Transformatory rozdzielcze z podobciążeniowym przełącznikiem zaczepów jako element systemów zdalnej stabilizacji napięcia w elektroenergetycznych inteligentnych sieciach rozdzielczych SN

Wstęp

We współczesnej gospodarce świata energia elektryczna odgrywa bardzo istotną rolę. Jej światowe zużycie szybko wzrasta, mimo coraz efektywniejszego jej wykorzystywania. Rozwojowi gospodarki światowej i wzrostowi zaludnienia towarzyszy nieustanny wzrost zapotrzebowania na energię. W celu pokrycia wzrastającego zapotrzebowanie na energię elektryczną, jej światowa produkcja wzrosła na przestrzeni ostatnich 15 lat o prawie  60% [1].
Poniższe zestawienie prezentuje wielkość produkcji energii elektrycznej w latach 2000-2015.

Według najnowszych prognoz prezentowanych w „International Energy Outlook 2016”, w 2040 roku podaż elektryczności wyniesie 37 000 TWh, czyli blisko o 80% więcej niż w roku 2010. Równocześnie, wraz ze wzrostem zapotrzebowania na energię rośnie koszt pozyskania surowców naturalnych wykorzystywanych do jej produkcji oraz kurczą się ich źródła. Jest to szczególnie widoczne w państwach europejskich, które w coraz większym stopniu zależne są od importu paliw kopalnych, wykorzystywanych w transporcie i do produkcji elektryczności. Paliwa kopalne stanowiły w 2008 roku aż 78% [3] wewnętrznego zużycia energii brutto w Unii Europejskiej. Pomimo systematycznego spadku w kolejnych lat ich udział jest nadal bardzo znaczący i wynosił w 2015 roku 72,6%. W świetle rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną, ograniczonych zasobów paliw kopalnych oraz coraz bardziej rygorystycznych norm ochrony środowiska, producenci energii zmuszeni są do korzystania z niekonwencjonalnych sposobów jej pozyskiwania. Szczególnie w ostatnich latach można zauważyć dynamiczny rozwój nowych technologii związanych z odnawialnymi źródłami energii oraz ciągle zwiększający się udział tych źródeł w bilansach energetycznych większości krajów rozwiniętych.

Ogółem w 2014 roku ponad 20% energii elektrycznej zostało wyprodukowane z wykorzystaniem źródeł energii odnawialnej, z czego największy udział miały elektrownie wodne i wiatrowe.

Wzrost znaczenia źródeł energii odnawialnej w strukturze sektora wytwarzania energii pociąga za sobą zmiany w całej infrastrukturze energetycznej krajów. Oprócz tradycyjnych elektrowni oraz dużych farm wiatrowych i słonecznych powstają mniejsze jednostki w bezpośrednim sąsiedztwie odbiorców energii (rysunek 3). Zaletą kogeneracji rozproszonej jest redukcja kosztów rozbudowy sieci transmisyjnych oraz zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego na obszarze jej stosowania. Jednak w niektórych rejonach gdzie powstają nowe instalacje ma to negatywny wpływ na stabilność sieci dystrybucyjnych ze względu na ograniczoną ilość odbiorców energii elektrycznej. Najczęstszym zjawiskiem występującym w sieciach średniego i niskiego napięcia jest znaczne wahanie napięcia w cyklu dobowym.

Coraz częściej dochodzi do sytuacji, kiedy operatorzy sieciowi nie są w stanie, za pomocą istniejących urządzeń, dotrzymać wymagań określonych w normie DIN EN 50160, która określa maksymalny wzrost i spadek napięcia na poziomie ± 10% od wartości nominalnej.

Podstawowe rozwiązania regulacji napięcia pod obciążeniem.

