Transformatoriai

NUOSTOLIŲ  TRANSFORAMATORIUOSE APSKAIČIAVIMAS

Pateikta nuostolių transformatoriuose skaičiavimo lentelė yra sudaryta pagal 2014–2020 metų Europos Sąjungos fondų investicijų veiksmų programos 4 prioriteto „Energijos efektyvumo ir atsinaujinančių išteklių energijos gamybos ir naudojimo skatinimas“ 04.4.1-LVPA-K-106 priemonės „Elektros skirstomųjų tinklų modernizavimas ir plėtra“ projektų finansavimo sąlygų aprašo Nr. 1 6 priedo pagrindu.

Technologiniai nuostoliai transformatoriuose

Papildomi nuostoliai susidaro dėl reaktyvinės galios transformacijos, kuri įtakoja galios transformatoriui didindama jo nuostolius.

Aktyviosios galios nuostoliai trifaziame tinkle dėl reaktyviosios srovės perdavimo lygūs:

ΔPr = 3 · Iμ² · R · 10^-3 = 3 · (I sinφ)² · R · 10^-3.

Taigi mažėjant cosφ, nuostoliai sparčiai didėja. Pvz: kai cosφ = 0.7, nuostoliai ΔP padidėja dvigubai.

Pilnam transformatorių darbo įvertinimui yra paskaičiuojami nuostoliai transformatoriuose,  gauti  dėl esamų transformatorių vidinių nuostolių, apkrovos bei reaktyvinės energijos įtakos.

Šios lentelės duomenimis matosi, kad vien tik galios transformatoriaus reaktyvunės energijos transformavimo sumažinimas nuo cos 0,7 iki cos 0,99, leidžia sumažinti aktyvinės energijos nuostolius transformatoriuose per metus  7410 kW arba 593 Eur

GALIOS TRANSFORMATORIŲ EKSPLOATAVIMO REIKALAVIMAI

Energijos nuostoliai galios transformatoriuose

Transformatoriuose gali būti prarandama apie 5% perduodamos energijos. Daugelyje transformatorinių pastočių dėl elektros tiekimo patikimumo greta dirba du transformatoriai.

Nuostoliai šiose pastotėse kis pagal tokį dėsnį:

ΔW2T = 2ΔP0 · T + 1/2ΔPk ·β2 · t,

čia: ΔP0 ir ΔPk – transformatoriaus tuščiosios eigos ir trumpojo jungimo galios nuostoliai,

T – transformatoriaus darbo trukmė,

β= I /IN – apkrovos koeficientas,

t– maksimalus nuostolių laikas, kuris surandamas pagal maksimalios galios panaudojimo laiką Tmax.

Nuostolių kitimo dėsnį priklausomai nuo transformatorių apkrovos rodo grafikas Esant mažai apkrovai (mažesnei nei 0,6 PN), nuostoliai bus mažesni, dirbant vienam transformatoriui. Kai bus didesnė apkrova, susidarys mažesni nuostoliai, greta veikiant dviem transformatoriams.

Siekiant mažinti energijos nuostolius, būtina sekti transformatorių apkrovą: kai ji mažesnė negu 0,6 vardinės reikšmės, vieną iš dviejų greta veikiančių transformatorių reikia išjungti arba juos pakeisti mažesnės galios transformatoriais, jeigu tą padaryti leidžia esamos sąlygos.

pav. Galios nuostolių kitimo kreivės, veikiant vienam ir greta dviem 1000 kVA transformatoriams.

Lygiagretus transformatorių (autotransformatorių) darbas leidžiamas su sąlyga, kad apkrovos srovė In  nei vienoje apvijoje neviršys leistinos reikšm Is.

Lygiagretus transformatorių darbas leidžiamas esant šioms sąlygoms:

• vienodos apvijų sujungimo grup Is;
• transformatorių galingumų santykis ne didesnis kaip 1:3;
• transformacijos koeficientai skiriasi ne daugiau kaip +/- 0,5 %;
• trumpo jungimo įtampos skiriasi ne daugiau kaip +/- 10 %;
• atliktas transformatorių fazavimas.

Transformatorius turi būti avarine tvarka atjungiamas esant šiems požymiams:

• stiprus, netolygus triukšmas ir traškesiai transformatoriaus viduje;
• nenormalus ir pastoviai didėjantis transformatoriaus įšilimas, esant jam apkrautam žemiau vardinės reikšmės ir normaliai veikiant aušinimo įrenginiui;
• esant alyvos išmetimui iš kompensatoriaus ar trūkus išmetimo vamzdžio diafragmai;
• ištekant alyvai ir kartu krentant jos lygiui žemiau alyvos matavimo stiklo lygio.

Transformatoriai turi būti avarine tvarka atjungiami, jei pagal laboratorinių bandymų duomenis reikia nedelsiant pakeisti jų alyvą.

