Technologie

Wybrane aspekty poprawnej eksploatacji transformatorów rozdzielczych i dławików

opublikowany przez redakcja 10 września 2017 0 komentarzy

1. Streszczenie

W ostatnim czasie obserwujemy bardzo dynamiczne zmiany dotyczące infrastruktury energetycznej. W znaczącej skali występują urządzenia energetyki rozproszonej, dużo więcej jest odbiorów przekształtnikowych. Konkurencja kosztowa wymusza coraz oszczędniejsze konstrukcje. W wielu wypadkach urządzenia muszą być dedykowane do określonych zastosowań i przewidzianych reżimów pracy. W związku z tym, urządzenia stosowane w energetyce muszą być używane zgodnie z przeznaczeniem, gdyż praca w warunkach odmiennych, od tych przewidzianych przez projektanta, może prowadzić do szybszego zużywania się urządzeń a w przypadkach szczególnych również do awarii. Artykuł ten opisuje zagadnienia, które powinny być wzięte pod uwagę przy zamawianiu i eksploatowaniu transformatorów oraz dławików, tak aby użytkować je bezawaryjnie w przewidzianym okresie życia wyrobu.

Słowa kluczowe: Transformatory rozdzielcze, dławiki, eksploatacja, czas życia transformatora

2. Wstęp

Transformatory lub dławiki są projektowane tak, aby pracowały niezawodnie i bezawaryjnie w długim okresie czasu. Deklarowany przez producenta czas użytkowania zawiera się między 20 a 40 lat dla transformatorów rozdzielczych, jak również dławików tej wielkości. Właściwe warunki eksploatacji transformatora, czy też dławika z reguły pozwalają na tak długotrwała pracę. Natomiast eksploatacja w innych, nietypowych warunkach może znacznie skrócić czas życia i doprowadzić do zniszczenia urządzenia. Gdy warunki pracy odbiegają od normalnych, fakt taki powinny być uwzględniony w zapytaniu ofertowym lub w specyfikacji istotnych warunków zamówienia (SIWZ). Do warunków takich należą [1]:

  • przeciążenia lub zwarcia po stronie odbioru,
  • nadmierna zawartość wyższych harmonicznych w prądzie obciążenia,
  • zbyt częste operacje włączania i wyłączania transformatora,
  • praca przy zbyt wysokim strumieniu (zależnym od ilorazu napięcia i częstotliwości),
  • niesinusoidalne i niesymetryczne napięcie zasilania,
  • nietypowe przejściowe przebiegi łączeniowe
  • obecność składowej stałej prądu [2],
  • nadmierne zapylenie,
  • nadmierna wilgotność lub obecność pary wodnej,
  • promieniowanie słoneczne,

Powyższe czynniki związane są z narażeniem transformatora na przegrzanie, przepięcia, czy też na mechaniczną lub chemiczną degradację części aktywnej. Każdy z tych czynników prowadzi do wolniejszej lub gwałtownej degradacji układu izolacyjnego, a w konsekwencji do zniszczenia transformatora. Niejednokrotnie specyficzne warunki pracy mogą wpłynąć na całkowicie odmienną konstrukcję, co będzie miało odzwierciedlenie w parametrach, gabarytach, zużyciu materiałów, a tym samym w cenie. Zagadnienie to, mimo że opisane dokładnie w przedmiotowych normach i mimo, że poruszane jest na konferencjach tematycznych dotyczących transformatorów, ciągle wymaga przypominania. W artykule tym omówiono wybrane aspekty eksploatacyjne, które mają znaczący wpływ na długość życia urządzenia.

3. Chłodzenie i przeciążalność

Pod wpływem przepływu prądu w uzwojeniach transformatora generowane są straty, które powodują nagrzewanie się uzwojeń i części konstrukcyjnych. Izolacja transformatora podczas jego eksploatacji ulega starzeniu, nawet jeśli wartość prądu nie przekracza prądu znamionowego. Ogólne zjawisko termicznego starzenia się izolacji opisują zależności Arrheniusa oraz Montsingera. W uproszczeniu wynika z nich, że podwyższenie temperatury pracy o określoną temperaturę ΔT powoduje dwukrotne przyspieszenie procesów starzeniowych. Z reguły wartość przyrostu tej temperatury określana jest jako ΔT ≈ 6÷8 K. Mimo, że wartość tę wyznaczono dla transformatorów olejowych, to można ją również przyjmować dla transformatorów suchych (żywicznych). Należy przy tym pamiętać, że odnosi się ona do najcieplejszego punktu uzwojenia transformatora (hot-spot). Do lokalnego przegrzania uzwojenia mogą prowadzić np. obecność wyższych harmonicznych lub też nieprawidłowe podłączenie zacisku, ale także, w przypadku transformatorów suchych, nierównomiernie osadzające się zapylenie. Jeśli temperatury uzwojeń nie przekraczają wartości przynależnej klasie temperaturowej izolacji, proces starzenia się izolacji jest powolny. W przypadku transformatorów lub dławików suchych żywicznych, zgodnie z normą [3] orientacyjny, teoretyczny czas życia urządzenia L wynosi:

