TRANSFORMATORI - moja

FAKULTET
ELEKTROTEHNIKE I
RAČUNARSTVA
ELEKTROMEHANIČKE I ELEKTRIČNE PRETVORBE ENERGIJE
TRANSFORMATORI
TR.3 -
Zagrijavanje i hlađenje, vijek trajanja, tipska
snaga, autotransformator, tercijar, cik-cak
spoj, prenaponi, natpisna pločica
Prof. dr. sc. Zlatko Maljković
ZAVOD ZA
ELEKTROSTROJARSTVO
I AUTOMATIZACIJU
Ak. god. 2010/2011
Zagreb, 28.9.2010
Sadržaj 3. predavanja iz transformatora
Zagrijavanje i hlađenje
Vijek trajanja transformatora
Autotransformator i regulacija napona
Tercijar
Cik-cak spoj
Prenaponi
Natpisna pločica
28.9.2010
2
ZAGRIJAVANJE I HLAĐENJE. Prijenos topline
Pojava spontanog prijenosa topline u smjeru temperaturnog
pada, tj. od tijela više temperature na tijelo niže temperature ili
od toplijih prema hladnijim slojevima tijela.
Tri načina prijenosa topline:
provođenje ili kondukcija (vođenje),
konvekcija (odvođenje) - prijelaz topline od fluida na čvrstu
stjenku ili od stjenke na fluid,
zračenje ili radijacija (isijavanje).
28.9.2010
3
Jednadžba toplinskog stanja homogenog tijela
Za homogeno tijelo mase m, specifičnog toplinskog kapaciteta c
i površine A vrijedi:
Φ t d t = m c dϑ + A α ϑ dt
Toplinski tok: Φt
Koeficijent prijelaza topline: α
Toplinski kapacitet tijela: mc
Toplinska vodljivost tijela: Aα
Maksimalno zagrijanje (nadtemperatura) tijela pri konstantnom
dovodu topline:
Φt
ϑm =
Aα
28.9.2010
4
Zagrijavanje i hlađenje homogenog tijela (1)
Ako su Φt , c i α konstante tada je rješenje jednadžbe
toplinskog stanja kod zagrijavanja:
ϑ = ϑ0 + (ϑmax − ϑ0
i hlađenja:
ϑ = ϑ1
Toplinska vremenska konstanta:
28.9.2010
t
−

