Transformatory współpracują z przekształtnikami w układach regulacyjnych, napędach, a także na farmach wiatrowych i solarnych. Aby elektrownie wiatrowe lub fotowoltaiczne mogły współpracować z siecią energetyczną, musi istnieć układ dostosowujący parametry wytworzonej energii do parametrów sieci.
W praktyce energię uzyskaną z ww. źródeł odnawialnych gromadzi się w bateriach akumulatorów i za pośrednictwem przekształtnika (inwertera) współpracującego z transformatorem przekazuje się do sieci. W dużych układach stosuje się odpowiednie filtry, do zmniejszenia zawartości harmonicznych, aby do transformatora doprowadzane zostało napięcie praktycznie sinusoidalne. Filtry te w sposób znaczny podnoszą koszt takiej inwestycji, co powoduje, że liczne małe lokalne źródła energii odnawialnej nie są wyposażane w odpowiednie układy wygładzające przebieg, w wyniku czego transformator zasilany jest napięciem o przebiegu prostokątnym lub schodkowym, odzwierciedlającym sinusoidę.
Kilka lat temu został przywieziony przez producenta, do laboratorium IEn, transformator o mocy 360 kVA przeznaczony do współpracy z przekształtnikiem tyrystorowym bez układu wygładzającego przebieg schodkowy napięcia. Zespół transformator przekształtnik był przeznaczony do napędu silnika maszyny wydobywczej. Powodem, dla którego producent zdecydował się na przywiezienie transformatora z uszkodzonymi uzwojeniami jednej fazy był fakt, że transformator ten był kolejnym, drugim lub trzecim, który uległ awarii po bardzo krótkim czasie eksploatacji – kilku tygodniach. Po szczegółowym omówieniu warunków eksploatacji tego transformatora, ustalono że zostaną na zdrowych fazach przeprowadzone próby, obrazujące zjawiska zachodzące w uzwojeniach tej jednostki przy zasilaniu przebiegami szybkozmiennymi. Wskażemy słabe punkty izolacji uzwojeń i innych elementów konstrukcji transformatora, co umożliwi wydłużenie czasu bezawaryjnej pracy – zwiększy niezawodność tego układu.
Parametry omawianej jednostki: moc 360 kVA, przekładnia 3 x 380 V / 3 x (3850 – 3600 – 3350)V, układ połączeń YNy0 poziom izolacji uzwojeń GN: LI40, uz = 2%.
Zaproponowano wykonanie pomiaru rozkładu przepięć wzdłuż uzwojenia GN na dostępnych zwojach. Atakowano udarem piorunowym pełnym i uciętym zacisk 1U przy zwartych zaciskach 2-5 oraz 3-4. Uziemiono zaciski 8 i 7, a zacisk 1 (1N) pozostał izolowany.
W izolacji zwojowej zewnętrznej warstwy cewki GN fazy U oraz w izolacji skrajnych zwojów warstwy wewnętrznej nawiercono otwory umożliwiające pomiar rozkładu przepięć. Uszkodzono także taśmy na krańcach uzwojeń, utrudniające dostęp do skrajnych zwojów.
Pomiary wykonano w układzie, którego schemat blokowy przedstawiono na rys. 2.
Mierzono:
- wartość szczytową udaru jako wielkość odniesienia,
- wartości szczytowe przepięć U,
- czas trwania półszczytu przepięcia τ1/2.
Wartość zmierzonego napięcia przeliczono na poziom probierczy zakładając liniowość transformatora przy przebiegach impulsowych. Stosowano wzór:
W ten sposób określone przepięcia przeliczono na procenty napięcia probierczego korzystając ze wzoru:
gdzie:
uRZ – rzeczywiste napięcie podczas próby piorunowej w kV,
Uprob – napięcie probiercze w kV,
Uud – wartość szczytowa udaru powtarzalnego w V,
u – zmierzone napięcie w V,
up – przepięcie wyrażone w procentach
napięcia probierczego
Rozważono kolejne fragmenty układu izolacyjnego transformatora. Przy prezentacji wyników pomiarów wskazano największe przepięcia piorunowe zagrażające tym fragmentom.
Rozkład przepięć doziemnych wzdłuż uzwojenia GN pomierzona przy zwartych zaciskach 5 – 2, atakowano zacisk 1U udarem 1,2/50 µs o amplitudzie 20 V i przeliczano na amplitudę udaru probierczego 40 kV.
W tabelach 1 do 5 numerowano zwoje zewnętrznej warstwy kolejno od dołu cewki.
W warstwie wewnętrznej uzyskano dostęp tylko do skrajnych zwojów, które ponumerowano od skrajnego w głąb uzwojenia.
Następnie izolację wzdłużną uzwojenia GN zbadano przy zwartych zaciskach 3-4 Atakowano zacisk 1U udarem
1,2/50 µs o amplitudzie 20 V i przeliczano na amplitudę udaru probierczego 40 kV.
