Moduł 4 Zasada działania transformatorów 1. Zasada działania transformatorów 2. Stan jałowy, obciążenia i zwarcia transformatorów 3. Praca równoległa transformatorów 4. Nagrzewanie się i chłodzenie transformatorów
1. Zasada działania transformatorów Transformator jest statyczną maszyną elektryczną, działającą na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Jest przeznaczony do przetwarzania za pomocą tego pola układu napięć i prądów przemiennych na jeden lub kilka układów napięć i prądów na ogół o innych parametrach, lecz zawsze o tej samej częstotliwości. Zasadę działania transformatora można wyjaśnić na podstawie rysunku 1: Rysunek 1. Ilustracja zasady działania transformatora Źródło: W. Latek, Maszyny elektryczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa 1994 r., s. 16 Transformator posiada rdzeń wykonany z blach elektrotechnicznych, tworzący obwód zamknięty dla strumienia magnetycznego φ, oraz nawinięte na rdzeniu izolowanym przewodem miedzianym najczęściej dwa uzwojenia o liczbach zwojów opisanych jako N1 i N2. Liczba zwojów uzwojenia N1 jest zazwyczaj inna jak uzwojenia N2 (wyjątek stanowią transformatory separacyjne, gdzie liczba zwojów obu uzwojeń jest sobie równa). Jeżeli do uzwojenia o liczbie zwojów N1 zostanie doprowadzone napięcie u1, to w uzwojeniu N1 popłynie prąd i1 wywołujący strumień magnetyczny. Zasadnicza część tego strumienia φ płynie przez rdzeń transformatora tworzący dla niego obwód magnetyczny, kojarząc się z obydwoma uzwojeniami N1 i N2. Część strumienia magnetycznego oznaczona jako φ σ1 zamknie się przez powietrze, kojarząc się tylko z uzwojeniem o liczbie zwojów N1. Strumień φ nazywa się strumieniem głównym zaś strumień φ σ1 strumieniem rozproszonym. Droga strumienia rozproszonego φ σ1 przechodzi głównie przez powietrze, czyli przez ośrodek o małej przewodności magnetycznej. Droga głównego strumienia magnetycznego φ przechodzi przez rdzeń żelazny, czyli przez ośrodek o dużej przewodności magnetycznej. Dlatego też strumień rozproszony φ σ1 jest znacznie mniejszy od strumienia głównego φ. Zwykle strumień φ σ1 wynosi kilka procent strumienia φ. Jeżeli przyłożone do zacisków uzwojenia N1 napięcie u1 jest napięciem przemiennym to prąd i1 płynący w tym uzwojeniu również jest prądem przemiennym oraz strumienie φ i φ σ1 są strumieniami przemiennymi. Wówczas zgodnie z prawem indukcji magnetycznej w uzwojeniach transformatora indukują się napięcia odpowiednio proporcjonalne do liczby zwojów uzwojeń N1 i N2 oraz strumienia φ. Przy napięciu zasilającym u1 sinusoidalnie zmiennym indukowane napięcia ui1 i ui2 są również sinusoidalnie zmienne. Jeżeli do zacisków uzwojenia o liczbie zwojów N2 zostanie podłączony odbiornik o impedancji Z, to przez to uzwojenie popłynie pąd i1. Moc dostarczona do transformatora U 1 I 1 jest w przybliżeniu równa mocy odprowadzonej od transformatora, zatem: 2
czyli: U 1 I 1 U 2 I 2 U 1 U 2 I 2 I 1 W takim stanie pracy zwanym stanem obciążenia prąd i1 wywołuje strumień główny φ g1 i strumień rozproszony φ σ1 zaś prąd i2 wywołuje strumień główny φ g2 i strumień rozproszony φ σ2. Strumień φ σ2 jest skojarzony tylko z uzwojeniem o liczbie zwojów N2. Strumień główny φ g2 przy przebiegach sinusoidalnych jest skierowany prawie przeciwnie niż strumień φ g1 jest przesunięty w fazie o 180. Te dwa strumienie tworzą wspólny strumień wypadkowy φ, skojarzony z obydwoma uzwojeniami. Jeżeli impedancja Z odbiornika maleje, to prąd I2 wzrasta, strumień φ g2 wzrasta, strumień wypadkowy φ chwilowo maleje, napięcie indukowane Ui1 indukowane w uzwojeniu o liczbie zwojów N1 przeciwstawiające się płynięciu prądu I1 