Podręcznik: Dobór stacji transformatorowej SN/nn

5. Układy elektroenergetyczne sieci dystrybucyjnych

5.5. Dobór stacji transformatorowej SN/nn

Dobór stacji transformatorowej polega na określeniu:

typu i rodzaju wykonania stacji (w tym napięcia pracy),
liczby i mocy transformatorów,
przekładni transformatora,
grupy połączeń transformatora,
napięcia zwarcia transformatora,
częstotliwości znamionowej,
sposobu regulacji napięcia transformatora,
sposobu chłodzenia transformatora,
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:

moc znamionową transformatora z uwzględnieniem odpowiedniego zapasu mocy na ewentualną rozbudowę lub konieczność pracy w układzie rezerwowym.
wartość napięcia górnego i dolnego (np. 15/0,42 kV).
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.
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.).
wymiary – jeśli miejsce, które mamy do dyspozycji, jest ograniczone.
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:

liczby pól odpływowych nn (z uwzględnieniem rezerwy),
układu rozdzielni średniego napięcia (liczba pól),
układu pomiarowego,
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.

Praktycznie należy starać się dobierać transformator tak by spełnić warunek określony wzorem (5.10).
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.
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 $\mathrm{tg}\varphi$ )

$P_Z=170\ \mathrm{kW}$ ,
$Q_Z=68\ \mathrm{kvar}$ .

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 $U_2=3\times 230/420\ \mathrm{V}$ .