Technologie

Co dzieje się w uzwojeniach transformatora współpracującego z przekształtnikiem? – studium przypadku

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.

Rys. 1. Widok omawianego transformatora.

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.

Rys. 2. Schemat połączeń transformatora.
Rys. 3. Schemat blokowy układu pomiarowego
Rys. 4. Układ i oznaczenie końców uzwojeń

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:

(1)

W ten sposób określone przepięcia przeliczono na procenty napięcia probierczego korzystając ze wzoru:

(2)

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

Rys. 5. Oscylogram udaru uciętego skala 5 V/cm, 1 μs/cm
Rys. 6. Oscylogram udaru pełnego skala 5 V/cm, 10 μs/cm
Rys. 7. Oscylogram przepięcia od udaru uciętego w warstwie zewnętrznej pomiędzy 7 a 8 zwojem skala 5 V/cm, 1 μs/cm; zwarte zaciski 4 – 3
Rys. 8. Oscylogram przepięcia od udaru uciętego w warstwie zewnętrznej pomiędzy 7 a 8 zwojem skala 0,5 V/cm, 1 μs/cm; zwarte zaciski 2 – 5
Rys. 9. Oscylogram przepięcia od udaru pełnego w warstwie zewnętrznej pomiędzy 7 a 8 zwojem skala 0,2 V/cm, 10 μs/cm; zwarte zaciski 4 – 3
Rys. 10. Oscylogram przepięcia od udaru pełnego w warstwie zewnętrznej pomiędzy 7 a 8 zwojem skala 0,2 V/cm, 10 μs/cm; zwarte zaciski 2 – 5
Rys. 11. Oscylogram przepięcia od udaru pełnego w warstwie wewnętrznej pomiędzy 57 a 58 zwojem na górze cewki skala 0,2 V/cm, 10 μs/cm; zwarte zaciski 2 – 5
Rys. 12. Oscylogram przepięcia od udaru pełnego w warstwie zewnętrznej pomiędzy 57 a 58 zwojem skala na górze cewki 0,2 V/cm, 10 μs/cm; zwarte zaciski 3 – 4
Rys. 13. Oscylogram przepięcia od udaru uciętego w warstwie zewnętrznej pomiędzy 57 a 58 zwojem skala na górze cewki 0,5 V/cm, 1 μs/cm; zwarte zaciski 2 – 5
Rys. 14. Oscylogram przepięcia od udaru uciętego w warstwie zewnętrznej pomiędzy 57 a 58 zwojem skala na górze cewki 1 V/cm, 1 μs/cm; zwarte zaciski 3 – 4
Rys. 15. Oscylogram przepięcia od udaru uciętego pomiędzy zaciskiem 3 a 6, skala 2 V/cm, 1 μs/cm; zwarte zaciski 2 – 5
Rys. 16. Oscylogram przepięcia od udaru uciętego pomiędzy zaciskiem 4 a 1, skala 5 V/cm, 1 μs/cm; zwarte zaciski 3 – 4
Rys. 17. Oscylogram przepięcia od udaru pełnego pomiędzy zaciskiem 3 a 6, skala 1 V/cm, 5 μs/cm; zwarte zaciski 2 – 5
Rys. 18. Oscylogram przepięcia od udaru pełnego pomiędzy zaciskiem 4 a 1, skala 2 V/cm, 5 μs/cm; zwarte zaciski 3 – 4
Rys. 19. Oscylogram przepięcia od udaru uciętego pomiędzy zaciskiem 1 a ziemią, skala 10 V/cm, 5 μs/cm; zwarte zaciski 3 – 4
Rys. 20. Oscylogram przepięcia od udaru pełnego pomiędzy zaciskiem 1 a ziemią, skala 10 V/cm, 5 μs/cm; zwarte zaciski 3 – 4
  1. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów można stwierdzić, że izolacja transformatora jest poprawnie zaprojektowana do zasilania napięciem sinusoidalnym.
  2. 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).
  3. Izolacja zwojowa powinna wytrzymywać napięcia rzędu 4,5 kV.
  4. 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:

  1. 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.
  2. Staranne izolowanie odpływów – proponowana grubość izolacji aramidowej ok. 2,5 mm / str. lub innej równoważnej izolacji.
  3. 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.
  4. 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

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top