chwilowo maleje, prąd I1 wzrasta, strumień φ g1 wzrasta aż strumień wypadkowy ponownie wzrośnie prawie do poprzedniej wartości. Na tej podstawie można stwierdzić, że przy wzroście prądu I2 wzrasta prąd I1, a strumień główny prawie nie ulega zmianie. Jeżeli napięcie zasilające jest dołączone do uzwojenia pierwotnego o liczbie zwojów N1 mniejszej od liczby zwojów N2 uzwojenia wtórnego, to w uzwojeniu wtórnym indukuje się napięcie wyższe od napięcia zasilającego. Wówczas taki transformator jest transformatorem podwyższającym napięcie. W tym przypadku prąd płynący w uzwojeniach wtórnych ma mniejszą wartość w stosunku do napięcia i prądu w uzwojeniu pierwotnym. Jeżeli napięcie zasilające jest dołączone do uzwojenia o liczbie zwojów N1 większej od liczby zwojów N2, to wówczas mamy do czynienia z transformatorem obniżającym napięcie zwiększającym natomiast wartość płynącego w uzwojeniu wtórnym prądu w stosunku do napięcia i prądu w uzwojeniu pierwotnym. W transformatorze wyróżnia się stronę górną i dolną napięcia. Strona górna jest to uzwojenie o większej ilości zwojów. Wszystkie wielkości związane ze stroną górną są nazywane wielkościami górnymi i oznacza się indeksem g np. uzwojenie górne, napięcie górne Ug, prąd górny Ig, liczba zwojów górnej strony napięcia Zg. Strona dolna transformatora jest to uzwojenie o mniejszej liczbie zwojów. Wszystkie wielkości związane ze stroną dolną są nazywane wielkościami dolnymi i oznaczane indeksem d, np. uzwojenie dolne, napięcie dolne Ud, prąd dolny Id, liczba zwojów dolnej strony napięcia Zd. Wprowadza się również inne nazewnictwo stronę pierwotną i stronę wtórną transformatora. Strona pierwotna transformatora jest to uzwojenie, do którego jest doprowadzone napięcie zasilające, na rysunku 1 jest to uzwojenie o liczbie zwojów N1. Strona wtórna transformatora jest to uzwojenie, od którego energia jest odprowadzana do odbiornika na rysunku 1 jest to uzwojenie o liczbie zwojów N2. Wszystkie wielkości związane ze stroną pierwotną są nazywane pierwotnymi i oznaczane są indeksem 1, np. uzwojenie pierwotne, napięcie pierwotne U1, prąd pierwotny I1, liczba zwojów pierwotna N1. Wszystkie wielkości związane ze stroną wtórną są nazywane wtórnymi i oznaczane indeksem 2, np. uzwojenie wtórne, napięcie wtórne U2, prąd wtórny I2, liczba zwojów wtórna N2. Pojęcia uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne nie jest ściśle przypisane do konkretnego uzwojenia jak to jest w przypadku strony górnej czy dolnej. Zależą jedynie od tego, do którego uzwojenia jest dołączone napięcie zasilające transformator i od którego uzwojenia jest odprowadzana energia do odbiornika 1. 1 W. Latek, Maszyny elektryczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa 1994r, 16 s 3
Rysunek 2. Przykładowa tabliczka znamionowa transformatora Źródło: http://www.elhand.pl/tabliczka-znamionowa-i-kontrola-techniczna Poniższe dane muszą być zamieszczone na tabliczce znamionowej: Producent: Nazwa producenta lub inicjały. Numer seryjny: numer identyfikacyjny. Rodzaj prądu: konieczność specyfikacji w przypadku prądu stałego. Prąd znamionowy: Znamionowa wartość prądu płynącego przez zaciski danego uzwojenia przy obciążeniu znamionowym. Maksymalny prąd, jaki może płynąć przez dane uzwojenie. Częstotliwość znamionowa: Częstotliwość, do której przystosowany jest transformator (prąd przemienny). Moc znamionowa: moc pozorna wyrażona w VA, kva lub MVA dla prądu przemiennego lub w kw dla prądu stałego. Napięcie znamionowe, uzwojenie pierwotne: Wartość głównego napięcia, które należy dołączyć do uzwojenia lub będzie indukowane w uzwojeniu pierwotnym. Maksymalna