Technologie

Wybrane aspekty prób odbiorczych transformatorowych przesuwników fazowych – studium przypadku

Streszczenie: Transformatorowy przesuwnik fazowy jest używany do sterowania przepływem mocy w złożonej sieci elektroenergetycznej, obecnie przede wszystkim w obszarze sieci przesyłowej oraz dystrybucyjnej. Poprzez jego zastosowanie możliwe jest kontrolowanie planowanych i nieplanowanych przepływów mocy wymiany między-obszarowej [3] oraz odciążanie przeciążonych fragmentów sieci. Zakres możliwości regulacyjnych transformatorowego przesuwnika fazowego silnie zależy zarówno od jego poziomu obciążenia, warunków pracy sieci, jak i jest związany z zastosowanym typem konstrukcji. W artykule omówiono ogólne cechy pracy transformatorowych przesuwników fazowych, przedstawiając wybrane zagadnienia prób odbiorczych, zwracając szczególną uwagę na charakterystyczne stany pracy. Poddano analizie wyniki pomiarów dwóch typów transformatorowych przesuwników fazowych, skupiając uwagę na możliwościach praktycznego ich wykorzystania do celów analiz możliwości pracy w warunkach sieciowych. 

Słowa kluczowe: system elektroenergetyczny, regulacja przepływu mocy, transformator, przesuwnik fazowy, testowanie.

Summary: The Phase Shifting transformer (PST) is used to control the flow of electical power in a complex power grid, and today it is used in the area of transmission and distribution networks. Through its use, it is possible to control planned and unplanned power flows between the area-to-area exchange [2] and offloading of overloaded network fragments. The scope of PST’s control capabilities strongly depends on its load level, network operation conditions and both are related to the type of construction used. The article discusses the general features of the work of phase shifters, also presenting selected issues of acceptance tests, paying special attention to the characteristic states of work. The results of measurements of two types of PST were analyzed, focusing on the possibilities of their practical use for analyzing the possibilities of working in network conditions.

Key words: Power system, Power Flow Control, Power Transformer, Phase Shifting Transformer, Testing

1. Wstęp

Niegdyś system elektroenergetyczny (SEE) był obszarowo ograniczony do terytorium danego kraju i był zarządzany przez dedykowanego operatora systemu przesyłowego. Obecnie skład SEE tworzą sieci nie jednego lecz wielu połączonych ze sobą krajów, a połączenia takie określane są jako połączenia „transgraniczne”. Korzyści jakie wynikają z tego typu połączeń to niewątpliwie wzajemne rezerwowanie zasobów mocy elektrycznej dla danego obszaru energetycznego. Jednakże rozwiązania takie to nie tylko korzyści, lecz czasem i utrudnienia tj.: nieplanowane przepływy kołowe mocy [2], które wpływają na ograniczenia zdolności przesyłowych wewnątrz danego obszaru sieci, przeciążając odcinki linii przesyłowych. Prowadzi to do zmniejszenia dostaw energii elektrycznej odbiorcom w danym obszarze. W krytycznych sytuacjach może dojść do wyłączenia danego ciągu liniowego poprzez zadziałanie elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej [4], [10], [11]. Środkiem zaradczym dla tego typu zjawisk jest instalowanie w strategicznych punktach sieci Transformatorowych Przesuwników Fazowych (TPF). Za ich pośrednictwem możliwa jest kontrola mocy przepływającej w gałęzi, w której jest zainstalowany, oddziałując również na zmianę rozpływu mocy w otoczeniu sieciowym (Rys.1).