Aktualnie dostępne są różne metody umożliwiające kompensację zmian napięcia w sieci i jego utrzymanie w zakresach dopuszczalnych przez normę. Poniżej zostały wymienione najczęściej stosowane rozwiązania do regulacji napięcia pod obciążeniem w elektroenergetycznych sieciach rozdzielczych SN. Należą do nich :

• Transformator wyposażony w podobciążeniowy przełącznik zaczepów. Aktualnie stosowane rozwiązania opierają się na konstrukcjach mechanicznych przełączników. Mechaniczny przełącznik zaczepów podłączony jest do odczepów regulacyjnych uzwojeń SN. Obecnie dostępny jest przełącznik wyposażony w rezystory przejściowe, który zastąpił wcześniejszą wersję z dławikami ograniczającymi prąd.
• Transformator z przekształtnikiem po stronie niskiego napięcia. W tym rozwiązaniu po stronie niskiego napięcia transformatora podłączony jest przekształtnik o mocy znamionowej przynajmniej równej mocy transformatora umożliwiający zmianę większości parametrów napięcia wyjściowego (poziom, częstotliwość, cos φ i inne)
• Transformator hybrydowy z przekształtnikiem we fragmencie uzwojenia niskiego napięcia. W powyższej konstrukcji część uzwojenia niskiego napięcia jest zasilana z przekształtnika. Takie rozwiązanie pozwala na regulację napięcia w niewielkim zakresie. Natomiast zastosowany przekształtnik może charakteryzować się mocą znamionową na poziomie kilku procent mocy znamionowej transformatora.

Poniżej porównane zostały w formie tabelarycznej główne cechy transformatora z mechanicznym podobciążeniowym przełącznikiem zaczepów, transformatora współpracującego z przekształtnikiem oraz transformatora hybrydowego.

Dalsza część referatu poświęcona jest przykładowym sposobom kompensacji wahań napięcia w sieciach dystrybucyjnych poprzez zastosowanie transformatora rozdzielczego wyposażonego w podobciążeniowy przełącznik zaczepów.

Metody regulacji podobciążenowej napięcia w transformatorach i ich wpływ na konstrukcję i funkcjonalność transformatora rozdzielczego

Konieczność zmiany napięcia strony pierwotnej czy też wtórnej transformatora wynika z konieczności zapewnienia stabilnej wartości tegoż napięcia niezależnie od dynamicznych zmian obciążenia w sieci zasilanej przez transformatory. Problem ten został zauważony już ponad 100 lat temu i pierwsze patenty dotyczące rozwiązania problemu zostały opublikowane już w początkach dwudziestego wieku.

Zmiana napięcia strony wtórnej lub pierwotnej transformatora odbywa się poprzez zmianę przekładni zwojowej zgodnie ze znanym powszechnie równaniem transformatora.

W zaprezentowanych wzorach uzwojenie o napięciu V1 ma liczbę zwojów Z1 i uzwojenie o napięciu V2 odpowiednio ma liczbę zwojów Z2.

Wyróżniamy 3 podstawowe typy przełączników, sposobów regulacji:

A. Liniowy

B. Z regulacją odwracalną

C. Z regulacją zgrubną i dokładną

Wybór rodzaju regulacji związany jest z wieloma czynnikami, ale w przypadku transformatorów rozdzielczych możemy śmiało powiedzieć, że decydującym czynnikiem będzie zakres i ilość stopni regulacji. W praktyce, biorąc pod uwagę typowe wymagania klientów, wymagania dotyczące jakości energii elektrycznej oraz przewidując niekorzystny wpływ rozproszonej generacji energii na stabilność napięć, możemy śmiało założyć, że regulacja +-10% w 2,5% stopniach usatysfakcjonuje wszystkich europejskich klientów. Wymagania dotyczące szerszego zakresu regulacji pojawiają się najczęściej w przypadku problemów wyspecyfikowanych przez klientów z krajów, gdzie sieć energetyczna jest lokalnie słabo rozwinięta np. Indie.

Rozwiązaniem najprostszym, a zatem i najefektywniejszym ekonomicznie w przypadku transformatorów rozdzielczych będzie regulacja liniowa. Analizując przykładowe specyfikacje dostępnych na rynku rozwiązań przełączników zaczepów widać, że parametry techniczne tychże przekraczają znacznie wymagania, jakie przynoszą transformatory rozdzielcze. Poniżej widoczna jest przykładowa specyfikacja przełącznika typu UZ i UBB produkcji ABB. Przełączniki te zostały wybrane, jako urządzenia zaprojektowane na najmniejsze wartości napięć probierczych, najbardziej zbliżone do poziomów probierczych urządzeń instalowanych w sieciach rozdzielczych. 

