Istotna rola transformatora

Transkrypt

1 Łatwość przesyłania energii elektrycznej na duże odległości oraz przetwarzania, głównie w energię mechaniczną i ciepło, zadecydowała o jej powszechnym wykorzystaniu. Zalety elektryczności trudno dziś przecenić. Trudno wyobrazić sobie by teren gdzie żyją i pracują ludzie nie był pokryty siecią elektroenergetyczną. Jej ważnymi elementami są transformatory. Ryszard Boyke Hestia Loss Control, specjalista ds. oceny ryzyka, zajmuje się zagadnieniami ryzyka uszkodzenia maszyn i urządzeń, utraty zysku oraz ryzyk budowlano-montażowych, inżynier, absolwent Politechniki Gdańskiej, w Grupie Ergo Hestia od 1994 roku. Istotna rola transformatora 6

2 Powtórka z fizyki W roku 1831 znakomity fi zyk i chemik angielski Michael Faraday ( ) odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Ilościowy opis zjawiska sformułował w latach 1864/65 i opublikował w roku 1873 inny, równie znakomity, fi zyk angielski James Maxwell ( ). Równania Maxwella stanowią podstawę teorii pola elektromagnetycznego. Jednym z praktycznych przykładów wykorzystania teorii było skonstruowanie tak zwanego zasilacza oświetlenia, którym podawano elektryczność do pierwszych żarówek. Nazwy transformator po raz pierwszy użyto w roku 1888 na terenie Węgier w ówczesnym cesarstwie austro-węgierskim, gdy urządzenie zostało zgłoszone do opatentowania. W Polsce transformatory budowane są od ponad osiemdziesięciu lat. Transformator jest urządzeniem przetwarzającym energię prądu zmiennego w energię prądu zmiennego o innej wartości prądu i napięcia przy zachowaniu tej samej częstotliwości. W przeciwieństwie do generatorów i silników nie zawiera żadnych części ruchomych, ponieważ nie przetwarza energii mechanicznej. Z zasady zachowania energii wynika, że w uzwojeniu o wyższym napięciu przepływa prąd o mniejszym natężeniu. Zasada działania transformatora jest prosta i dla wszystkich transformatorów taka sama. Prąd zmienny płynący w uzwojeniu pierwotnym wytwarza zmienne pole magnetyczne, które w drugim uzwojeniu indukuje napięcie. Oba uzwojenia nie są ze sobą połączone galwanicznie. Uzwojenia łączy strumień magnetyczny. Aby ułatwić to połączenie, oba uzwojenia nawinięte są na wspólnym rdzeniu wykonanym z blach stalowych, które wzajemnie są od siebie odizolowane. Jeżeli do zacisków drugiego (wtórnego) uzwojenia przyłączyć jakikolwiek odbiornik, to w zamkniętym obwodzie popłynie prąd - ot, i cała filozofia. Rysunek 1. Schemat najprostszego transformatora jednofazowego, dwuuzwojeniowego. 1. Rdzeń magnetyczny z reguły składany z blach wzajemnie od siebie odizolowanych w celu niedopuszczenia do nadmiernego grzania się w czasie pracy. 2. Uzwojenie pierwotne (na przykład: napięcie U 1 = 110 V, prąd I 1 = 2A). 3. Uzwojenie wtórne (napięcie U 2 = 220 V, prąd I 2 = 1A). grudzień