Bazując na przedstawionym fragmencie sieci (Rys.1), w układzie dwumaszynowym zostanie wyjaśniona zasada regulacji mocy w sieci elektroenergetycznej przez zastosowanie TPF. Aby moc generowana przez źródło 1 (100 MV·A) mogła zostać przesłana do odbiornika 2, musi występować różnica kątów fazowych φ wektora napięcia U1 względem wektora napięcia U2. W omawianym układzie źródło (1) i obciążenie (2) połączone są równolegle liniami L1 i L2 (zakłada się równe wartości impedancji linii ZL1 = ZL2). Różnica kąta fazowego φ powiększona będzie o stratę napięcia ΔUL1 i ΔUL2 występującą na liniach L1 i L2 wskutek przepływającego prądu IL1 i IL2 przez impedancję linii ZL1, ZL2. Przy założonych jednakowych wartościach impedancji linii przesyłana moc pomiędzy źródłami będzie rozkładana równomiernie SL1 = SL2 = 49 MV·A. Moc S2, jaka dociera do odbiornika, jest pomniejszona o składnik strat mocy przesyłowych ΔP. W takim układzie nie ma możliwości regulowania przepływu mocy pomiędzy systemami. Moc przesyłana zawsze będzie się rozkładać równomiernie w zależności od parametrów linii przesyłowych łączących systemy. Sposobem na regulację przepływającej mocy jest zainstalowanie elementu, który umożliwi wprowadzenie dodatkowego przesunięcia fazowego pomiędzy wektorami napięć U1 i U2. Jednym z takich elementów jest TPF. Za jego pośrednictwem wprowadzany jest dodatkowy kąt przesunięcia fazowego α, dzięki czemu możliwe jest regulowanie wypadkowego kąta przesunięcia fazowego δ pomiędzy systemami.

Do analizowanego układu (Rys.1) wprowadzono TPF, instalując go szeregowo w ciągu liniowym linii L2. Obszar regulacji przesunięcia kąta fazowego α mieści się w zakresie wartości dodatnich α(+) oraz ujemnych α(-). Dzięki temu możliwe jest regulowanie zarówno wartością, jak i kierunkiem przepływającej mocy. W przypadku wprowadzenia:

  • ujemnego przesunięcia fazowego α(-), moc regulowana jest w kierunku „hamowanie” co oznacza zmniejszenie wartości wypadkowego kąta fazowego δ pomiędzy napięciami U1 i U2 w gałęzi z zainstalowanym TPF (linia L2), przez co moc przepływająca ulegnie zmniejszeniu (Rys.1 i Rys. 2c) z |PL2|=49 MV·A na |PL2|=19 MV·A, przy jednoczesnym oddziaływaniu na wartość mocy przesyłanej linią L1 (bez TPF) – zwiększając wartość przepływającej mocy z |PL1|=49 MV·A do |PL1|=79 MV·A.
  • dodatnie przesunięcie fazowe α(+), moc regulowana jest w kierunku „wspomaganie”, przez co zmiana rozpływu mocy kształtuje się odwrotnie w stosunku do poprzedniego przypadku. Tym razem moc przepływająca w gałęzi z TPF (linia L2) jest większa (79 MV·A), przy jednoczesnym zmniejszeniu przesyłu mocy linią bez TPF (19 MV·A).

Wskazuje się, że regulując jedynie wartość kata fazowego α bez zmiany amplitudy napięć strony U1 lub U2, uzyskuje się jedynie regulację mocy czynnej. Zmieniając wartość modułu jednego z napięć oraz kąta fazowego pomiędzy nimi możliwa jest regulacja mocy czynnej oraz biernej. Zależnie od wybranego typu konstrukcji TPF (symetryczny / asymetryczny) możliwe jest uzyskanie obu wspomnianych efektów regulacji (moc czynna i bierna).

W przedstawionych uproszczonych rozważaniach regulacja mocy odbywała się poprzez wprowadzanie dodatkowego przesunięcia kąta fazowego α pomiędzy wektorami napięć. Dla takich rozważaniach TPF traktuje się jako element bezimpedancyjny, który jedynie wprowadza dodatkowy składnik α. W rzeczywistości TPF posiada impedancję wewnętrzną, która istotnie wpływa na zakres możliwości regulacyjnych w kierunku dodatnim i ujemnym (z różnym skutkiem). Aspekt ten zostanie szczegółowo omówiony w dalszej części opracowania. Jednak przed tym istotne jest opisanie zasady wprowadzania dodatkowego kąta przesunięcia fazowego α w stanie bez obciążenia, dzięki czemu możliwe będzie łatwe zrozumienie wpływu impedancji wewnętrznej TPF na możliwości regulacyjne.

2. Zasada działania TPF

Przesuwnik fazowy wykonany w oparciu o jednostki transformatorowe w ogólnym schemacie reprezentowany jest jako element wprowadzający dodatkowe przesunięcie fazowe α oraz jego wewnętrzna impedancja zastępcza uzwojeń (rys. 1).