wartość napięcia, dla którego możliwa jest praca transformatora w normalnych warunkach. Napięcie znamionowe, uzwojenie wtórne: Wartość napięcia, które jest indukowane na zaciskach uzwojenia wtórnego przy dołączonym lub odłączonym obciążeniu (w zależności od zastosowanej normy). Rodzaj chłodzenia: Kod wskazujący na rodzaj zastosowanego chłodzenia. Temperatura otoczenia (ta): Patrz oddzielny rozdział. Impedancja zwarciowa ez: Musi być wyspecyfikowana dla transformatorów o mocy większej lub równej 1 kva. Rezystancja zwarciowa er: Musi być wyspecyfikowana dla transformatorów o mocy większej lub równej 1 kva. 4
Masa transformatora: Musi być wyspecyfikowana dla transformatorów o masie większej niż 18 kg. Stopień ochrony transformatora: oznaczenie IP, patrz oddzielny rozdział. Klasa izolacji: Patrz oddzielny rozdział. Typ połączeń i liczba faz : Musi być wyspecyfikowana dla transformatorów 3- fazowych. Typ pracy: Ciągła lub okresowa. oraz w określonych przypadkach: Rok / data produkcji. Norma konstrukcji Cos phi: współczynnik mocy. Klasa I, II lub III. 2. Stan jałowy, obciążenia i zwarcia transformatorów Stanem jałowym transformatora nazywamy stan, w którym do zacisków uzwojenia pierwotnego doprowadzone jest przemienne napięcie zasilające zaś zaciski uzwojeń strony wtórnej są rozwarte nie jest podłączony żaden odbiornik. Zakładając, że transformator jest zasilany napięciem przemiennym, to pod wpływem tego napięcia przez uzwojenie pierwotne płynie prąd o wartości chwilowej i1 i o wartości skutecznej I1. Przepływ prądu N1i1 wywołuje strumień magnetyczny: φ 1 = φ + φ σ1 gdzie: φ strumień główny, przechodzący przez rdzeń i skojarzony z obydwoma uzwojeniami transformatora φ σ1 strumień rozproszony, przechodzący przez powietrze i skojarzony tylko z uzwojeniem pierwotnym Rysunek 3. Obraz strumieni magnetycznych w transformatorze w stanie jałowym Źródło: W. Latek, Maszyny elektryczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa 1994 r., s. 27 5
Strumień skojarzony z uzwojeniem pierwotnym wynosi: ψ 1 = N 1 φ 1 = N 1 (φ + φ σ1 ) a strumień skojarzony z uzwojeniem wtórnym: ψ 2 = N 2 φ W stanie jałowym transformatora prąd płynący w uzwojeniu pierwotnym jest bardzo mały, więc spadek napięcia na rezystancji uzwojenia R1 jest także bardzo mały. Dlatego z dostateczną dokładnością można przyjąć, że napięcie indukowane na skutek zmienności strumienia skojarzonego jest równe napięciu doprowadzonemu u1. Ponieważ w stanie jałowym strumień rozproszony φ σ1 jest mały w porównaniu ze strumieniem głównym, więc można przyjąć, że napięcie u1 jest równe napięciu indukowanemu w uzwojeniu pierwotnym przez strumień główny. Jeżeli napięcie doprowadzone u1 zmienia się kosinusoidalnie, to napięcie indukowane w uzwojeniu pierwotnym przez strumień główny φ również zmienia się kosinusoidalnie. Napięcie indukowane jest przesunięte w czasie o ćwierć okresu względem indukującego je strumienia, więc przy kosinusoidalnie zmiennym napięciu indukowanym strumień zmienia się sinusoidalnie, czyli: φ = φ m sinωt gdzie pulsacja ω jest związana z częstotliwością f następującą zależnością: ω = 2πf Napięcie indukowane jest proporcjonalne do amplitudy strumienia i do liczby zwojów. Stąd wyrażenia na wartość chwilową, amplitudę i wartość skuteczną napięcia indukowanego w uzwojeniu pierwotnym wyrażone są odpowiednio poprzez wzory: u 1 = 2πfN 1 φ m cosωt U i1m = 2πfN 1 φ m U i1 = 2π 2 fn 1φ m Wartość chwilowa, amplituda i wartość skuteczna napięcia indukowanego przez strumień główny w uzwojeniu wtórnym są określone wyrażeniami: u 2 = 2πfN 2 φ m cosωt U i2m = 2πfN 2 φ m U i2 = 2π 2 fn 2φ m W stanie jałowym przez uzwojenie pierwotne transformatora płynie prąd zwany prądem jałowym. Jest to bardzo mały prąd, jego wartość wynosi od kilku procent prądu 6
