Podręcznik

Uwagi ogólne

Przy doborze transformatorów należy ustalić, oprócz liczby, mocy i przekładni transformatorów, także ich podstawowe dane znamionowe, a mianowicie:

1. typ i rodzaj wykonania,
2. układy i grupy połączeń,
3. napięcie zwarcia,
4. wytrzymałość zwarciową cieplną i dynamiczną.

Moce transformatorów są dobierane do potrzeb różnych grup odbiorców. Im wyższe jest napięcie sieciowe, tym większe są moce przesyłane i rozdzielane oraz tym większe moce transformatorów. Można jednak podać wartości mocy znamionowych transformatorów najczęściej stosowanych w praktyce. Wynoszą one [17]:

• dla transformatorów 110/15 kV i 110/20 kV – 16, 20, 25, 31.5, 40, 63 MV·A
• dla transformatorów 20 kV/nn; 15 kV/nn; 6 kV/nn:
• w sieciach energetyki zawodowej 40, 63, 100, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630 kV·A;
• w sieciach energetyki przemysłowej 315, 400, 500, 650, 800, 1000, 1250 kV·A;
• w przypadku transformacji w sieciach energetyki przemysłowej SN/660 V:
• jak wyżej oraz 1600, 2000, 2500, 3150 kV·A.

Najczęściej są stosowane transformatory w wykonaniu olejowym. Wadą oleju jest jego palność oraz możliwość wybuchu par oleju powstających w razie pojawienia się łuku elektrycznego. Izolację suchą mogą mieć tylko transformatory o napięciach średnich i niewielkich mocach (100÷1250 kV·A). Są one droższe od olejowych, wrażliwe na wilgoć; stosuje się je tylko tam gdzie istnieje niebezpieczeństwo wybuchu i pożaru, a skutki ich byłyby szczególnie dotkliwe.

Najszerzej są stosowane transformatory dwuuzwojeniowe. Jedynie w przypadkach potrzeby zasilania dwóch sieci o różnych napięciach można użyć transformatorów trójuzwojeniowych lub transformatorów z tzw. uzwojeniami dzielonymi. Są to również transformatory trójuzwojeniowe z tym, że dwa uzwojenia SN są na to samo napięcie, np. 110/15/15 kV i każde z nich przenosi połowę mocy uzwojenia pierwotnego. Transformatory te cechuje ponadto podwyższone w stosunku do dwuuzwojeniowych, napięcie zwarcia. Zostały one wprowadzone dla uniknięcia dławików ograniczających prądy zwarciowe.

Transformatory mocy olejowe buduje się w Polsce w wykonaniu napowietrznym. Stosuje się je zarówno w stacjach napowietrznych, jak i wnętrzowych.

W krajowej sieci elektroenergetycznej są stosowane transformatory o następujących grupach połączeń: Yy0, Yz5, Dy5, Yd5 oraz Yd11 i Dy11.

Układ Yy0 jest stosowany w przypadkach, gdy obciążenie przewodu neutralnego nie przekracza 10% prądu znamionowego transformatora. Przy większych obciążeniach przewodu zerowego stosuje się układ Yz5 dla transformatorów o mocy do 250 kVA lub Dy5 dla mocy większych od 250 kVA. Układy transformatorów Yd11 i Dy11 są stosowane dla mocy powyżej 1600 kVA.

Krajowe transformatory posiadają znormalizowane wartości napięć zwarcia, wynoszące od kilku do kilkunastu procent. Wartość napięcia zwarcia zależy od mocy i górnego napięcia znamionowego transformatorów. Na zamówienie wykonuje się również transformatory z podwyższanym napięciem zwarcia oraz z dzielonymi uzwojeniami strony wtórnej, stosowane w przypadkach konieczności ograniczenia mocy zwarciowych.

Dobrane do warunków roboczych transformatory należy sprawdzić pod względem wytrzymałości zwarciowej określa je norma PN–EN 60865–1 [24].