SubjectRys. 1 Uproszczony schemat sieci dwustronnie zasilanej z uwzględnieniem regulacji przepływu mocy przez TPF

Zależnie od wymagań, jaka moc powinna być regulowana, wybierany jest odpowiedni typ konstrukcyjny TPF. Dla przykładu, chcąc regulować wartość przepływającej mocy czynnej, stosowane jest rozwiązanie symetryczne – regulacja kąta fazowego pomiędzy stroną umownie nazwaną źródłową „S” (ang. Source) a obciążenia „L” (ang. Load) (Rys. 2). W celu regulacji mocy biernej i czynnej stosowane jest rozwiązanie asymetryczne – regulacja kąta fazowego oraz amplitudy strony obciążenia „L”. Wyróżnia się wiele typów konstrukcji TPF, w sposób uproszczony w tabeli 1 przedstawiono dwa kryteria podziału, tj.: ze względu na liczbę rdzeni oraz sposób połączeń (regulacji).

Tabela 1 – Rozwiązania konstrukcyjne TPF [9]
Rys. 2 Poglądowy schemat a) przesuwnika fazowego, b) kierunku zwrotu wektora ΔU

Podstawowa koncepcja regulacji kąta fazowego w TPF (bez względu na typ) polega na wprowadzeniu do układu dodatkowego napięcia (ΔU – ang. Quadrature Voltage) do napięcia występującego w torze głównym, w celu zwiększenia lub zmniejszenia wartości przepływającej mocy czynnej (zależnie od zwrotu wektora napięcia ΔU). Wyjaśnienie zasady regulacji kąta fazowego poprzez wprowadzenie napięcie dodawczego zostanie omówione na przykładzie dwukadziowego symetrycznego przesuwnika fazowego (Rys.3a). W tym celu stworzono odpowiadający wybranemu typowi konstrukcji wykres wektorowy napięć fazowych (Rys.3b).

Rys. 3 Układ połączeń uzwojeń symetrycznego przesuwnika fazowego b) wykres wektorowy napięć na poszczególnych etapach transformacji

2.1. Transformator szeregowy – TS

TS jest głównym elementem TPF, którego uzwojenie pierwotne włączone jest szeregowo w obwód pomiędzy stronami „S” i „L”. W wykonaniu symetrycznym TPF uzwojenie pierwotne TS składa się z dwóch części podzielonych symetrycznie (rys.3a). Pomiędzy wydzielonymi częściami uzwojenia pierwotnego TS wykonane jest galwaniczne połączenie z pierwotnym uzwojeniem TD. Uzwojenie wtórne TS połączone jest w układzie trójkąta, które zasilane jest poprzez wtórne uzwojenie TD (regulacyjne) z uwzględnieniem odpowiedniego przyłączenia faz, tak aby wprowadzane napięcie dodawcze było usytuowane pod kątem 90˚ lub -90˚ (zależnie od wysterowania) względem danej fazy.

2.2. Transformator dodawczy – TD

TD jest elementem TPF, który wpływa w sposób pośredni na kształtowanie wartości kąta fazowego pomiędzy stronami „S” i „L” TS w zadanym zakresie wynikającym z jego parametrów znamionowych. Uzwojenia strony pierwotnej są skojarzone w układzie gwiazdy z wyprowadzonym i uziemionym punktem neutralnym. Początki uzwojeń strony pierwotnej TD są galwanicznie połączone pomiędzy symetrycznie rozdzielone cewki strony pierwotnej TS (Rys. 3). Umożliwia to regulację jedynie fazy pomiędzy wektorami napięć stron „S” i „L” bez zmiany amplitudy napięcia UL. Cewki uzwojenia wtórnego TD są również skojarzone w układzie gwiazdy z wyprowadzonym i uziemionym punktem zerowym. Poszczególne fazy tego uzwojenia zasilają obwód uzwojenia trójkąta TS (rys.3) w taki sposób, aby fazor napięcia dodawczego ΔU wprowadzanego do uzwojenia pierwotnego TS był zorientowany względem danej fazy TS pod kątem 90˚ (rys. 3b). Uzwojenie wtórne TD wyposażone jest w podobciążeniowy przełącznik zaczepów (PPZ), za pomocą którego regulowana jest wartość amplitudy napięcia dodawczego |ΔU|, co przekłada się na możliwość regulacji kąta α. W transformatorach mocy PPZ jest instalowany u części aktywnej uzwojenia strony górnego napięcia z uwagi na mniejszą wartość prądów obciążenia. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe są do zastosowania rozwiązania konstrukcyjne PPZ o mniejszych gabarytach oraz zdolnościach łączeniowych. Zakres stopnia regulacji napięcia w transformatorach mocy mieści się w zakresie ±10% wartości napięcia znamionowego. Wspomniano o typowych instalacjach PPZ w transformatorach mocy, aby wykazać na znaczące różnice względem ich instalowania w TPF. Dla przykładu dwurdzeniowego TPF przełącznik zaczepów instalowany jest w TD w części aktywnej uzwojenia strony dolnego napięcia. Zakres regulacji przekładni zwojowej mieści się w zakresie 0 – 100% wartości napięcia znamionowego strony dolnego napięcia. Przez co zmianie ulega wartość kąta fazowego również w granicach od 0 do 100% zaprojektowanego zakresu regulacji. Znając wartość kąta przesunięcia fazowego, możliwe jest obliczenie wartości napięcia dodawczego ΔU:

(1)

Faza napięcia ΔU jest natomiast regulowana poprzez rekonfigurację połączeń początków i końców uzwojenia wtórnego TD, co przekłada się na zmianę znaku kąta α(-) lub α(+). Zmiana znaku kąta fazowego w TPF odbywa się poprzez zmianę kierunku zwrotu fazora napięcia dodawczego ΔU, a tego dokonuje się poprzez zmianę układu połączeń (zmianę biegunowości) cewek uzwojenia trójkąta TS. Przykładem może być zastosowanie przełącznika kierunku ARS (ang. Advance Retard Switch). Zawsze ma on dwie pozycje operacyjne i jedną pośrednią (rys.4):

„A” (ang. advanced – wspomaganie) – uzwojenia wtórne TS połączone są przeciwsobnie, w tej pozycji przełącznika ARS regulacja kąta odbywa się w zakresie dodatnim, ponieważ „wprowadzany” fazor napięcia dodawczego skierowany jest zgodnie ze stratą napięcia występującą w gałęzi z TPF, przez co wypadkowa strata napięcia zostaje powiększona o składnik napięcia dodawczego.

„0” – uzwojenia wtórne TS są zwarte, w tej pozycji przełącznika ARS nie ma możliwości regulacji kąta; jest to pozycja neutralna, a przesunięcie fazy pomiędzy stronami „S” i „L” wynika jedynie z obecności impedancji własnej TS.

„R” (ang. retard – hamowanie) – w tej pozycji przełącznika ARS regulacja kąta odbywa się w zakresie ujemnym, „wprowadzany” fazor napięcia dodawczego skierowany jest przeciwnie do fazora straty napięcia występującego w gałęzi z TPF, przez co wypadkowa strata napięcia zostaje zmniejszona o składnik napięcia dodawczego.

Rys. 4 Stany pracy przełącznika kierunku mocy ARS [4]

Zmiana pozycji przełącznika ARS może nastąpić tylko w przypadku, gdy PPZ znajduje się w pozycji minimalnej, co oznacza brak napięcia w obwodzie uzwojenia wtórnego TD [7].

3. TPF w stanie obciążenia

TPF działają między systemami mającymi tą samą częstotliwość i kolejność faz. Napięcia mogą różnić się wartością i kątem fazowym. Aby poznać warunki pracy TPF w stanie obciążenia, należy podzielić TPF na dwie składowe (Rys.5) [2]:

I. Idealny transformator bez strat (impedancja wewnętrzna Z=0 Ω), który reguluje tylko kąt fazowy pomiędzy stronami,
II. Transformator o przekładni zwojowej 1:1 z uwzględnieniem strat (impedancja wewnętrzna Z > 0 Ω).

Rys. 5 Uproszczony schemat zastępczy TPF na potrzeby analiz stanu pracy pod obciążeniem

Schemat opracowano wg [2], zaczynając od strony „L”, gdzie znane są napięcie UL i prąd IL. Dodanie spadku napięcia występującego na impedancji wewnętrznej ZTPF,:

(2)

do napięcia UL powoduje napięcie UL0, które występuje wewnątrz TPF i jest niemierzalne. Napięcie to jest obracane zgodnie z ruchem wskazówek zegara, albo przeciwnie, zależnie od pozycji przełącznika ARS: hamowanie lub wspomaganie. Kąt α określa przesunięcie fazowe TPF w stanie bez obciążenia, kąt αL_A określa wartość kąta przesunięcia fazowego w stanie obciążenia dla pozycji wspomaganie „A” i αL_R dla pozycji hamowanie „R”. W stanie obciążenia wartości napięć UL i UL* są od siebie różne. Zakładając różne stany pozycji przełącznika ARS, co jest obrazowane jako dodatnia lub ujemna wartość kąta α, przedstawiono wykresy wektorowe dla charakterystycznych stanów pracy TPF w stanie obciążenia przy różnym współczynniku mocy cosφ.