) ⋅ 1 − e T




−t
e T
mc
T=
Aα
5
Zagrijavanje i hlađenje homogenog tijela (2)
Θ
θ – temperatura
ϑ – nadtemperatura
(zagrijanje)
T
Temperatura
ϑ = ϑo + (ϑm–ϑo)(1–e-t/T)
θm
θ0
mc
T=
Aα
ϑm
ϑ = ϑ1e-t/T
ϑ1
ϑ0
θ
θok
T
Toplinski tok
(gubitci)
0
28.9.2010
Φ
T
t1
t
Φ1
0
t1
Vrijeme
t
6
Toplinska vremenska konstanta namota i ulja i specifični
toplinski kapacitet dijelova u transformatoru
Transformator nije homogeno tijelo, ali se proces prijelaza
topline zasniva na navedena tri načina.
Toplinska vremenska konstanta prikazuje se s dvije konstante:
namota: Tn - iznos u minutama
ulja: Tu - iznos u satima
Specifični toplinski kapacitet c (J/kg K)
Bakar
Magnetski lim
Voda
Tvrdi papir u ulju
28.9.2010
390
485
4190
∼2000
Aluminij
Transf. ulje
Papir u ulju
Bukovina
920
1800-1900
1200
∼ 2000
7
Transformator opterećen 4 sata sa Sn, a zatim s 1,5Sn
Pon= 0,4 kW, Tn= 6 min, θn-u= 20 K
Ptn= 2 kW TT = 3 sata, θn-ok= 60 K
S
1,5 Sn
Sn
1,5 Sn
Sn
4,9 kW
t
Pg kW
4
3
S = 1,5Sn
2,4 kW
P0 n + Pt = 0, 4 + (1,5) 2 ⋅ 2 = 0, 4 + 4,5 = 4,9 kW
2
1
0.4
0
28.9.2010
t
8
Porast temperature namota
i transformatorskog ulja
250
S = 1,5Sn
θ m N-U =
Temperatura (ºC)
200
Pon= 0,4 kW, Tn= 6 min, θn-u = 20 K
Ptn= 2 kW, TT= 3 sata, θn-ok= 60 K
P0 + Pt = 0, 4 + (1,5) 2 ⋅ 2 = 0, 4 + 4,5 = 4,9 kW
4,5
4,9
⋅ 20 = 45 K θ m U-OK =
⋅ 60 = 122,5 K
2
2, 4
qn
ϑmN −U = 45 K
150
qu
ϑmU −OK = 122,5 K
100
20 K
50
θOK = 40°C
Vrijeme (h)
0
2
28.9.2010
4
6
8
10
9
Načini hlađenja transformatora
Oznaka načina hlađenja transformatora sastoji se od 4 slova:
1. Rashladno sredstvo namota
2. Način hlađenja namota
3. Rashladno sredstvo vanjskog hlađenja
4. Način hlađenja za vanjsko hlađenje
Rashladno sredstvo:
O – mineralno ulje,
L – sintetsko ulje,
G – plin,
W – voda,
A – zrak,
S – kruti materijali
28.9.2010
Način hlađenja:
N – prirodno,
F – prisilno,
D – dirigirano.
10
Primjeri oznake hlađenja transformatora:
ONAN – hlađenje prirodnim strujanjem ulja oko namota, i
zraka kao sekundarnog rashladnog sredstva
(uljni transformatori do 20 MVA).
ONAN/ONAF – do 80% snage ONAN, dalje se automatski
uključuju ventilatori.
ODWF - hlađenje namota dirigiranim strujanjem ulja u
kotlu, te sekundarnim rashladnim krugom u kojem prisilno
struji voda (najveći transformatori).
AN – suhi transformatori bez zaštitnog kućišta.
ANAN – suhi transformatori sa zaštitnim kućištem i
prirodnim strujanjem zraka unutar i izvan kućišta.
AF – suhi transformatori za veće snage.
28.9.2010
11
Dopušteno zagrijavanje transformatora
prema IEC normi
28.9.2010
12
VIJEK TRAJANJA TRANSFORMATORA
Starenje izolacije
Izolacija pod utjecajem temperature, kisika, vlage i drugih
agenasa s vremenom stari.
V. M. Montsinger istraživao je proces starenja izolacijskih
materijala pod utjecajem temperature uzimajući kriterij kraja
vijeka trajanja smanjenje vlačne čvrstoće za 50%.
Vijek trajanja izolacije:
Z = Z0 2
28.9.2010
−
ϑ −ϑ0
∆
13
Vijek trajanja (životna dob)
Z0 - normalni vijek trajanja
θ0 - normalna temperatura
Z
∆ - konstanta materijala
θ - temperatura kojoj je izolacija izložena
= Z0 2
−
θ −θ 0
∆
Konstanta materijala za izolaciju uljnih transformatora
∆ = 6 °C, a normalna temperatura θ0 = 98 °C.
Proces starenja po navedenoj formuli vrijedi u
granicama temperature izolacije 80 °C do 130 °C.
Danas je prihvaćen pojam relativnog trošenja vijeka
trajanja ν
28.9.2010
14
Trošenje vijeka trajanja
700
Trošenje vijeka trajanja
papirno-uljne izolacije
(∆ = 6°C)
(θ −θ0 ) / ∆
ν =2
ν % = 100ν
n
∑ν
i =1
(θ −θ0 ) / ∆
ν =2
600
500
400
300
Istrošenost izolacije
1
IZ =
Z0
ν%
200
100
t
i% i
50
θ (°C)
0
86
80
28.9.2010
92
90
98
100
104
110
120
15
Tipska snaga
Tipska snaga transformatora je nazivna snaga dvonamotnog
transformatora bez regulacije. Ako imamo mogućnost
regulacije napona za +a% i –b% treba jednom namotu dodati a%
zavoja, i presjek vodiča povećati za b% da bi pri tom nižem
naponu struja bila veća za b%. Tipska snaga takvog
transformatora da nema regulacije je približno:
 a% + b% 
ST = S N 1 +

200


Ako postoji treći namot nazivne snage S3 tipska snaga je:
 a% + b%
S3 
ST = S N 1 +
+