Parametrai įtakojantys transformatorių darą

Srovės perkrovos ( Elektros variklių paleidimas ir/arba blokavimas)

Keliais sekundes po elektros variklių paleidimo,  kurie yra pajungti prie transformatoriaus maitinančios paskirstymo skydo , jie naudoja žymiai didesnę srovę negu vardinė srovė. Jei variklių paleidimo procesas yra dažnai kartojamas, nepakankamai galingas transformatorius patirs perkrovą.

Harmonikos

Indukcinės apkrovos, lygintuvai ir dauguma keitiklių generuoja harmonikas ir kelia palyginti didelius iškraipymus. Šis reiškinys yra dažnai registruojamas popieriaus fabrikuose (pvz., popieriaus pjaustymo mašinų varikliai maitinami įtampa su impulsų pločio moduliacija. Dėl šių reiškinių mažėja transformatoriaus galia.

Trumpasis jungimas

Transformatorių galia yra parenkama tokia, kad jie galėtų išlaikyti 2 sekundžių trukmės trumpojo jungimo srovę (žr. standartą IEC 60076-5). Jeigu trumpasis jungimas trunka ilgiau nei standartinės 2 sekundės, jis gali sukelti žymų transformatoriaus perkaitimą.

Atsijungimas

Transformatorių galia taip pat yra parenkama, atsižvelgiant į tai, kad transformatorius galėtų pakelti atsitiktinius atsijungimus. Tačiau dažni atsijungimai gali sukelti transformatoriaus perkaitimą.

Įtampos perkrovos. Per didelė indukcija

Gali atsitikti, kad transformatoriaus apvijų atšakų perjungimo taškas nėra teisingai suderintas su tinklo įtampa. Tai neišvengiamai sukels per didelę indukciją: padidės transformatoriaus magnetinės šerdies generuojami nuostoliai, sukeldami transformatoriaus perkaitimą.

Dažnis

Per didelė indukcija taip pat susikuria, jeigu transformatorius yra parinktas dažniui, didesniam už tinklo dažnį. Tai vėl sukels transformatoriaus perkaitimą. Tačiau tai nėra labai paplitęs reiškinys.

Harmonikos

Įtampos harmonikos sukelia transformatoriaus magnetinės šerdies generuojamų nuostolių padidėjimą, dėl ko perkaista transformatoriaus magnetinė šerdis ir žemos įtampos apvijos.

Siekiant kompensuoti papildomus specifinius nuostolius, kuriuos sukelia harmonikų srovės, reikia pasirinkti didesnio galingumo transformatorius. Harmonizavimo dokumentuose HD 428 ir HD 538 yra rekomenduojami galios sumažinimo koeficientai alyviniams skirstomiesiems transformatoriams ir sauso tipo transformatoriams tinkluose, kurie yra užteršti srovės harmonikomis. Šie koeficientai apskaičiuojami pagal nagrinėjamų srovės harmonikų normas ir dedamąsias . Transformatoriaus, kuris dirba su elektroninio tipo apkrovomis, rekomenduojamos vardinių reikšmių sumažinimo normos yra atvaizduotos šioje diagramoje, kuri yra paimta iš IEEE 519 Taikomosios rekomendacijos (1996) projekto.

Rekomenduojamos vardinių reikšmių sumažinimo normos transformatoriams, kurie dirba su elektroninio tipo apkrovomis. Pavyzdžiui, jeigu transformatorius aptarnauja 40% elektroninio tipo apkrovų, transformatoriaus vardinės reikšmės turi būti sumažinamos 40%.

Reikia pastebėti, kad transformatorius, parinktas pagal šį „K-koeficientą„, bus nuo 30 iki 60% brangesnis, priklausomai nuo jo vardinės galios, kuri gali svyruoti nuo 15 iki 500 kVA. Didesnės galios transformatoriaus parinkimas galimas tik tuo atveju, jeigu yra žinomas harmonikų užteršimo lygis ir apie jį buvo pranešta gamintojui dar prieš pradedant projektuoti transformatorių.

Šiluminiai reiškiniai transformatoriuose

Transformatorių sudaro magnetinė šerdis, kuri generuoja „geležies nuostolius“, ir žemos, bei aukštos,  įtampos apvijos, kuriose generuojami šiluminiai nuostoliai: šie nuostoliai sukelia transformatoriaus šilimą.

Bendra transformatoriaus sukuriama šiluma išsiskiria į aplinkos orą konvekcijos ir spinduliavimo būdu: šie reiškiniai vyksta  kanaluose tarp magnetinės šerdies ir žemos įtampos dalies, žemos įtampos dalyje ir tarp žemos ir aukštos įtampos dalių, už aukštos įtampos dalies ribų.

Senėjimas ir perkaitimo kompensacija

Transformatoriaus įšilimo laiko konstanta vidutiniškai yra lygi apytikriai 2 valandoms, tačiau ši reikšmė kiekvienam transformatoriui gali skirtis.

Perkaitimo pasekmės

Perkaitimo pasekmės gali būti įvairios:

– Medžiagų išsiplėtimas, net trūkinėjimas.

– Izoliacinių medžiagų elektrinio atsparumo sumažėjimas.