Rys. 6 Wykresy wektorowe prądów i napięć TPF w stanie różnego obciążenia [1]

Wartość kąta wewnętrznego β przedstawiona na schematach (Rys.6) zależy od wartości stanu obciążenia TPF (wartość i charakter – cosφ) oraz impedancji wewnętrznej. Przedstawioną zależność można przedstawić matematycznie:

(3)

Dla współczynnika mocy cosφ=1, wartość kąta wewnętrznego β wynosi:

(4)

 (4)Uwzględniając kąt wewnętrzny β, kąt regulacji TPF w stanie obciążenia przyjmuje wartość:

(5)

Dla pozycji wspomagania „A”:

(6)

Dla pozycji hamowania „R”:

(7)

Znając zasadę regulacji kąta fazowego α w różnym stanie pracy TPF, można przejść do omówienia wyników przeprowadzonych pomiarów.

Wykazana zależność wartości kąta αSL od wysterowania TPF oraz jego obciążenia (zarówno co do wartości, jak i kierunku przepływu mocy gałęzią sieciową z TPF) powoduje, że utrudnione jest tabelaryczne przedstawienie rzeczywistego efektu regulacyjnego (wyrażonego przez przywołany kąt przesunięcia fazowego wprowadzanego przez TPF) dla poszczególnych pozycji wysterowania TPF. Zależność ta implikowana jest również z uwagi na nieliniowy charakter zmian wartości impedancji TPF w funkcji pozycji PPZ i ARS (Rys.7).

Rys. 7 Ilustracja zakresu zmian impedancji wewnętrznej TPF w funkcji jego wysterowania

4. Wyniki pomiarów TPF

Ze względu na specyficzną budowę TPF, zakres możliwych do wykonania pomiarów jest różny w zależności od miejsca przeprowadzanych pomiarów. Jeżeli TPF znajduje się na stacji prób w fabryce, możliwa jest do wykonania znacznie większa liczba relatywnych do oceny prób i pomiarów. Wynika to z faktu, że TPF przed wysłaniem go na docelowe miejsce instalacji wyposażony jest w dodatkowe zaciski pomiarowe (tymczasowe izolatory przepustowe) zainstalowane na końcach uzwojenia wtórnego TD oraz uzwojenia trójkąta TS. W tabeli 2 zestawiono możliwe do wykonania próby i pomiary TPF.

Tabela 2 – Możliwe do wykonania pomiary TPF ze względu na miejsce pomiaru [2]

W dalszej części publikacji przedstawione zostaną wyniki pomiarów dla wybranych prób testów rutynowych oraz pomiaru impedancji składowej zerowej (testy typu). Urządzenie pomiarowe wykorzystane do pomiarów charakteryzuje się m.in. [8]: 3-fazowe źródło mocy (2,4 kW), napięcie pomiarowe AC: 400 V (LL), 230 V (LN), prąd pomiarowy AC/DC: 3×33 A, 1×100 A. Dane testowanych obiektów wraz z ich specyfikacją zostały podane w tabeli 3.

Tabela 3 – dane obiektów pomiarowych

Ze względu na obszerny zakres możliwych do wykonania prób i testów ograniczono się do scharakteryzowania wyników pomiarów tylko dla najbardziej ciekawych przypadków (wg subiektywnej oceny autora).