200
2
S
N 

28.9.2010
16
AUTOTRANSFORMATOR
Transformator u štednom spoju
Autotransformator je transformator u kojem su barem dva
namota kruto spojena u zajednički namot.
Višenaponska strana namota sastoji
I1a
se od serijskog i zajedničkog
(paralelnog) namota.
Niženaponska strana se sastoji
I2a
samo od zajedničkog namota.
U1a
U autotransformatoru samo se dio
snage transformira induktivnim putem,
I2a-I1a
dok se preostali dio prenosi direktno s
U2a
primara na sekundar preko galvanske
veze namota.
28.9.2010
17
Prednosti i nedostaci autotransformatora
Prednosti autotransformatora prema dvonamotnom
transformatoru za iste napone i snagu u osnovi se sastoji u
manjim dimenzijama, nižim gubicima, većoj korisnosti, lakšem
transportu i nižoj cijeni.
Negativne strane autotransformatora proizlaze iz galvanske
veze primarnog i sekundarnog kruga i time direktnog prijenosa
prenapona s jednog sustava na drugi.
Spoj trofaznog namota autotransformatora mora biti u zvijezda
spoju da bi se mogao jedan izvod zajedničkog namota uzemljiti.
Izolacijski sustav autotransformatora je kompleksniji zbog
gotovo redovito izvedenih dodatnih regulacijskih zavoja.
28.9.2010
18
Shema autotransformatora
1U
U1
2U
I1
w1
ka = U1a / U2a = (w1+w2) / w2
I2
w2
Z2
1N
I1a
U2
2N
I2a
1U
2U
I1
w1
U1a
I1+I2
w2
Z2
U2
I2a-I1a
U2a
I2
N
28.9.2010
19
Snaga autotransformatora
I1a = I1
U1
Sa = U1a I1a = (U1 + U 2 ) I1
 U2 
Sa = U1 I1 1 +

U
1 

U1a
Sa = ST
U1a − U 2a
Tipska snaga :
 U 2a 
ST = Sa 1 −

U
1a 

Faktor redukcije :
I2a = I1+I2
U1a
U2
U2a
ST
Sna
1
0,5
U2a
U1a
 U 
S
q = T = 1 − 2a 
Sa  U1a 
0
28.9.2010
0,5
1
20
Napon kratkog spoja autotransformatora
Napon kratkog spoja s VN strane u postotnom iznosu je manji
jer je primarni napon veći (umjesto U1 bazni je napon
U1a = U1+U2):
uka%
uka%
U1a
Z k ST
U1a − U 2a
U1a − U 2a
Zk
= 100 2 = 100
= uk%
2
Ua
U1a
 U1a  2