znamionowego w transformatorach małych mocy do ułamka procentu prądu znamionowego w transformatorach bardzo dużych mocy. Straty w uzwojeniu pierwotnym transformatora w stanie jałowym są pomijalnie małe z uwagi na bardzo mały prąd jałowy transformatora. Można więc przyjąć, że cała moc pobrana przez transformator w stanie jałowym P1o jest równa stratom w żelazie PFe zwanymi stratami jałowymi Po: P 1o P o = P Fe Straty w rdzeniu są proporcjonalne do kwadratu indukcji, a więc także do kwadratu napięcia indukowanego, a w przybliżeniu do kwadratu napięcia na zaciskach. Przy obciążeniu napięcie na zaciskach transformatora praktycznie nie ulega zmianie i jest równe napięciu znamionowemu. Można więc w przybliżeniu przyjąć, że napięcie indukowane i indukcja nie zależą od zmian obciążenia i mają wartości stałe, dlatego: P FeN = P 1oN co oznacza że straty znamionowe w rdzeniu są równe mocy pobranej przez transformator w stanie jałowym przy napięciu znamionowym. Stanem obciążenia transformatora nazywamy stan, w którym do zacisków uzwojenia pierwotnego doprowadzone jest przemienne napięcie zasilające zaś do zacisków uzwojeń strony wtórnej podłączony jest odbiornik z impedancji Zodb. Obciążenie symetryczne transformatora trójfazowego jest to obciążenie trzech faz transformatora odbiornikami o jednakowych impedancjach. Wówczas zjawiska zachodzące we wszystkich fazach przebiegają analogicznie, natomiast prądy, napięcia i strumienie w poszczególnych fazach są względem siebie przesunięte o kąty fazowe równe trzeciej części okresu, czyli o kąty 2π. W takim przypadku zamiast rozpatrywać zjawiska w transformatorze 3 trójfazowym można rozpatrywać zjawiska w transformatorze jednofazowym. Rysunek 4. Uproszczony schemat transformatora zastępczego obciążonego Źródło: W. Latek, Maszyny elektryczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa 1994 r., s. 44 Strumień główny φ indukuje napięcia Ui1 i Ui2. Napięcie indukowane przez strumień rozproszony pierwotny φ σ1 od prądu I1 przedstawiono na rysunku 4 jako napięcie UX1 na reaktancji rozproszenia pierwotnej X σ1 od prądu I1. Napięcie indukowane przez strumień rozproszony wtórny φ σ2 od prądu I2 przedstawiono jako napięcie UX2 na reaktancji rozproszenia wtórnej od prądu I2. Poza tym występują napięcia na rezystancji uzwojenia pierwotnego R1 oraz na rezystancji uzwojenia wtórnego. Prąd I1 płynie pod wpływem napięcia na zaciskach U1 w kierunku przeciwnym do napięcia indukowanego Ui1. Prąd I2 płynie pod wpływem napięcia indukowanego Ui2 w kierunku przeciwnym do napięcia na zaciskach wtórnych U2. Wartość prądu I2 zależy od impedancji odbiornika 7
Zodb i wzrasta ze zmniejszaniem się tej impedancji. Przepływy N2I2 i N1I1 wywołują strumienie skierowane przeciwnie do siebie. Różnicą tych strumieni jest strumień wypadkowy φ. Jeżeli Zodb maleje, to prąd I2 wzrasta, przepływ N2I2 wzrasta, strumień φ 2 wzrasta, strumień wypadkowy φ maleje, napięcie Ui1 maleje, prąd I1 wzrasta, przepływ N1I1 wzrasta, przepływ wypadkowy wzrasta i strumień wypadkowy φ wzrasta do wartości niewiele różnej od poprzedniej wartości tego strumienia. Można więc uznać, że ze wzrostem prądu I2 wzrasta prąd I1, a przepływ wypadkowy i strumień wypadkowy prawie nie ulegają zmianie. Przy zmianach obciążenia transformatora przepływ wypadkowy Θ prawie nie ulega zmianie i jest praktycznie równy przepływowi w stanie jałowym: Θ o = N 1 I o Przepływ wypadkowy jest w przybliżeniu równy różnicy przepływów pierwotnego Θ 1 = N 1 I 1 i