Ze względu na zakresy prądowe i napięciowe urządzeń tych nie możemy zaliczyć do najtańszych.  Zastosowanie tychże rozwiązań z pewnością gwarantuje długotrwałą i bezawaryjną eksploatację zestawu transformator rozdzielczy-przełącznik pod obciążeniowy, ponieważ żaden z elementów konstrukcyjnych przełącznika nie jest narażany na pracę w wymagających warunkach prądowo- napięciowych. Zaznaczyć należy, że prezentowane przełączniki nie są urządzeniami bezobsługowymi. Konieczna, zatem jest zarówno wymian oleju jak i wymiana części mechanicznych oraz styków przełącznika.  Z powodu braku doświadczenia dotyczącego pracy przełącznika w warunkach mniej wymagających, producent nie podaje wskazówek dotyczących zmiany częstości przeglądów przełącznika w przypadku współpracy z transformatorem rozdzielczym. Typowo dla przełącznika UB producent zaleca przegląd, co 7 lat po 80- 1000 tysiącach przełączeń.

Niedogodności związane z powstawaniem łuku podczas przełączania zaczepów transformatora zostały rozwiązane przez wprowadzenie konstrukcji z komorami próżniowymi. Rozwiązanie to pozwala na przeprowadzenie czynności łączeniowych w komorach próżniowych, a zatem łuk nie powoduje negatywnych zjawisk w oleju. Warto zaznaczyć, że żywotność komór próżniowych jest bardzo duża i pozwala na wykonanie wielu milionów łączeń bez konieczności wymiany.  Możemy, zatem mówić, że w przypadku rozwiązania, które obejmuje transformator rozdzielczy z przełącznikiem podobciążeniowym z komorami próżniowymi jest to urządzenie w dużym stopniu bezobsługowe. Poniżej zamieszczone zostały przykładowe specyfikacje przełączników produkcji ABB, które obejrzeć możemy na sąsiednich rysunkach.

Jednostki wyposażone w podobciążeniowe przełączniki zaczepów były produkowane przez Łódzką fabrykę transformatorów, ale głownie dla potrzeb Centrum Rozwoju Transformatorów Rozdzielczych. W tych przypadkach starając się spełnić różnorakie wymagania oraz optymalizując koszt i funkcjonalność urządzeń stosowano przełączniki zbliżone typem do przełącznika UBB. 

Aby zobrazować skutki takiego rozwiązania posłużyć możemy się poniższą ryciną, gdzie widoczne są fizyczne rozmiary różnych przełączników produkowanych przez firmę ABB na tle których, zobaczyć można rozmiary typowego transformatora rozdzielczego o mocy 630 kVA i stratach odpowiadających serii Ao Bk wg normy EN50464, wyposażonego w beznapięciowy przełącznik zaczepów.

Jak widać na załączonej rycinie dominującym gabarytowo w zestawieniu typu transformator rozdzielczy plus przełącznik zaczepów jest przełącznik.  Rozwiązanie takie z pewnością możemy nazwać bardzo pewnym, ale trudno będzie je nazwać kompaktowym. Rozwiązanie takie nie nadaje się do zastosowania w kompaktowych podstacjach energetycznych, ani do zastosowania w tradycyjnych podstacjach przeznaczonych do transformatorów rozdzielczych.

Dostępnym obecnie  rozwiązaniem, będącym odpowiednikiem klasycznych podobciążeniowych przełączników zaczepów do zastosowania w transformatorach rozdzielczych jest konstrukcja stworzona przez firmę Maschinenfabrik Reinhausen GmbH o nazwie ECOTAP VPD. Jest to produkt przeznaczony do transformatorów rozdzielczych, głównie ze względu na swoje gabaryty.