gdzie:

T – najcieplejsze miejsce uzwojenia (hot-spot) w K,

a, b – stałe równania Arrhenius’a [3]

Podobne zależności dotyczą również transformatorów olejowych [4]

Transformatory podczas eksploatacji bardzo często narażone są na okresowe przeciążenia, przewzbudzenia, wzrosty temperatur ponad wartość znamionową, a czasami również krótkotrwałe zwarcia w obwodach zasilanych. Ponieważ zależność (1) nie uwzględnia tego typu warunków pracy to obliczony z niej czas życia powinien być traktowany wyłącznie jako wartość teoretyczna. Jako znamionową wartość „hot-spot” przyjmuje się wartość wynikającą ze średniorocznej temperatury otoczenia oraz z przyrostów temperatur przy znamionowym obciążeniu. Wynika stąd, że podczas eksploatacji transformatora w wyższych temperaturach otoczenia, jego obciążenie powinno być odpowiednio zredukowane. Szczegółowych informacji dostarczają stosowne normy dotyczące możliwości obciążania transformatorów w warunkach odbiegających od znamionowych [3, 4]. Zgodnie z nimi transformator w danej chwili może być obciążany w stopniu zależnym od: jego obciążenia w czasie poprzedzającym, temperatury otoczenia oraz stałej czasowej uzwojeń. W praktyce obciążenie transformatora zgodnie z krzywymi obciążenia [4] jest obarczone dość dużą niepewnością, ze względu na konieczność znajomości stałej czasowej uzwojenia, oraz precyzyjnego śledzenia stanu obciążenia transformatora i temperatury otoczenia. Krzywe obciążenia podawane w normach zaleca się stosować tylko jako bardzo szacunkowe wytyczne, z zachowaniem szczególnej ostrożności jeśli chodzi o przeciążanie transformatora w stosunku do prądu znamionowego. Najczęściej też transformatory nie pracują stale w warunkach obciążenia znamionowego. Zaleca się by transformator obciążany był w około 70%, gdzie jego sprawność jest wyższa niż przy obciążeniu znamionowym.

Z kolei specyfiką dławików (zwłaszcza dławików nieregulowanych) jest ciągła praca przy prądzie znamionowym. Załączony dławik przez cały czas pracuje na swoim 100% obciążeniu (biernym), a to sprawia, że wydzielane straty, są stratami znamionowymi i powodują maksymalny wzrost temperatury. Zatem, by nie dopuścić do przegrzewania się urządzenia należy zadbać o jego właściwe chłodzenie. Transformatory rozdzielcze, czy też dławiki o podobnej wielkości najczęściej chłodzone są w sposób naturalny konwekcyjny (AN dla urządzeń suchych lub ONAN dla urządzeń w izolacji olejowej). W przypadku urządzeń zainstalowanych w warunkach zewnętrznych, otaczające powietrze w wystarczający sposób chłodzi urządzenia. Pewnym elementem krytycznym mogą być miejsca instalacji narażone na silną ekspozycję promieniowania słonecznego. Natomiast urządzenia montowane wnętrzowo powinny mieć zapewniony dostęp do powietrza chłodzącego o odpowiednim przepływie. Jako punkt wyjścia należy przyjąć, że dla odprowadzenia 1 kW strat z komory konieczny jest przepływ ok. 180 m3/h powietrza. W związku z tym przy chodzeniu grawitacyjnym komora powinna być wyposażona w otwory wlotowe i wylotowe umieszczone na przeciwległych ścianach i spełniające poniższe zależności:                                          

 

gdzie:

S1 – powierzchnia otworu wlotowego [m2], S2 – powierzchnia otworu wylotowego [m2],

P – łączne straty transformatora przeliczone na temperaturę odniesienia [kW],

H – różnica wysokości między osiami otworów wentylacyjnych (wlotowym i wylotowym) [m]

W przypadku, kiedy te warunki nie są spełnione można spodziewać się, że transformator, czy też dławik będzie pracował w wyższych temperaturach, co może przyczynić się do skrócenia jego żywotności. Przy wspomaganiu chłodzenia komory w sposób wymuszony należy zwrócić uwagę na to, by wymuszony strumień powietrza nie zaburzał, a raczej wspomagał przepływ naturalny.