– Per greitas komponentų, ir ypatingai apvijose naudojamų izoliacinių medžiagų, senėjimas.

Iš tikrųjų, kiekvieną kartą, kai transformatorius patiria perkrovą (aplinkos temperatūra, srovė arba įtampa viršija reikšmes, kurios yra registruojamos normalaus darbo režimo metu), jis perkaista, o kiekvienas perkaitimas trumpina jo tarnavimo amžių.

Tačiau, jeigu transformatorius ilga laiką dirbo su per maža apkrova (aplinkos temperatūros, srovės ir kt. reikšmės yra mažesnės už vardines reikšmes), vėliau jį galima apkrauti žymiai didesne apkrova (su karštaisiais taškais iki 190 ºC).

Standartizuotos įšilimo ribos

Standarte IEC 726 yra nustatyta transformatorių, dirbančių stabilizuotame vardiniame darbo režime, vidutinio įšilimo riba, tuo tarpu IEC 905 yra nurodyta maksimali apvijų karštųjų taškų temperatūra perkrovos laikotarpiu. Priimtinos temperatūros pagal šiuos standartus yra:

• Apvijoms:

• – 145 ºC temperatūra stabilizuotame darbo režime, prie vidutinės metinės 20 ºC temperatūros (tai reiškia, kad kasdieninė 155 ºC temperatūra jokiomis aplinkybėmis negali viršyti 165 ºC). Todėl priskirtame darbo režime vidutinis apvijų temperatūros padidėjimas yra apribotas 100 K reikšme.
• – Maksimali 190 ºC temperatūra perkrovos laikotarpiais. Ši temperatūra niekada negali būti viršyta.

Kalbant apie transformatoriaus magnetinę šerdį, metalinius komponentus ir kitas medžiagas, esančias šalia apvijų, standarte yra nustatyta, kad „temperatūra jokiomis aplinkybėmis negali padidėti iki tokio lygio, kuris pažeistų pačią magnetinę šerdį arba komponentus ar medžiagas, esančias šalia jos“.

Šiluminė apsauga

Gali būti papildomai užsakoma transformatoriaus šiluminė apsauga, kuri nuolat ir automatiškai kontroliuoja transformatoriaus temperatūrą. Jos parametrai yra parenkami pagal transformatoriaus nuolatinį darbą vardiniame darbo režime.

Šiluminė apsauga naudoja jutiklius, kurie atlieka transformatoriaus apsaugos funkcijas ir matuoja temperatūrą apvijos karštajame taške: kadangi standartuose IEC 726 ir 905 labai konkrečiai kalbama apie apvijų temperatūras, šie jutikliai yra išdėstyti pačiame žemos įtampos apvijos centre, tokiu būdu sekdami vidinę apvijos temperatūrą. Jutikliams yra nustatomos atitinkamos slenkstinės reikšmės, ir jų registruojamą temperatūrą pagal šias slenkstines reikšmes kontroliuoja elektroninis keitiklis, kuris generuoja atitinkamą aliarmo signalą, kai yra viršijama viena iš temperatūros slenkstinių reikšmių.

Šiame paveikslėlyje yra parodyta teorinė temperatūros diagrama jutikliui, esančiam žemos įtampos kanale: tai realiai egzistuojančio transformatoriaus diagrama. Šios reikšmės galioja, esant 30 ºC aplinkos temperatūrai (transformatoriui, kuris skirtas dirbti iki maksimalios 40 ºC aplinkos temperatūros), ir įrengimams, kurie dirba su optimalia aušinimo sistema.

Paveikslėlio tekstų vertimas:

• AN power – Natūralus aušinimas „AN“
• Fan start-up – Ventiliatoriaus įjungimas
• AF power – Dirbtinis aušinimas „AF“
• In ratio – In santykis

Transformatoriaus perkaitimo sukeliamas šiluminis reiškinys daro stiprią įtaką transformatoriaus darbui ir tarnavimo amžiui, nepriklausomai nuo tokio perkaitimo priežasčių.

Projektuojant transformatorių, reikia atsižvelgti į šiuos perkaitimo reiškinius. Čia yra pateikiamos rekomendacijos, susijusios su transformatoriaus šiluminiu darbo režimu:

• – Turi būti tinkamai suprojektuota transformatorinė pastotė (erdvė virš transformatoriaus iki pat lubų turi būti tuščia, teisingai paskaičiuoti vėdinimo angų dydžiai ir jų padėtys).
• – Turi būti naudojama šiluminės apsaugos sistema, kuri nuolat kontroliuotų transformatoriaus apvijų temperatūrą. Ši sistema turi generuoti atitinkamus aliarmo signalus, priklausomai nuo to, kokia temperatūros slenkstinė reikšmė buvo viršyta.
• – Turi būti įrengta specialiai transformatoriaus gamintojo suprojektuota transformatorinės pastotės vėdinimo sistema. Tokia vėdinimo sistema turėtų sumažinti atsitiktinių perkrovų pasekmes, bet leistų dirbti su sąmoningai naudojamomis ir kruopščiai kontroliuojamomis perkrovomis.