5. Układy elektroenergetyczne sieci dystrybucyjnych

5.5. Dobór stacji transformatorowej SN/nn

Dobór stacji transformatorowej polega na określeniu:

  1. typu i rodzaju wykonania stacji (w tym napięcia pracy),
  2. liczby i mocy transformatorów,
  3. przekładni transformatora,
  4. grupy połączeń transformatora,
  5. napięcia zwarcia transformatora,
  6. częstotliwości znamionowej,
  7. sposobu regulacji napięcia transformatora,
  8. sposobu chłodzenia transformatora,
  9. wytrzymałości zwarciowej dynamicznej i cieplnej.

W praktyce projektowej dobór stacji transformatorowej należy rozpocząć od określenia mocy zapotrzebowanej z uwzględnieniem kompensacji mocy biernej (jeżeli to konieczne). Na tej podstawie wstępnie należy dobrać z katalogu producenta transformator lub transformatory. Podczas wyboru należy zwrócić uwagę na następujące parametry:

  1. moc znamionową transformatora z uwzględnieniem odpowiedniego zapasu mocy na ewentualną rozbudowę lub konieczność pracy w układzie rezerwowym.
  2. wartość napięcia górnego i dolnego (np. 15/0,42 kV).
  3. grupę połączeń np. Yzn5 lub Dyn5 – należy to skonsultować z działem technicznej obsługi klienta, spółki dystrybucyjnej o ile wcześniej nie zostało to określone w warunkach technicznych wydanych przez spółkę.
  4. rodzaj chłodzenia – preferowane są transformatory suche tzn. powietrzne lub w zalewie żywicznej. Należy unikać stosowania transformatorów olejowych z uwagi na zagrożenia jakie mogą powstać w wyniku ich uszkodzenia (wyciek oleju itp.).
  5. wymiary – jeśli miejsce, które mamy do dyspozycji, jest ograniczone.
  6. pozostałe parametry: napięcie zwarcia, straty jałowe i obciążeniowe, prąd stanu jałowego.

W praktyce praca projektanta ogranicza się do określenia punktów: a, b, f, gdyż pozostałe punkty określa spółka dystrybucyjna.

Posiadając te dane można przystąpić do sprawdzenia poprawności doboru transformatora według wzorów (5.10, 5.14), następnie dokonania doboru zabezpieczenia transformatora według wskazówek zawartych rozdziale 5.5.1. W chwili obecnej na rynku dostępne są prefabrykowane stacje transformatorowe. Dobór stacji transformatorowej sprowadza się do określeniu typu stacji (na podstawie katalogu producenta) oraz określenia:

  1. liczby pól odpływowych nn (z uwzględnieniem rezerwy),
  2. układu rozdzielni średniego napięcia (liczba pól),
  3. układu pomiarowego,
  4. rodzaju stacji: słupowa, budynkowa, wnętrzowa, podziemna.

Moc transformatora musi pokrywać moc zapotrzebowaną przez zasilane odbiorniki po uwzględnieniu jego strat własnych, czyli:

\(S_{nT}\ge S_{Zc}\) (5.10)
\(S_{Zc}=\sqrt{\left(P_Z+\Delta P_T\right)^2+\left(Q_Z+\Delta Q_T-Q_k\right)^2}\) (5.11)
\(\Delta P_T=\Delta P_0+\Delta P_\mathrm{obc\_zn}\cdot\left(\dfrac{S_Z}{S_{nT}}\right)^2\) (5.12)
\(\Delta Q_T=\Delta Q_0+\Delta Q_\mathrm{obc\_zn}\cdot\left(\dfrac{S_Z}{S_{nT}}\right)^2\) (5.13)
\(S_Z=\sqrt{P^2_Z+Q^2_Z}\) (5.14)

 

gdzie: \(S_{Zc}\) – całkowita moc zapotrzebowana przez odbiorniki z uwzględnieniem strat własnych transformatora, w [kVA], \(P_Z\) – moc czynna zapotrzebowana przez odbiorniki, w [kW], \(Q_Z\) – moc bierna zapotrzebowana przez odbiorniki, w [kvar], \(S_Z\) – moc pozorna zapotrzebowana przez odbiorniki, w [kVA], \(S_{nT}\) – moc znamionowa transformatora, w [kVA], \(\Delta P_T\) – straty czynne transformatora, w [kW], \(\Delta Q_T\) – straty bierne transformatora, w [kvar], \(Q_k\) – moc bierna kompensowana, w [kvar], \(\Delta P_0=\Delta P_{Fe}\) – straty mocy czynnej stanu jałowego, w [kW], \(\Delta P_\mathrm{obc\_zn}=\Delta P_{Cu}\) – znamionowe obciążeniowe straty mocy czynnej, w [kW], \(\Delta Q_0\) – straty jałowe bierne transformatora, w [kvar], \(\Delta Q_\mathrm{obc\_zn}\) – straty obciążeniowe bierne transformatora, w [kvar], \(u_{k\%}\) – napięcie zwarcia transformatora, w [%] (wartość ta podawana jest często w jednostkach względnych i oznaczona jako \(u_k\), w [–]), \(i_0\) – prąd biegu jałowego transformatora, w [%].