Korzystne jest wyposażanie transformatorów lub dławików w termometry pozwalające na ustawienie określonych progów reakcji (typu „Alarm” lub „Wyłączenie”). Pozwala to na bezpieczniejsze i bardziej efektywne wykorzystanie transformatorów. Korzystając z termometru należy pamiętać, że w przypadku transformatorów suchych (żywicznych) są one umieszczane najczęściej w kanale uzwojenia DN lub w kanale pomiędzy rdzeniem a uzwojeniem DN, natomiast dla transformatorów olejowych znajdują się one w odpowiedniej kieszeni umieszczonej na pokrywie i mierzą temperaturę oleju. W stanach cieplnie ustalonych na podstawie ich wskazań można wnioskować o stanie cieplnym całego urządzenia, natomiast w przypadku stanów cieplnie nieustalonych można spodziewać się pewnej zwłoki czasowej.

4. Niestandardowe zasilanie lub obciążenie

Normalne warunki zasilania opisane w normach [1] to zasilanie, gdzie dopuszczalne jest przewzbudzenie transformatora do wartości nie większej niż 105% napięcia znamionowego. Jest to warunek, z którego powinno się korzystać rzadko, jedynie w przypadku krótkotrwałej konieczności zapewnienia zasilania awaryjnego lub skrajnego obciążenia szczytowego. Wyższe od znamionowego napięcie robocze (przy stałej częstotliwości) wiąże się z generowaniem wyższych strat jałowych. Te z kolei generują nadmierny przyrost temperatury rdzenia, co może sprawić, że zostaną przegrzane sąsiadujące z nim elementy układu izolacyjnego. Napięcie zasilania powinno być niemal sinusoidalne. Maksymalna wartość THD(u) nie może przekraczać 5%, oraz 1% harmonicznych parzystych. W przypadku zasilania odbiorników nieliniowych, generujących wyższe harmoniczne prądu, konieczne są dodatkowe obliczenia cieplne transformatora, które musza uwzględniać występowanie zwiększonych strat obciążeniowych, a więc i większej ilości wytworzonego ciepła. Przypadki przewzbudzeń transformatorów i pracy przy zwiększonej zawartości wyższych harmonicznych mogą być dość częste w przypadku coraz powszechniejszej energetyki rozproszonej – farmy wiatrowe lub fotowoltaiczne. W takich przypadkach, przy zakupie transformatora, konieczne jest podanie, na jakie przewzbudzenie transformator powinien być odporny i jakie widmo harmoniczne prądu powinno być uwzględnione przy projektowaniu transformatora. W niektórych przypadkach podanie wyłącznie współczynnika THD może prowadzić do nieprawidłowości w doborze transformatora z uwagi na fakt, że harmoniczne wyższych rzędów w różny sposób wpływają na straty dodatkowe i może się zdarzyć, że transformator przy niższym THD w rzeczywistości będzie bardziej narażony na przegrzanie, niż transformator przy THD o wyższej wartości [5].

W przypadku dławików również bardzo powszechnych w energetyce rozproszonej przewzbudzenie skutkuje powiększonymi stratami. Z uwagi na dość liniową charakterystykę dławika przewzbudzenie do wartości 105% napięcia znamionowego powoduje przepływ prądu o wartości również 105% wartości znamionowej. Z uwagi na zależność strat obciążeniowych od kwadratu pradu skutkuje powiększeniem strat o ponad 10%. Przy przewzbudzeniu do 110% wzrost strat już jest ponad 20%, co jest wartością bardzo krytyczną.

Ostatnie publikacje [6] mówią również o innym niekorzystnym zjawisku związanym ze specyfiką energetyki rozproszonej. Są to bardzo gwałtowne i częste zmiany obciążenia. Zaobserwowane zostało, że częste rozruchy transformatora od stanu zimnego przy obciążeniu znamionowym mogą prowadzić do znacznie szybszej degradacji izolacji niż długotrwała praca przy znamionowym obciążeniu. Zjawisko to jest związane z pewną bezwładnością izolacji olejowej. Zimny olej z uwagi na jego wyższą lepkość gorzej krąży wewnątrz transformatora, a to sprawia, że w początkowej chwili pracy nagrzewanie się uzwojeń jest znacznie intensywniejsze.