Jak wynika z wyników powyższych pomiarów udar pełny nie stanowi zagrożenia dla izolacji wzdłużnej uzwojenia GN.
Ponieważ transformator zasilany jest z układu przekształtnikowego napięciem o przebiegu praktycznie prostokątnym o dużej stromości narastania, sprawdzono, jakie występują przepięcia przy ataku udarem uciętym o dużej stromości ucięcia. Parametry udaru uciętego: amplituda 20 V, czas do ucięcia Tc = 2 μs, czas ucinania Tu = 25ns i przeliczano na amplitudę udaru probierczego 40 kV.
Wykonano pomiary przepięć pomiędzy górnymi skrajnymi zwojami warstw uzwojenia GN oraz analogiczny pomiar dla skrajnych dolnych zwojów.
Jak wynika ze schematu z rys. 3 wyprowadzone odpływy szczególnie z warstwy zewnętrznej umieszczone są wzdłuż uzwojeń w kanale pomiędzy uzwojeniami DN i GN. Powoduje to zbliżenie pomiędzy odległymi zwojami, a także pomiędzy odpływami a uziemionymi elementami części aktywnej.
Przykładowe oscylogramy
- Na podstawie przeprowadzonych pomiarów można stwierdzić, że izolacja transformatora jest poprawnie zaprojektowana do zasilania napięciem sinusoidalnym.
- Przy zasilaniu z przekształtnika napięciem praktycznie prostokątnym o dużej stromości narastanie oraz o częstotliwości f = 283 Hz, co oznacza wystąpienie impulsu napięciowego co 0,59 ms. Jest to bardzo krótki czas, po którym następuje kolejny impuls napięciowy, a wywołane nim oscylacje napięcia nakładają się na gasnące oscylacje wywołane poprzednim impulsem. (1700 Hz).
- Izolacja zwojowa powinna wytrzymywać napięcia rzędu 4,5 kV.
- Izolacja odpływów powinna być przewidziana na podwójne napięcie probiercze, czyli ok. 80 kV dla napięcia udarowego lub 20-30 kV napięcia roboczego.
Zaproponowano nastepujace zmiany poprawiające konstrukcje:
- Zastosowanie dodatkowej izolacji papierowej na przewodach emaliowanych np. 3 warstwami papieru aramidowego o grubości 0,05 mm na zakładkę do połowy szerokości paska, zastosowanie przewodów tylko w izolacji aramidowej impregnowanej lakierem.
- Staranne izolowanie odpływów – proponowana grubość izolacji aramidowej ok. 2,5 mm / str. lub innej równoważnej izolacji.
- Ponieważ transformatory tego typu przewidziane są do pracy w trudnych warunkach dodatkowo proponuje się zastosowanie rozwiązania konstrukcyjnego umożliwiającego podniesienia napięcia zwarcia do 3 – 3,5 %. Co zwiększy odporność transformatora na zwarcia i złagodzi stromości transformowanych przepięć.
- Bazując na literaturze dotyczącej falowników oraz na doświadczeniach własnych należy stwierdzić, że w przebiegach prostokątnych napięć wyjściowych z falowników w praktyce występują asymetrie górnych i dolnych przebiegów. Te asymetrie powodują powstanie składowej stałej napięcia, a to z kolei wywołuje składowe stałe amperozwojów, które niekorzystnie podmagnesowują rdzeń transformatora. W praktyce zakłada się, że wartość amperozwojów składowej stałej nie przekracza 5% amperozwojów prądu znamionowego transformatora (składowa stała amperozwojów nie transformuje się). Przeto, w celu kompensacji skutków od składowej stałej amperozwojów zaleca się zastosowanie szczelin niemagnetycznych jednakowych w każdej z kolumn transformatora.
Anna Krajewska – IEn Zespól ds. Certyfikacji
LITERATURA:
[1]. Z. Hasterman, F. Mosiński, A. Maliszewski, Wytrzymałość elektryczna transformatorów energetycznych, WNT Warszawa 1983
[2]. Praca zbiorowa, Uzwojenia transformatorów energetycznych. Budowa i obliczanie, WNT Warszawa 1982
[3]. M. Jabłoński, Transformatory, wyd. Politechniki Łódzkiej 1973
[4]. M. Jabłoński, Przekształtniki. Zagadnienia teorii obwodów, wyd. Politechniki Łódzkiej 1978
[5]. A. Krajewska , Analiza konstrukcji transformatora 360 kVA, 3 x 380V/3 x 3850V – 3600V – 3350V pod kątem możliwości zasilania z falownika 275 Hz napięciem prostokątnym o dużej stromości narastania. Opracowanie wewnętrzne IEn-OT 2009 r.
[6]. A. Krajewska, Wybrane próby specjalne transformatorów energetycznych, Materiały z konferencji naukowo-technicznej, Transformatory Energetyczne i Specjalne – Nowoczesne konstrukcje, niezawodna eksploatacja. Kazimierz Dolny, 8-10 października 2014, str. 303-310