 Un
Sa
 U1a − U 2a 
S
= uk% T
Sa
Zbog manjih struja kratkog spoja u mreži često je zahtjev
kupaca da uka bude većeg iznosa (čak i do 40%), pa se
autotransformator mora raditi s posebnom konstrukcijom
namota koje karakteriziraju povećani dodatni gubici.
28.9.2010
21
Primjena autotransformatora
Zbog uštede se često primjenjuju autotransformatori za velike snage pri
povezivanju VN mreža (400, 220 i 110 kV). Najčešće se izrađuju
tronamotni transformatori s VN i SN namotima spojenim u zvijezdu
u štednom spoju, a NN namot je
galvanski odvojen i spojen je u
trokut. Taj se tercijar obično ne
koristi za napajanje svoje mreže;
tada ga nazivamo stabilizacijski
namot kojim se ostvaruje da u
magnetskom toku i induciranom
naponu nema trećeg harmonika.
Često se autotransformatorima
dograđuje regulacijska sklopka
zbog mogućnosti podešavanja
prijenosnog omjera pod teretom.
28.9.2010
22
Regulacija napona autotransformatora
(napon VN strane čvrst)
28.9.2010
23
Regulacija napona autotransformatora
(napon VN strane promjenljiv)
28.9.2010
24
Tercijar
Tercijar je kratkospojeni namot
malog otpora, jednoliko razdijeljen
na sva 3 stupa tako da su svi svici
spojeni u seriju – spoj trokut.
Namotan je oko stupa i sprečava
zatvaranje 3.harmonika toka u prostoru između stupova i kotla.
Nulta reaktancija jednaka je direktnoj reaktanciji i zato kažemo da
tercijar ruši nultu reaktanciju od iznosa bliskog reaktanciji praznog
hoda na iznos blizak reaktanciji kratkog spoja.
U slučaju nesimetričnog opterećenja po fazama kada nema nul voda
javljaju se istofazni tokovi u jezgri. Naponi inducirani tim tokovima
mijenjaju fazne napone. No u tercijaru će poteći struja inducirana od
istofaznih tokova u jezgri koja će svojim djelovanjem poništiti
djelovanje istofaznih struja tereta.
28.9.2010
25
Uloga tercijara
Tercijar u transformatoru u spoju Yy ima funkciju smanjenja
nulte reaktancije transformatora, simetriranja opterećenja po
fazama, smanjenja nultih komponenti struje uključenja i sl.
Može se koristiti i za priključak trošila, odnosno u elektrani ili
transformatorskoj stanici gdje su potrebna 3 različita napona.
Ako se ne koristi za napajanje trošila naziva se i stabilizacijski
namot.
Primjer tronamotnog transformatora s tercijarom: YNyn0d5
28.9.2010
26
Cik-cak spoj transformatora
Svaki se fazni namot sastoji od dva dijela u kojima se induciraju
fazno pomaknuti naponi. Te se polufaze nalaze na različitim
stupovima.
15,5% više zavoja nego u spoju zvijezda.
Omogućeno nesimetrično opterećenje (čak 100% opterećenja
samo jedne faze).
Upotreba za manje transformatore (do 160 kVA)
Primjer: Yzn5
28.9.2010
27
Cik-cak (slomljena, razlomljena zvijezda)
Praktički se ne koristi za primarni namot.
Zbog spoja svake faze od polunamota, struje 3.harmonika djeluju
tako da se treći harmonik protjecanja poništava, što znači da nema
3.harmonika magnetskog toka. Taj se tok može zatvoriti samo
između cik-cak namota (jako veliki magnetski otpor) pa treba puno
amperzavoja, tj. struja magnetiziranja (primara) mora biti jako velika.
28.9.2010
28
Transformator za uzemljenje
Iznimka za spoj cik-cak u primaru je transformator za
uzemljenje.
Ako treba mrežu (npr. 20 kV) uzemljiti, a spoj je na toj strani
trokut ubacuje se transformator za uzemljenje u Z-spoju (to je
praktički prigušnica).
U sekundaru takvog transformatora za uzemljenje može se
dodati namot u spoju y za napajanje NN mreže (0,4 kV) tako da
je npr. grupa spoja ZNyn5.
28.9.2010
29
Prenaponi kojima je izložen transformator
Atmosferski – atmosfersko izbijanje prilikom udara groma u
dalekovod ili bliskih munja.
Sklopni – isklop ili uklop prekidača mijenja konfiguraciju mreže i
nastupa prijelazno stanje s drugačijim akumuliranim energijama
u električnom, magnetskom i mehaničkom dijelu sustava kao
npr. počeci kratkih spojeva.
Da bi bili sigurni da će transformator normalno raditi u svim
radnim uvjetima ispitujemo ga:
izmjeničnim ispitnim naponima nazivne frekvencije AC (kV) razine od 10
do 630 kV
udarnim ispitnim naponima posebnog valnog oblika - LI (kV) razine od 40
do 1425 kV
28.9.2010
30
Najviši napon opreme
Podnosivi napon
Um (kV)
industr. frekv. AC (kV)
3,6
10
7,2
20
12
28
24
50
36
70
123
245
420
28.9.2010
185
230
360
395
570
630
Podnosivi udarni
napon LI (kV)
40
60
75
125
170
450
550
850
950
1300
1425
31
Natpisna pločica
Za transformatore veće snage od 10 MVA preporuča se primjena
vrijednosti R10 reda za nazivne snage, tj. 100, 125, 160, 200,
250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000 itd. (IEC 60076-1).
Primjer označavanja regulacijskih transformatora:
Transformator s regulacijom na 110 kV namotu s ukupno 21 odvojkom
simetrično postavljenim:
(110 ± 10 x 1,5 %) / 35 kV
ili uz nesimetrične odvojke:
(110 -8x1,5%+12x1,5%) / 35 kV
28.9.2010
32
Nazivni podaci specijalnog tronamotnog
transformatora
Najviši napon
Nazivna snaga opreme Um(kV)
Sn (kVA)
UISP_udarni
UISP_fn
uk
Uključenje rashladnih ventilatora hladnjaka kad je snaga veća od 31,5 MVA
28.9.2010
33

Download Report