Ogólne zasady doboru mocy i liczby transformatorów

Moc jednostek transformatorowych w danej stacji, ich ilość i lokalizacja stacji są głównie uzależnione od następujących czynników:

• wielkości i rozkładu obciążeń,
• wymaganego stopnia rezerwowania,
• rozmieszczenia urządzeń technologicznych i warunków terenowych.

W ogólnym przypadku moc stacji transformatorowej $S_t$ musi wynosić co najmniej:

gdzie: $P_s$ – obliczeniowa moc szczytowa na szynach dolnego napięcia, $\cos\varphi$ – współczynnik mocy na szynach dolnego napięcia (z uwzględnieniem kompensacji mocy biernej), $k_r$ – współczynnik rezerwy mocy stacji.

Wartość współczynnika rezerwy mocy $k_r$ zależy od wymagań odnośnie do rezerwowania mocy. Dla zasilania odbiorników III kategorii przyjmuje się zwykle $k_r=1,1\div1,2$; dla odbiorników I kategorii minimalna wartość współczynnika $k_r$ wynosi 2.

Ilość transformatorów pracujących w stacji powinna być wyznaczona (przy znajomości przebiegu obciążenia), z kryterium minimalizacji strat. Należy przy tym przestrzegać pewnych zasad.

W dużych stacjach o napięciu górnym 110 kV/SN przewiduje się od 1¸2 transformatorów przy zastosowaniu tak zwanej ukrytej rezerwy, dzięki której przy wypadnięciu jednego z transformatorów z pracy pozostałe będą zdolne pokryć całkowite zapotrzebowanie mocy. W stacjach średnich napięć zasilanych z sieci rejonowych z reguły stosuje się 2 transformatory. Natomiast w stacjach miejskich, wiejskich i przemysłowych oddziałowych o napięciu dolnym niskim z reguły projektuje się stacje jednotransformatorowe o mocach transformatorów:

• w stacjach miejskich do 630 kVA,
• w stacjach wiejskich do 400 kVA,
• w stacjach przemysłowych do 1600 kVA.

W przypadku zasilania odbiorników I i II kategorii, w razie braku możliwości rezerwowego zasilania należy projektować stacje dwutransformatorowe.

Przy doborze liczby i mocy transformatorów w stacjach zasilających zakłady przemysłowe należy założyć, że całkowita moc dobranych transformatorów jest nie tylko w warunkach roboczych co najmniej równa mocy zapotrzebowanej przez zakład, lecz także w warunkach zakłóceniowych moc transformatorów z uwzględnieniem dopuszczalnej przeciążalności powinna być wystarczająca do pokrycia mocy odbiorów wymagających rezerwowania.

Przy zastosowaniu w stacji jednego lub dwu transformatorów należy dążyć, aby moc poszczególnych jednostek była jednakowa. Dopuszcza się zastosowanie transformatora rezerwowego o mniejszej mocy niż moc pozostałych transformatorów w przypadku, gdy moc odbiorów wymagających rezerwowania jest mała w stosunku do obciążenia całkowitego lub jeśli występują znaczne różnice w obciążeniu.

Stacje oddziałowe są zazwyczaj projektowane jako jednotransformatorowe. W przypadku odbiorników wymagających rezerwowania z tej samej stacji można wyposażyć stacje oddziałowe w dwa transformatory.

Oprócz podanych wyżej zasad przy doborze liczby i mocy transformatorów należy brać pod uwagę następujące wskazówki:

• w sieciach przemysłowych ogranicza się moc pojedynczego transformatora (do 1600 kVA przy napięciu 400 V i 2500 kVA przy 690 V) z uwagi na trudności z doborem aparatury i łączników,
• w przypadkach wymagania dużej niezawodności ruchowej nie należy zakładać możliwości przeciążenia transformatorów.

Stacje transformatorowe SN/nn w sieciach terenowych budowane są jako jednotransformatorowe.