wtórnego Θ 2 = N 2 I 2. Czyli: Θ o = Θ 1 Θ 2 N 1 I o = N 1 I 1 N 2 I 2 I 1 = I o + N 2 N 1 I 2 Stosunek N 2 N 1 nazywa się przekładnią transformatora. Stan zwarcia ustalonego transformatora jest to taki stan ustalony, w którym przy zwartych zaciskach wtórnych do zacisków pierwotnych jest doprowadzone napięcie. Taki stan można uzyskać np. przy powolnym zmniejszaniu impedancji odbiornika zasilanego z transformatora, do którego zacisków pierwotnych doprowadzone jest napięcie. Można uważać, że wtedy zjawisko ma przebieg ustalony. Można ten stan uzyskać także w ten sposób, że w transformatorze z dołączonym napięciem pierwotnym zwiera się nagle zaciski wtórne. Wtedy występuje stan nieustalony, który po pewnym czasie przechodzi w stan ustalony. W stanie zwarcia ustalonego, przy znamionowym napięciu pierwotnym prądy w transformatorze są od kilku do kilkunastu razy większe od prądów znamionowych. Stanem zwarcia normalnego transformatora nazywa się taki stan ustalony, w którym przy zwartych zaciskach wtórnych do zacisków pierwotnych jest doprowadzone napięcie o takiej wartości, przy której w uzwojeniach transformatora płyną prądy znamionowe. W stanie zwarcia napięcie na zaciskach wtórnych transformatora jest równe zeru. Wtedy całe napięcie pierwotne U1 jest równe sumie spadków napięć na impedancjach obwodu wtórnego odniesionego do obwodu pierwotnego. Napięcie indukowane Ui jest w przybliżeniu równe połowie napięcia pierwotnego. Jeżeli napięcie U1 jest równe napięciu znamionowemu, to prąd w uzwojeniach transformatora jest 10-krotnie większy od prądu znamionowego. Przy napięciu: U i U 1N 2 indukcja jest dwukrotnie mniejsza od indukcji znamionowej, straty w rdzeniu proporcjonalne do kwadratu indukcji są czterokrotnie mniejsze od strat w rdzeniu przy obciążeniu znamionowym, prąd Iow jest dwukrotnie mniejszy od prądu Iow przy obciążeniu 8
znamionowym. Przy indukcji 2-krotnie mniejszej od indukcji znamionowej, prąd magnesujący If jest wielokrotnie mniejszy od prądu magnesującego przy napięciu znamionowym. Oznacza to że cały prąd Io w gałęzi poprzecznej transformatora jest wielokrotnie mniejszy od prądu Io odpowiadającego stanowi jałowemu i ma wartość pomijalnie małą w stosunku do prądu w uzwojeniach, który jest 10-krotnie większy od prądu znamionowego transformatora. Dlatego w schemacie zstępczym transformatora w stanie zwarcia można pominąć gałąź poprzeczną. Rysunek 5. schematy zastępcze transformatora w stanie zwarcia Źródło: W. Latek, Maszyny elektryczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa 1994 r., s. 51 Można więc na schemacie zastępczym oznaczyć tylko jeden prąd: Rezystancja zwarciowa: Reaktancja zwarciowa: Impedancja zwarciowa: I = I 1 = I 2 R k = R 1 + R 2 X k = X σ1 + X σ2 Z k = R k 2 + X k 2 Rysunek 5b przedstawia uproszczony schemat zastępczy transformatora przy zwarciu, otrzymany po zastosowaniu wzorów na rezystancję zwarciową i reaktancję zwarciową 2. 3. Praca równoległa transformatorów Praca równoległa transformatorów jest to stan, w którym uzwojenia górne transformatorów są dołączone do wspólnych szyn zbiorczych górnych, a uzwojenia dolne transformatorów są dołączone do wspólnych szyn zbiorczych dolnych. 2 W. Latek, Maszyny elektryczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa 1994r, 49 s 9