Po wyznaczeniu mocy zapotrzebowanej \(S_Z\), należy z katalogu producenta dobrać transformator o mocy znamionowej \(S_{nT}\) tak, aby spełnić określone warunki techniczne.

  1. Praktycznie należy starać się dobierać transformator tak by spełnić warunek określony wzorem (5.10).
  2. Jeżeli planujemy zasilanie odbiorników w układzie rezerwy ukrytej lub jawnej wówczas transformator również należy dobrać tak jak poprzednio (na całą moc zapotrzebowaną przez odbiorniki), a następnie dokonać podziału odbiorników pomiędzy poszczególne transformatory. Podział obciążenia powinien zapewniać w miarę równomierne obciążenie obydwu transformatorów w warunkach normalnej pracy.
  3. Jeżeli w stacji zastosowano kompensację mocy biernej, moc kompensacji należy uwzględnić przy wyznaczeniu mocy transformatora.

5.1

W wyniku obliczeń mocy zapotrzebowanej przez budynek użyteczności publicznej uzyskano następujące wartości mocy zapotrzebowanych (nie określono współczynnika \(\mathrm{tg}\varphi\))

  1. \(P_Z=170\ \mathrm{kW}\),
  2. \(Q_Z=68\ \mathrm{kvar}\).

Należy dobrać transformator SN/nn przeznaczony do zasilania budynku.

Rozwiązanie

\(\mathrm{tg}\varphi=\dfrac{Q_Z}{P_Z}=\dfrac{68}{170}=0,4 \) (5.15)

Kompensacja mocy biernej nie jest wymagana.

\(S_Z=\sqrt{P^2_Z+Q^2_Z}=\sqrt{170^2+68^2}=183,1\ \mathrm{kVA}\) (5.16)

Na podstawie wyznaczonej wartości mocy zapotrzebowanej, wstępnie należy przyjąć transformator o mocy \(S_n=250 \ \mathrm{kVA}\). Na podstawie katalogu firmy EMIT S.A., dane transformatora przedstawiono poniżej:

\(S_{nT}=250\ \mathrm{kVA}\); \(\Delta P_\mathrm{obc\_zn}=4,5\ \mathrm{kW}\); \(\Delta P_0=2,1\ \mathrm{kW}\); \(\Delta i_{0\%}=1\%\); \(u_k=0,045\ (4,5\%)\),

Zatem należy sprawdzić poprawność doboru transformatora:

\(\Delta P_T=\Delta P_0+\Delta P_\mathrm{obc\_zn}\cdot\left(\dfrac{S_Z}{S_{nT}}\right)^2=\\=2,1+4,5\cdot\left(\dfrac{183,1}{250}\right)^2=4,51\ \mathrm{kW}\) (5.17)
\(\Delta Q_T=\Delta Q_0+\Delta Q_\mathrm{obc\_zn}\cdot\left(\dfrac{S_Z}{S_{nT}}\right)^2=\\=\dfrac{1}{100}\cdot 250+\dfrac{4,5}{100}\cdot\left(\dfrac{183,1}{250}\right)^2=10,74\ \mathrm{kvar}\) (5.18)
\(S_{nT}=250\ \mathrm{kVA}\ge S_{Zc}=\sqrt{\left(P_Z+\Delta P_T\right)^2+\left(Q_Z+\Delta Q_T\right)^2}=\\=\sqrt{\left(170+4,51\right)^2+\left(68+10,74\right)^2}=191,45\ \mathrm{kVA}\) (5.19)
\(S_{nT}\ge S_{Zc}\) (5.20)

Oszacowana wartość mocy zapotrzebowanej pozwala na przyjęcie transformatora o mocy \(S_{nT}=250\ \mathrm{kVA}\), która pozwoli na zwiększenie obciążenia (pozostaje niewielka rezerwa mocy). Parametry transformatora: grupa połączeń Dy5, napięcie zwarcia \(u_{k\%}=4,5\%\), \(\Delta P_\mathrm{obc\_zn}=4,5\ \mathrm{kW}\), napięcie górne \(U_1=3\times 15,75/9,1\ \mathrm{kV}\), napięcie dolne \(U_2=3\times 230/420\ \mathrm{V}\).