Dzięki stosunkowo niewielkim  rozmiarom podobciążeniowy przełącznik zaczepów typu ECOTAP VPD nie wymaga tak znacznego powiększania kadzi transformatora jak ma to miejsce w przypadku zastosowania klasycznych, olejowych przełączników dedykowanych do transformatorów mocy. Transformatory wyposażone w przełączniki  ECOTAP VPD są produkowane przez firmę ABB w Zakładzie Transformatorów Rozdzielczych w Łodzi od 2016 roku.

Elementami wykonawczymi w procesie łączeniowym są komory próżniowe. Takie rozwiązanie pozwoliło na znaczne ograniczenie erozji styków, a co za tym idzie na osiągnięcie wysokiej trwałości łączeniowej szacowanej przez producenta na ok. 500 000 cykli łączeniowych (o częstotliwości maksymalnej 20 przełączeń na minutę) [13]. Nie bez znaczenia pozostaje również fakt, iż łuk elektryczny palący się na stykach komory próżniowej został w ten sposób odseparowany od oleju w kadzi transformatora, co sprawiło że proces przełączania zaczepów nie wpływa na jego zanieczyszczenie i nie degraduje go.

W przełączniku ECOTAP VPD zastosowano szybkobieżny obrotowy mechanizm z opornikami przejściowymi. Oporniki przejściowe charakteryzują się dużą wytrzymałością i zostały zaprojektowane z uwzględnieniem liczby operacji gwarantowanej dla przełącznika. Konstrukcja przełącznika wykorzystuje sprawdzoną od dziesięcioleci elektromechaniczną zasadę działania opartą na technologii próżniowej. Takie rozwiązanie umożliwia wyeliminowanie dodatkowych strat energii generowanych w przełączniku. Występowały one we wcześniejszej wersji przełącznika Gridcon iTap wykorzystującej dławiki, które pełniły dwojaką funkcję. Z jednej strony ograniczały prąd jaki płynie w zamkniętej pętli prądowej utworzonej przez dwa sąsiednie (zwarte ze sobą w czasie procesu przełączania) odczepy uzwojenia transformatora.

Z drugiej strony były wykorzystywane do pracy ciągłej przy podziale na pół napięcia jakie występuje pomiędzy dwoma sąsiednimi odczepami uzwojenia. Wyróżniane tu były pozycje stabilne i pozycje tzw. mostkowe, w których dławik na każdej z faz jest wpięty pomiędzy dwa kolejne stopnie regulacji, dzieląc różnicę napięć dwóch sąsiednich odczepów po połowie. W tym rozwiązaniu w przypadku gdy przełącznik był ustawiony w pozycji mostkowej, generowane były dodatkowe starty w dławikach. W nowej konstrukcji podobciążeniowego przełącznika zaczepów typy ECOTAP VPD straty dodatkowe zostały wyeliminowane. Dla konstrukcji ECOTAP VPD największą możliwą liczbą dostępnych pozycji jest wersja 9-cio pozycyjna [14], przy ograniczeniu maksymalnego napięcia na stopień do ośmiuset dwudziestu pięciu woltów. Zakres prądu znamionowego do 100 A i napięcia znamionowego do 36 kV zapewnia możliwość zastosowania w transformatorach o mocy do 8 MVA.

Pozwala to na zaprojektowanie transformatora o dość szerokim zakresie regulacji. Wyprodukowane i w pełni przetestowane konstrukcje firmy ABB obejmują transformatory o różnych przekładniach (np. 20/0,4 kV) i różnych zakresach regulacji (np. ± 4 x 2,5%). W zależności od układu połączeń uzwojeń SN transformatorów rozdzielczych strefa regulacyjna jest projektowana w różnych miejscach uzwojenia. Poniżej przedstawione zostały schematy dotyczące typowych rozwiązań konstrukcyjnych.

Wyeliminowanie w konstrukcji ECOTAP VPD dławików i zastąpienie ich opornikami przejściowymi w kadzi transformatora pozwoliło na zmniejszenie jej gabarytów przy zachowaniu niezbędnych odległości izolacyjnych poszczególnych elementów przełącznika.

