda,
• zygzak.

Grupa połączeń – jest to oznaczenie transformatora składające się z informacji:

• układzie połączeń uzwojeń strony górnego napięcia,
• układzie połączeń uzwojeń strony dolnego napięcia,
• kącie przesunięcia wektorów napięć.

Oznaczenia połączeń uzwojeń transformatora (przyjęto następującą zasadę: duża litera uzwojenie górnego napięcia, mała litera uzwojenie dolnego napięcia):