3 Oto transformator Transformatory mają różne własności i mogą spełniać różne funkcje. Jednak główne zadanie, które determinuje ich powszechne stosowanie polega na zamianie napięcia na wyższe lub niższe. Potrzeba taka występuje w energetyce, przy przesyłaniu energii od źródła do odbiorcy. W celu zmniejszenia strat w sieciach napięcie przesyłu powinno być odpowiednio wysokie - w zależności od wielkości przesyłanej mocy i rozległości sieci elektroenergetycznej. Wartość napięcia przesyłowego jest najważniejszym, choć nie jedynym czynnikiem wpływającym na wielkość strat w sieciach. W Polsce linie przesyłowe pracują na napięciach od 6 kv do 750 kv, a to oznacza, że w czasie przesyłu nieraz zachodzi konieczność kilkakrotnego podwyższania i obniżania napięcia. Odbiorniki pracują zwykle bezpośrednio w zakresie napięć od 0,4 kv do 6 kv. Nie będę omawiał transformatorów specjalnych, blokowych lub sieciowych o dużych mocach i najwyższych napięciach. Przedstawię grupę transformatorów, które według przyjętego powszechnie podziału należą do tak zwanej III i IV grupy. Są to transformatory olejowe o mocy do 1,6 MVA oraz transformatory w izolacji suchej i kompozytowej, eksploatowane najczęściej przez średnie i małe firmy. Transformatory w tym przedziale mocy zasilają również osiedla mieszkaniowe i małe miejscowości. Dla zwykłych konsumentów energii, należą one do ważnych, jeśli nie najważniejszych, urządzeń na drodze płynącego prądu. Mimo to nie zwracamy na nie większej uwagi, dopóki w naszych mieszkaniach, biurach i fabrykach jest jasno i ciepło a urządzenia wydają przyjemny szmer świadczący o tym, że pracują z pełną wydajnością. 8 Ciepłe piwo w lodówce a utrata zysku Transformatory to jednak tylko maszyny i tak jak wszystkie urządzenia mogą ulec awarii. Konsekwencją uszkodzenia transformatora zasilającego osiedle, w którym mieszkamy, może być to, że pójdziemy do biura w niewyprasowanej koszuli, a po pracy nie obejrzymy meczu, który nasi piłkarze mogli wygrać. Być może, w skrajnym przypadku, zawartość lodówki trzeba będzie wyrzucić do śmietnika. Pomijając te niedogodności, skala strat jest jednak niewielka. Sprawa wygląda dużo gorzej, gdy energia elektryczna nie dopływa do zakładu produkcyjnego. Fabryka gaśnie. Zarówno czynności kluczowe, jak i te mniej ważne funkcje, zostają zatrzymane ze wszystkimi tego konsekwencjami finansowymi. Mało jest zakładów, które w dzisiejszych czasach byłyby w stanie funkcjonować bez energii elektrycznej. Wyjątkiem mogą być chyba już tylko młyny wodne, jeśli takowe są gdzieś jeszcze eksploatowane. Trudno podważyć tezę, że w każdym zakładzie, w każdym procesie produkcyjnym transformator jest jednym z najważniejszych urządzeń. Transformatory są awaryjne jak wszystkie urządzenia. W odniesieniu do transformatorów średnich i wysokich napięć, zainstalowanych w systemie elektroenergetycznym, publikowane statystyki pokazują, że przeciętnie w ciągu roku awarii ulegają dwa na sto eksploatowanych transformatorów. Słuszne wydaje się założenie, że dla transformatorów olejowych o mocy mniejszej niż 1,6 MVA a na pewno dla tych z izolacją żywiczną kompozytową, wskaźnik awaryjności jest jeszcze mniejszy. Należy jednak pamiętać, że wartość całkowitej szkody zależy również od tego jakie obiekty i urządzenia oraz na jak długo zostaną pozbawione energii.

4 Przykład 1 W zakładzie produkującym materiały budowlane urządzenia jednej linii technologicznej zasilane były poprzez transformator o mocy 1,6 MVA i napięciu 15/0,4 kv. Transformator uległ uszkodzeniu. Bezpośrednią przyczyną awarii było zwarcie wewnętrzne. Koszt naprawy wraz z transportem wyniósł około złotych. Remont trwał blisko dwa miesiące i był wykonywany u producenta. Wartość szkody zwiększyły straty wynikające Rysunek 2. Przyczyny uszkodzeń transformatorów. z ograniczenia produkcji. W tym konkretnym przypadku zakład nie posiadał polisy ubezpieczenia utraty zysku. Dostępne publikacje uszkodzeń. podają Elementami transformatora, uszkodzeniu są uzwojenia. najczęstsze przyczyny Przykład 2 które najczęściej ulegają Interesujące jest to, że do uszkodzenia transformatorów najczęściej dochodzi w pierwszym roku ich użytkowania. W następnych latach prawidłowej eksploatacji awaryjność transformatorów przejawia tendencję malejącą osiągając w końcu pewien stały niski poziom. Po trzydziestu latach eksploatacji transformatory w zasadzie nie ulegają już uszkodzeniom. Zakład produkcyjno - usługowy zasilany jest w energię poprzez dwa transformatory każdy o mocy 630 kva i napięciu 15/0,4 kv. Łączna moc obu transformatorów w niewielkim stopniu przewyższa moc zapotrzebowaną. W przypadku awarii jednego transformatora produkcja w zakładzie zostanie ograniczona prawie o połowę. Konsekwencją przestoju urządzeń produkcyjnych będzie strata fi nansowa w wysokości około 2 milionów złotych miesięcznie. Ryzyko zaistnienia tego scenariusza oczywiście istnieje, chociaż nie określałbym go jako wysokie. Rysunek 3. Liczba uszkodzeń transformatorów w stosunku do okresu eksploatacji. Żywotność transformatorów zawiera się w szerokich granicach od 30 do 50 lat. Głównymi czynnikami decydującymi o długości życia transformatora są stosowane zabezpieczenia techniczne i prawidłowo prowadzona eksploatacja. Grunt to zabezpieczenia Zadaniem stosowanych zabezpieczeń jest ograniczenie stopnia uszkodzenia transformatora oraz minimalizacja zagrożeń dla systemu elektroenergetycznego. Zakłócenia w pracy transformatora mogą wynikać z jego uszkodzenia lub nienormalnych warunków pracy. W zależności od rodzaju zakłócenia zabezpieczenia powodują wyłączenie lub jedynie sygnalizują nienormalny stan pracy transformatora. grudzień 2006 RF_No2.indd :12:15