Dobór przekładni i zakresu regulacji transformatorów

O doborze przekładni transformatora decydują w danym miejscu układu elektroenergetycznego następujące parametry:

• napięcie górne i dolne,
• dopuszczalne wahania napięcia dla odbiorników przyłączonych do transformatora po stronie dolnego napięcia.

Aby utrzymać wahania napięcia w dopuszczalnych granicach, stosuje się regulację zaczepową, przy czym są stosowane następujące sposoby regulacji:

• regulacja zaczepowa w stanie beznapięciowym,
• regulacja zaczepowa pod obciążeniem automatyczna i półautomatyczna – stacje 110 kV/SN.

Regulacja zaczepów znajdujących się zwykle po stronie uzwojenia napięcia znajdujących się zwykle po stronie uzwojenia napięcia wyższego wpływa na zmianę przekładni transformatora.

Regulację zaczepową w stanie beznapięciowym stosuje się dla stacji SN/nn, gdy występuje konieczność zmiany przekładni (kilka razy w roku).

Normalne zakresy regulacji w stanie beznapięciowym w transformatorach o mocy do 160 kVA wynoszą ± 5%, w transformatorach o mocy 2÷16 MVA – ± 5%.

W przypadku częstej konieczności zmiany przekładni stosowana jest regulacja napięcia przez zmianę zaczepów pod obciążeniem. Normalny zakres regulacji napięcia pod obciążeniem w transformatorach o mocach 2÷16 MVA wynosi ± 10%, a w transformatorach o mocy do 16 MVA wzwyż ± 16%, może być także 23, 25 zaczepów.

Regulacja zaczepowa pod obciążeniem może być wykonana jako półautomatyczna (stosowana tylko w stacjach ze stałą obsługą) i automatycznie.

Ekonomiczny dobór transformatorów

O ostatecznym doborze liczby i mocy jednostek transformatorowych decyduje analiza techniczno– ekonomiczna. Po ustaleniu kilku wariantów mocy transformatorów spełniających wymagane warunki techniczne z uwzględnieniem pokrycia mocy zapotrzebowanej odbiorów w warunkach normalnych i przy dopuszczalnym przeciążeniu transformatorów w warunkach zakłóceniowych, przeprowadza się rachunek ekonomiczny porównania wariantów i wybiera wariant optymalny. Rachunek ten pozwala na ustalenie tak zwanej ekonomicznej mocy transformatorów.

Przy porównywaniu wariantów różniących się znacznie niezawodnością zasilania (np. stacja z jednym lub z dwoma transformatorami) do obliczenia kosztów rocznych należy stosować wzór uwzględniający koszty zawodności rozpatrywanych wariantów.

Obciążalność transformatorów

Sposób określania dopuszczalnego obciążenia mocą transformatorów energetycznych podaje norma PN–IEC 76–1/AK [25].

Przewodnik zawiera wskazówki dotyczące obciążenia transformatorów ze względu na temperatury pracy i starzenie cieplne izolacji. Zawiera zalecenia do obciążenia powyżej wartości znamionowych i wytyczne umożliwiające projektantowi wybór odpowiednich wartości znamionowych i warunków obciążenia nowych instalacji.

Przewodnik podaje matematyczne modele służące do oceny skutków rozmaitych obciążeń – nieustalonych oraz zmieniających się cyklicznie – w różnych temperaturach czynnika chłodzącego. Przedstawia również zalecenia dotyczące dopuszczalnego obciążenia na podstawie wyników obliczeń temperatury. Zalecenia te odnoszą się do różnych wielkości i znaczenia kategorii transformatorów, a także do różnych rodzajów obciążenia – obciążenie ciągłe, normalne, cykliczne obciążenie bez zakłóceń lub doraźne obciążenie awaryjne.

Podaje się w tabelach 5.4. i 5.5. dane znamionowe transformatorów WN/SN i SN/nn [17], [18].

Tabela 5.4. Transformatory WN/SN – dane znamionowe [17],[18]

Tabela 5.5 Transformatory SN/nn – dane znamionowe [17], [18]