Rysunek 6. Ideowy schemat połączeń dwóch transformatorów pracujących równolegle Źródło: W. Latek, Maszyny elektryczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa 1994 r., s. 69 Linia elektryczna górnego napięcia jest dołączona do szyn zbiorczych górnych 1L1, 1L2 i 1L3, a linia dolnego napięcia jest dołączona do szyn zbiorczych dolnych 2L1, 2L2 i 2L3. Do szyn zbiorczych górnych są dołączone jednakowo zaciski górne 1A, 1B, 1C transformatorów pracujących równolegle, a do szyn zbiorczych dolnych są dołączone jednakowo zaciski dolne 2A, 2B i 2C tych transformatorów. Potrzeba pracy równoległej transformatorów wynika stąd, że bardzo często moc danej stacji transformatorowej jest większa niż największa moc, na jaką można zbudować transformator. Poza tym rozdzielenie mocy stacji transformatorowej na kilka transformatorów jest uzasadnione ekonomicznie, ponieważ transformator rezerwowy dołączany w przypadku awarii jednego z transformatorów, ma moc znamionową równą mocy transformatorów pracujących, a więc mniejszą w przypadku kilku transformatorów pracujących równolegle niż w przypadku jednego transformatora o mocy równej całkowitej mocy stacji. Transformatory przeznaczone do pracy równoległej muszą spełniać takie warunki aby, były spełnione żądania stawiane poprawnej pracy równoległej transformatorów: - w stanie jałowym transformatorów w ich uzwojeniach wtórnych nie powinien płynąć prąd. Jest to żądanie oczywiste. W przeciwnym przypadku płynęłyby prądy i wydzielałyby się straty w uzwojeniach transformatorów także wtedy, kiedy przez linię odbiorczą nie płynąłby prąd, czyli gdyby ta linia nie przesyłała mocy, - w czasie zmian obciążenia transformatory pracujące równolegle powinny obciążać się proporcjonalnie do swoich mocy znamionowych, czyli wartości względne prądów i mocy poszczególnych transformatorów powinny być jednakowe. Transformatory o jednakowych mocach znamionowych powinny przy zmianie obciążenia stacji obciążać się jednakowo. Żądanie to wynika stąd, że transformatory nie mają żadnych urządzeń umożliwiających regulację rozkładu obciążeń na poszczególne transformatory pracujące równomiernie, - prądy płynące w uzwojeniach poszczególnych transformatorów pracujących równolegle powinny być ze sobą w fazie odpowiednio we wszystkich uzwojeniach transformatorów. Wówczas prąd w linii jest sumą arytmetyczną prądów poszczególnych transformatorów: 10
1 = I I + I II Gdyby prądy w poszczególnych uzwojeniach były względem siebie przesunięte w fazie, to prąd w linii byłby sumą geometryczną prądów poszczególnych transformatorów i miałby wartość mniejszą od sumy arytmetycznej. Aby przy biegu jałowym nie płynęły prądy w uzwojeniach wtórnych transformatorów, napięcia indukowane w uzwojeniach wtórnych powinny mieć równe wartości i powinny być ze sobą w fazie odpowiednio we wszystkich uzwojeniach transformatorów. Aby napięcia indukowane w uzwojeniach wtórnych miały praktycznie jednakowe wartości, przekładnie transformatorów powinny być jednakowe. Dopuszcza się odchyłkę o wartości ±0,005 wartości przekładni znamionowej. Aby napięcia indukowane w uzwojeniach wtórnych transformatorów pracujących równolegle były ze sobą w fazie, napięcia wtórne tych transformatorów powinny być przesunięte o jednakowy kąt w odniesieniu do odpowiednich napięć w uzwojeniach pierwotnych. Oznacza to, że transformatory przeznaczone do pracy równoległej powinny należeć do grup połączeń o jednakowych przesunięciach godzinowych. Aby transformatory obciążały się proporcjonalnie do swoich mocy znamionowych, ich napięcia zwarcia powinny być jednakowe. Dopuszcza się odchyłkę wartości napięcia zwarcia ±0,15 od znamionowego napięcia zwarcia. Ze wzrostem mocy znamionowej transformatorów inaczej zmienia się rezystancja zwarciowa Rk, a inaczej reaktancja zwarciowa Xk. Stąd jest warunek, że moce znamionowe transformatorów przeznaczonych do pracy równoległej nie powinny być bardzo różne. Przyjmuje się, że stosunek mocy znamionowych tych transformatorów