5 Podstawowe zabezpieczenia chronią transformator przed skutkami: - zwarć zewnętrznych, - przeciążeń cieplnych, - zwarć w uzwojeniach i na wyprowadzeniach, - wzrostów napięć, - uszkodzeń kadzi i obniżenia poziomu oleju, - zakłóceń w pracy pomp olejowych (w przypadku chłodzenia z wymuszonym obiegiem oleju). W uzasadnionych przypadkach niektóre zabezpieczenia mogą uruchamiać urządzenia do gaszenia pożaru. Olej mineralny w transformatorze pełniący funkcję czynnika izolacyjnego i chłodzącego także stanowi zagrożenie pożarowe - zarówno dla samego urządzenia jak i otoczenia w miejscu gdzie został zainstalowany. Na ogół jednak instalacja gaśnicza, o ile takowa istnieje, uruchamiana jest ręcznie lub za pomocą czujników temperatury. Stanowiska transformatorów powinny być również wydzielone lub ogrodzone by zapobiec ingerencji ludzi czy zwierząt. Energetyka odnotowuje tragiczne w skutkach, niekiedy śmiertelne, przypadki wejścia dzieci do niezabezpieczonych odpowiednio stacji transformatorowych, na przykład po piłkę, która wpadła tam podczas zabawy. Prawidłowa eksploatacja Wszystkie transformatory po zainstalowaniu na stanowisku powinny być poddane badaniom pomontażowym. Zakres podstawowych badań dla każdej jednostki określony jest w dokumentacji techniczno-ruchowej, tak zwanej DTR-ce. Istotną rolę spełniają również regularnie przeprowadzane badania okresowe. Zakres i częstotliwość badań diagnostycznych dla poszczególnych grup transformatorów zawiera Ramowa Instrukcja Eksploatacji Transformatorów W grupie III badaniom okresowym przeprowadzanym raz na pięć lat lub częściej, podlegają transformatory olejowe o mocy większej od 630 kva. Nie podlegają badaniom kontrolnym transformatory olejowe hermetyczne. Badania transformatorów w izolacji suchej i kompozytowej ograniczają się do pomiaru rezystancji izolacji co najmniej raz na pięć lat. Poza zakresem pomiarów wynikającym z instrukcji eksploatacji ważna jest kontrola między innymi: - doboru zabezpieczeń, - stanu ochrony przeciwporażeniowej, - stanu zabezpieczeń przeciwpożarowych, jeśli zostały zastosowane. Ważnym źródłem informacji o stanie technicznym transformatora jest badanie oleju. Pozwala na wykrycie zanieczyszczeń, istniejących uszkodzeń wewnętrznych, 10 jak również naturalnego stopnia zużycia izolacji stałej. Dla transformatorów grupy III wykonywane, co pięć lat, badanie oleju posiada znacznie mniejszy zakres niż dla transformatorów o dużych mocach i napięciach zaliczanych do grupy I lub II. Nie jest na przykład przeprowadzana chromatograficzna analiza rozpuszczonych w oleju gazów, która pozwala diagnozować rodzaj uszkodzenia wewnętrznego i ocenić jego znaczenie. Transformatory suche Problemów z olejem nie posiadają użytkownicy transformatorów suchych żywicznych, w których uzwojenia izolowane są włóknem szklanym nasyconym kompozytami żywic epoksydowych. Po utwardzeniu uzwojenie stanowi monolit o doskonałych własnościach mechanicznych, dielektrycznych i cieplnych. Transformatory żywiczne praktycznie nie wymagają nadzoru i obsługi. Są odporne na wilgoć, zabrudzenia, a nawet w pewnym stopniu atmosferę agresywną chemicznie. Są jedynymi, które z zachowaniem zasad bezpieczeństwa mogą być instalowane w pobliżu odbiorników energii uzyskując oszczędności chociażby w wyniku skrócenia tras kablowych. Można je obecnie uznać za nowoczesne i najlepsze transformatory stosowane w różnych gałęziach przemysłu. Podsumowanie, a może pytanie? Energia elektryczna jest dla naszego życia codziennego niezbędna jak krew dla ludzkiego organizmu. Fakt, że ciało ludzkie nie posiada organu odpowiadającego swą funkcją transformatorowi nie umniejsza roli tego ostatniego. Transformator pomimo wszystkich zabezpieczeń, które poprawnie dobrane i stosowane powinny zapewnić jego bezpieczną eksploatację może ulec awarii. Czy na wypadek takiego zdarzenia nie należałoby rozważyć jeszcze jednego sposobu za(u)bezpieczenia? Ryszard Boyke ryszard.boyke@hestia.pl