W zależności od poziomu napięcia, mocy transformatora i zakresu regulacji producent przełącznika projektuje i dostarcza przełączniki o odpowiednich parametrach i gabarytach.

Napędem przełącznika jest silnik krokowy, który przesuwając styki ruchome (główne) oraz specjalną krzywkę sterującą stykami ruchomymi komór próżniowych, powoduje zmianę pozycji przełącznika zaczepów nie powodując jednocześnie przerwy w zasilaniu. Odpowiednia budowa mechaniczna sprawia, że prąd obciążenia transformatora nie zostaje przerwany w czasie procesu przełączania.   

Sterowanie przełącznikiem odbywa się za pomocą skrzynki sterowniczej, w której umieszczony jest sterownik PLC z odpowiednimi modułami rozszerzeń (zasilaczem, sterownikiem silnika krokowego, przetworników napięcia, modułów wejścia/wyjścia oraz modułów komunikacji). Praca przełącznika zaczepów może odbywać się w trzech trybach:

• manualnym (sterowanie przyciskami na skrzynce lub podłączonymi fizycznie do skrzynki przyciskami w sterowni podstacji);
• automatycznym, w którym przełącznik zbiera pomiary napięcia strony dolnej każdej z faz i w sposób automatyczny dostosowuje swoje położenie do panujących w sieci warunków;
• zdalnym, gdzie decyzja o zmianie zaczepów może być wysłana do przełącznika za pośrednictwem sieci LAN.

Przełącznik może być dodatkowo wyposażony w moduł CONTROL PRO rozszerzający zakres dostępnych funkcji. Dzięki zastosowaniu tego modułu użytkownik uzyskuje możliwość :

• Zdalnej komunikacji zgodnej z IEC 60870-4-104, IEC 61850, DNP3 i MODBUS TCP
• Zaawansowanych algorytmów regulacji napięcia
• Regulacji napięcia przy pracy równoległej
• Trójfazowego pomiaru napięcia i prądu
• Przechowywania pomiarów jakości energii

Istnieje możliwość aktualizacji oprogramowania sprzętowego i konfiguracyjnego modułu za pośrednictwem portu Ethernet lub USB.

Podsumowując, rozwiązanie firmy Reinhausen o nazwie ECOTAP jest ciekawym produktem pozwalającym na realizację podobciążeniowej zmiany napięcia w transformatorach rozdzielczych, a co za tym idzie na produkcję transformatorów rozdzielczych z automatyczną regulacją napięcia, które z powodzeniem mogą być elementami składowymi inteligentnej sieci dystrybucyjnej. Niekwestionowanymi zaletami tego typu rozwiązania jest brak konieczności znacznego powiększania kadzi transformatora (zwiększa się tylko wysokość) , bezobsługowość wynikająca z odizolowania palącego się łuku elektrycznego od oleju w kadzi transformatora oraz wyeliminowanie start dodatkowych generowanych w przełączniku w trakcie eksploatacji transformatora.

Autorzy:
Paweł Kłys – ABB Sp. z o.o.
Witold Sobczak – ABB Sp. z o.o.
Przemysław Szczepanik – ABB Sp. z o.o.
Sławomir Cybulski – ABB Sp. z o.o.

Literatura:
[1] Global Energy Statistical Yearbook 2016
[2] Global Energy Statistical Yearbook 2016
[3] Komisja Europejska “Energia odnawialna zmienia świat”, Luksemburg: Urząd Publikacji Unii Europejskiej 2011
[4] Opracowania własne na podstawie danych z OECD Library
[5-10] Opracowania własne ABB
[11] On-Load Tap-changer ECOTAPVPD. Operating Instructions 4899642/01 EN. www.reinhausen.com
[12] Technical data – ECOTAP VPD. The Compact Class For Distribution Transformers. www.reinhausen.com
[13] ECOTAP VPD. The Compact Class For Distribution Transformers. www.reinhausen.com
[14] ECOTAP VPD. The Compact Class For Distribution Transformers. www.reinhausen.com
[15-17] On-load tap-changer ECOTAP VPD Operating Instructions 4899642/01 EN www.reinhausen.com