Wyznaczanie napięcia zwarcia TPF

TPF, z uwagi na to, że jest specjalnym typem transformatora, charakteryzuje się również nietypowymi zależnościami zmian impedancji wewnętrznej dla składowej zgodnej Z1 oraz zerowej Z0. Dla porównania w tabeli 4 zestawiono wyniki pomiarów impedancji zwarcia dla przedmiotowych TPF oraz dla klasycznej jednostki transformatora 2-uzwojeniowego (TR) 115/16,5 kV o mocy znamionowej 25 MV·A oraz grupie wektorowej YNd11. Analizując wyniki próby wyznaczenia napięcia zwarcia dla TPF_1 i 2 można zauważyć dużą różnicę wartości impedancji wewnętrznej (na poziomie 827%) przy nieco ponad dwukrotnej różnicy wartości mocy przechodniej. Wartości dla obu TPF wynikają przede wszystkim z wykonania jedno i dwu-kadziowego. Wartość impedancji wewnętrznej silnie determinuje możliwości regulacyjne TPF w warunkach pracy sieciowej (pod obciążeniem). W obu przypadkach TPF_1 i 2 wartości impedancji składowej zerowej Z0 są niezależne od pozycji PPZ. Wynika to z układu polaczeń TD w układzie podwójnej gwiazdy z obustronnie uziemionym punktem neutralnym. Dla porównania zestawiono wyniki pomiarów składowej zerowej klasycznego transformatora (TR), gdzie wartość ta jest zmienna i zależy od pozycji PPZ.

Tabela 4 – Wyniki pomiarów impedancji Z1 i Z0 wewnętrznej TPF i TR

Próby wyznaczania napięcia zwarcia dla składowej zgodnej i zerowej wykonano zgodnie z wymaganiami zawartymi w [1]. Na rysunku 8 przedstawiono graficzną interpretację wyników pomiarów (tabela 4).

Rys. 8 Zależność zmian impedancji wewnętrznej dla TPF oraz klasycznego transformatora

Opisane zależności zmian impedancji zwarcia Z1 oraz Z0 mogą być niemalże bezcenną informacją dla osób zajmujących się wyznaczaniem nastaw elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej oraz osób prowadzących obliczenia sieciowe. Istotne jest, aby mieć świadomość, że pomimo tego iż TPF jest transformatorem, to należy jednak przy analizach sieciowych uwzględnić jego specyfikę pracy oraz charakterystykę zwarciową. Wyznaczenie napięcia zwarcia, przez co de facto wyznaczana jest impedancja wewnętrzna, jest niezbędną informacją do obliczania zdolności regulacyjnych TPF w warunkach rzeczywistej pracy. Aspekt ten został rozwinięty w dalszej części publikacji. 

Pomiar kąta przesunięcia fazowego w stanie jałowym oraz wyznaczenie wartości regulacyjnych dla pracy pod obciążeniem

Z punktu widzenia przeznaczenia badanego obiektu istotny jest pomiar możliwości regulacyjnych kąta przesunięcia fazowego α pomiędzy zaciskami stron „S” i „L” w stanie bez obciążenia. Pomiar możliwy jest jedynie przy wykorzystaniu źródła 3-fazowego napięcia przemiennego. W tym celu zasilono stronę „S” napięciem międzyfazowym o wartości 400 V, dokonując pomiaru napięć zespolonych strony „L” – wyznaczono obliczeniowo przekładnię oraz kąt przesunięcia fazowego.

Przekładnia napięciowa pomiędzy stronami „S” i „L” TS umożliwia identyfikację typu badanego TPF. Jeżeli w całym zakresie regulacji kąta fazowego wartość napięcia po stronie „L” jest niezmienna (tabela 5), oznacza to, że badany TPF jest w wykonaniu symetrycznym. Wynika to z faktu, że napięcie dodawcze ΔU (rys.3b) jest wprowadzane do toru głównego względem symetrycznie podzielonych cewek (rys.3a). Gdyby przekładnia napięciowa pomiędzy stronami ulegała zmianie (tabela 5), świadczyłoby to o tym, że badany TPF jest w wykonaniu asymetrycznym. Pomiar kąta przesunięcia fazowego w stanie bez obciążenia umożliwia określenie zdolności regulacyjnych w stanie obciążenia (wartości kąta fazowego αobc). W tabeli 5 zestawiono wyniki pomiarów dla stanu pracy bez i ze znamionowym obciążeniem mocą przechodnią  TPF_1 – 1 200 MV·A, TPF_2 – 500 MV·A.