5. Przepięcia

Obecność zbyt dużych przepięć może prowadzić bezpośrednio do przebicia układu izolacyjnego, które w następstwie może rozwinąć się w zwarcie zwojowe lub międzywarstwowe. Nawet jeżeli z powodu przepięć nie dochodzi do przebicia, to należy zdawać sobie sprawę z faktu występowania w takich warunkach wyładowań o niskiej energii (wyładowań niezupełnych). Jeśli do takich wyładowań dochodzi w oleju to z uwagi na jego cyrkulację, wytrzymałość jego w tym miejscu odbudowuje się. W przypadku izolacji stałej w transformatorach żywicznych wyładowania niezupełne w dłuższej perspektywie czasowej prowadzą do lokalnego osłabienia izolacji, a następnie do całkowitego przebicia i w konsekwencji zwarcia. Wcześniej wspomniano o negatywnym wpływie lokalnych zanieczyszczeń na nagrzewanie transformatora. Jednak nie jest to jedyny skutek zanieczyszczeń. Bardzo często w eksploatacji można spotkać się z zanieczyszczeniami mającymi charakter przewodzący. W przypadku transformatorów suchych (żywicznych) mogą one zmieniać rozkład pola na powierzchni cewek i mogą prowadzić do wyładowań niezupełnych, dużych prądów upływu lub wręcz przebić.

6. Podsumowanie

Poprawna, bezawaryjna i bezproblemowa eksploatacja urządzenia uzależniona jest od tego, czy zostało ono dobrane poprawnie do miejsca, w którym jest zainstalowane. Im lepiej przeznaczenie urządzenia i warunki pracy zostały zdefiniowane przez użytkownika, tym bardziej poprawnie urządzenie będzie mogło być zaprojektowane w stosunku do wymagań i tym poprawniej będzie mogło pracować. W zapytaniu ofertowym i w zamówieniu należy podawać wszelkie dane, dotyczące niestandardowych warunków pracy. Ponadto należy eksploatować urządzenia zgodnie z wytycznymi zawartymi w normach, zaleceniach branżowych i dokumentacji techniczno-ruchowej.

Mówiąc o błędach w użytkowaniu należy wspomnieć o jeszcze o jednym bardzo istotnym aspekcie związanym z projektowaniem zasilania. W ostatnim okresie obserwowana jest tendencja do bardzo „oszczędnego” projektowania zasilania obiektów. Zdarza się, że nawet obiekty (linie produkcyjne) o ruchu ciągłym zasilane są z jednego transformatora, wykorzystywanego w blisko maksymalnym stopniu i to nawet w sytuacjach, gdy koszt transformatora jest nieporównywalnie mniejszy w stosunku do kosztu ewentualnego braku zasilania. Podobna sytuacja dotyczy dławików, gdzie koszt braku kompensacji już po kilku dniach może przewyższyć koszt dławika. Z konstrukcyjnego punktu widzenia transformatory lub dławiki do takich zastosowań bardzo często odbiegają od wyrobów katalogowych, bowiem są wykonywane z niestandardowych materiałów. Stąd przeważnie nie jest możliwe natychmiastowe wykonanie naprawy lub wyprodukowanie nowego transformatora czy też dławika.

Literatura

[1] PN-EN 60076-1:2011 Transformatory – Część 1: Wymagania ogólne
[2] PN-EN 60076-8:2002 Transformatory – Część 8: Przewodnik stosowania
[3] IEC 60076-12:2008 „Loading guide for dry-type power transformers”
[4] IEC 60076-12:2005 Loading guide for oil-immersed power transformers
[5] Piotr Wolnik, Janusz Sobota: Wpływ występowania wyższych harmonicznych w prądzie obciążenia transformatora dystrybucyjnego na sposób jego eksploatacji, Konferencja Zarządzanie Eksploatacją Transformatorów Wisła-Jawornik 2012
[6] Tom Breckenridge: Specification of transformers for required service, Międzynarodowa Konferencja Transformatorowa TRANSFORMATOR’17

dr inż. Jacek DZIURA, TRAFTA Sp. z o.o.

1.Maja 152, 42-300 Myszków

 

Warto zobaczyć

Zostaw komentarz