Tabela 5 – wyniki pomiarów zakresu regulacji kąta α

Widoczny jest znaczący wpływ impedancji wewnętrznej na przesunięcie się punktu pracy TPF w stanie obciążenia. Przykładowo dla TPF_1 zakres regulacji kąta α zmienił się z ± 20,1˚ na (-26,8˚ ÷ +13,4˚), dla porównania dla TPF_2 z ± 10,0˚ na (-11,1˚ ÷ +8,9˚). Różnice możliwości regulacyjnych w stanie pod obciążeniem wynikają z impedancji własnej danego TPF, a więc straty napięcia wprowadzanej do toru głównego, co powoduje zmianę wartości kąta fazowego αobc w zależności od stopnia i charakteru obciążenia (cosφ). Przedstawione zależności jednak nie dają użytkownikowi TPF pełnej informacji o jego możliwościach regulacyjnych w warunkach pracy w sieci czyli w układzie dwustronnie zasilanym (Rys.1). W takich warunkach sieciowych TPF będzie cechował się innymi możliwościami regulacyjnymi kąta αobc z uwagi na fakt, iż zarówno do strony „S”, jak i „L”, są przyłączone odbiorniki aktywne, przez co zakres regulacji będzie inny. W celu zobrazowania zjawiska posłużono się wynikami symulacji komputerowych z wykorzystaniem złożonego modelu TPF w aplikacji w układzie dwumaszynowym (Rys. 10). Wykorzystano w tym celu środowisko programistyczne Matlab. Systemy zastępcze SE_1 i SE_2 posiadają kąty przesunięcia fazowego równe 0˚. Przeprowadzono analizę regulacji kąta α w pełnym możliwym zakresie tzn. 32A ÷ 32R (-26,8˚ ÷ +13,4˚).

Rys. 9 Zależności a) kąta fazowego α, b) regulacji mocy czynnej i biernej, c) napięcia dodawczego ΔU w funkcji PPZ

Przedstawionemu zakresowi regulacji kąta fazowego α (Rys. 9a) odpowiada możliwość zmiany wartości i kierunku przepływającej mocy czynnej (±1200 MVA) i biernej (Rys. 9b). Jak już omówiono wcześniej zmiana kąta fazowego α odbywa się poprzez zmianę wprowadzanego do toru głównego napięcie dodawczego ΔU (rys.9c); zmienia się zarówno jego moduł, jaki faza. Rys. 8a obrazuje rzeczywisty zakres możliwości regulacyjnych TPF_1 w stanie pracy w warunków sieciowych (-13,33˚ ÷ +13,28˚), dla porównania z wynikami obliczeń z przeprowadzonych pomiarów (-26,8˚ ÷ +13,4˚). Dla zrozumienia różnicy dyspozycji regulacji kąta α sporządzono poglądowe schematy (Rys. 10), gdzie zaznaczono stany pracy TPF w przypadku obciążenia dynamicznego (układ dwumaszynowy) oraz obciążenia statycznego w postaci elementu RLC. W pierwszym omawianym przypadku oprócz zmiany wartości przepływającej mocy zmianie ulega również jej kierunek, co skutkuje zmianą zwrotu fazowej straty napięcia UTPF na impedancji wewnętrznej ZTPF. W sytuacji występowania obciążenia statycznego, zmieniając wartość kąta α, zmieniać można jedynie wartość przepływającej mocy bez możliwości oddziaływania na jej kierunek (zwrot).

Rys. 10 Charakterystyczne stany pracy TPF w stanie obciążenia dynamicznego i statycznego

Omówione zależności, zwłaszcza rzeczywisty zakres regulacji kąta α, stanowią istotną informację dla użytkownika TPF, ponieważ określają dyspozycyjność regulacyjną obiektu.

5. Pomiary TD

Wykonując pomiary TPF w miejscu jego produkcji, możliwe jest również dokonanie pomiarów dla TD. W tym celu wykorzystywane są tymczasowo montowane izolatory przepustowe, które po wykonanych próbach są demontowane. Pierwszym możliwym do wykonania pomiarem dla TD jest sprawdzenie przekładni napięciowej w funkcji pozycji PPZ (PPZ znajduje się po stronie wtórnej jednostki TD – patrz Rys. 3). Dla przykładu omówiony zostanie przypadek TPF_1. Wartość napięcia dla zaczepu 1 ÷ 32 (rys.10b) zmienia się w granicach od 0 do 82 kV (napięcie międzyfazowe). Pozycja 0 odpowiada zmianie biegunowości połączeń początków i końców uzwojenia regulacyjnego (Rys. 4). Na tabliczce znamionowej TPF_1 (tabela 3) można zauważyć grupę połączeń IIId/YNyn0. co oznacza układ połączeń uzwojeń podwójnej gwiazdy z wyprowadzonym punktem neutralnym po obu stronach bez przesunięcia godzinowego pomiędzy stronami. Wskazuje się, że takie podejście do oznaczania jest pewnym uproszczeniem – aby umożliwić zmianę kierunku przepływu mocy dla TPF w uzwojeniu strony wtórnej TD następuje rekonfiguracja układu połączeń początków i końców cewek fazy A, B, C (pozycja A – 0 – B), co w konsekwencji prowadzi do zmiany grupy wektorowej. Regulując fazę pomiędzy stronami TPF w zakresie „wspomagania”, przesunięcie godzinowe pomiędzy stronami TD wynosi 0 – 0˚ (Rys. 11a), czyli oznaczenie YNyn0 jest prawidłowe. Natomiast, aby zmienić zakres regulacji kąta α w zakresie „hamowania”, zmianie ulega grupa wektorowa z 0 na 6 (180˚) (Rys. 11a), co pozwala na zmianę orientacji wektora napięcia dodawczego ΔU – przy czym wówczas grupa wektorowa wynosi YNyn6.

Rys. 11 Wyniki pomiarów a) grupy wektorowej oraz b) napięcia dodawczego TD

6. Podsumowanie

TPF jest elementem SEE znanym już od lat 70 ubiegłego wieku. Początkowo stosowany jedynie w Stanach Zjednoczonych. W późniejszych latach znalazł również zastosowanie w pozostałej części świata. Zawsze jednak był instalowany w strategicznych punktach sieci, przede wszystkim na poziomie sieci przesyłowej. Aktualny stan oraz trend rozwijającej się energetyki zawodowej spowodował, że TPF stał się elementem wykorzystywanym nie tylko w sieci przesyłowej, ale i również na poziomie sieci dystrybucyjnej. Powodem jest przede wszystkim zwiększenie na rynku energetycznym udziału energii elektrycznej pochodzącej od niesterowalnych źródeł tj.: farm wiatrowych czy farm fotowoltaicznych. Mając na względzie rosnącą liczbę TPF instalowanych w sieci, należy poszerzać stan wiedzy osób zajmujących się ich eksploatacją. Przedstawione wyniki pomiarów oraz ich dyskusja pozwalają spojrzeć z nieco innej perspektywy na wyniki pomiarów np. przekładni napięciowej, gdzie nie jest to niczym nowym dla transformatora klasycznego. Jednakże w zastosowaniu dla TPF pomiar ten może dawać nieco większą ilość użytecznych informacji.

Tomasz Bednarczyk, Omicron

7. Literatura

[1]. IEC 60076-52-1202:2017. Power transformers – Part 57-1202: Liquid immersed phase-shifting transformers

[2]. IEC 62032:2012: IEEE Guide for the Application, Specification, and Testing of Phase-Shifting Transformers.

[3]. Korab R, Owczarek R., Impact of phase shifting transformers on cross-border power flows in the Central and Eastern Europe region. Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences, 64 (2016), nr 1, 127-133

[4]. Bednarczyk T., Szablicki M., Halinka A., Rzepka P: Structure of the automatic protection of a 2-tank symmetric phase shifting transformer. Acta Energetica, 9 (2018), nr 3, 4-13

[5]. Bednarczyk T., Jaros A., Plath C.: Novel Approach for testing Phase Shifting Transformer. Transformer magazine, Issue 01/2019.

[6]. Jemielity J., Opala K., Ogryczak T.: System Sterowania Przesuwnikami Fazowymi SSPF w SE Mikułowa. IEN Gdańsk 2014.

[7]. COMTAP ARS, Technical Data TD 1889046/03. Maschinenfabrik Reinhausen GmbH 2010.

[8]. TESTRANO 600 User Manual. OMICRON electronics GmbH 2018.

[9]. Electric Power transformer Engineering. CRC Press LLC, 2004.

[10]. A.Halinka, P.Rzepka, M.Szablicki: „Przenoszenie” zwarć niesymetrycznych przez przesuwniki fazowe. Forecasting in electric power engineering. Przegląd elektrotechniczny, 93 (2017), nr 4, 109-112.

[11]. A.Halinka, P.Rzepka, M.Szablicki: Warunki działania zabezpieczeń odległościowych linii w układach sieciowych z przesuwnikami fazowymi. Studium przypadku. Przegląd elektrotechniczny, 93 (2017), nr 3 28-31.

Click to comment

Leave a Reply

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

To Top