nie powinien przekraczać wartości 3:1. Na tej podstawie formułuje się 4 warunki poprawnej pracy równoległej transformatorów: a. transformatory powinny mieć jednakowe napięcia pierwotne i wtórne, czyli przekładnie muszą być sobie równe, dopuszcza się tu odchyłkę rzędu ±0,005, b. transformatory powinny mieć zbliżone wartości napięcia zwarcia, dopuszcza się odchyłkę ±0,15, c. transformatory powinny mieć jednakową grupę połączeń, d. transformatory powinny mieć zbliżone wartości mocy znamionowych, stosunek mocy jednostki największej do najmniejszej nie powinien przekraczać 3:1. Ostatni warunek często się opuszcza, ponieważ stosunek mocy znamionowych transformatorów pracujących równolegle i tak nigdy nie przekracza 3:1. Niespełnienie warunku a powoduje stały przepływ prądu wyrównawczego, ograniczanego jedynie rezystancją wewnętrzną transformatorów i nakładającego się na prąd obciążenia. Transformatory wówczas pozostają obciążone nawet przy obciążonych odbiorach. Równość napięć zwarcia zapewnia rozkład obciążenia transformatorów proporcjonalny do ich mocy znamionowych. Transformator o mniejszym napięciu zwarcia jest obciążony procentowo większą mocą. Wymaganie tej samej grupy połączeń współpracujących ze sobą transformatorów czyli warunek c wynika z konieczności uzyskania takiego samego przesunięcia wektorów napięć wtórnych w stosunku do napięć pierwotnych. W niektórych przypadkach istnieje możliwość pracy równoległej transformatorów o różnej grupie połączeń warunkiem muszą być odpowiednie przesunięcia godzinowe takie jak: 5 i 11h, 1 i 11h, 1 i 5h. 11
4. Nagrzewanie się i chłodzenie transformatorów Straty w uzwojeniu i straty w rdzeniu występujące podczas pracy, powodują nagrzewanie się transformatorów. Chłodzenie transformatorów jest stosunkowo trudne, gdyż nie posiada on części wirujących, powodujących wzmożony ruch medium chłodzącego. Najczęściej spotykane są transformatory olejowe, umieszczone w kadzi gdzie oddawanie ciepła odbywa się przez ściany zewnętrzna kadzi. Rysunek 7. Transformator olejowy Źródło: http://www.nowetransformatory.pl/to/desc.php Rysunek 7b. Przekrój transformatora olejowego średniego napięcia Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/plik:drehstromtransformater_im_schnitt_hochspannung.jpg 12
Im większą temperaturę pracy transformatora się dopuści, tym uzyska się z niego większą moc, jednak należy pamiętać, że temperatura transformatora podczas pracy pełni kluczową rolę w procesie eksploatacji i ma ogromny wpływ na jego żywotność. Dla izolacji obowiązuje tzw. prawo ośmiu stopni. Wynika z niego, że podwyższenie temperatury pracy uzwojeń o każde 8 stopni Celsjusza powoduje dwukrotne skrócenie okresu życia izolacji. Ciepło z kadzi transformatora do powietrza przekazywane jest przez przewodnictwo, promieniowanie i konwekcję. Natomiast od rdzenia i uzwojeń do oleju ciepło oddawane jest prawie tylko przez konwekcję. Współczynnik konwekcji do oleju jest około 10 razy większy niż do powietrza, co uzasadnia konieczność stosowania oleju. Przyrost temperatury poszczególnych części zmienia się według zależności: Θ = Θ ust (1 e t T) Stała czasowa T jest różna dla różnych części transformatora. Dla oleju albo dla całego transformatora stała czasowa wynosi: T ol = 2 4h dla rdzenia: dla uzwojenia: T Fe = 1 2h T uzw = 4 8min Jeżeli więc przeciążenia transformatora są krótkotrwałe to można uważać, że przez czas ich trwania nagrzewa się tylko uzwojenie, a temperatura oleju pomimo przejmowania ciepła od uzwojenia nie zmienia się. Ciepło wydzielające się w rdzeniu rozchodzi się bardzo łatwo wzdłuż pakietów blach, natomiast bardzo trudno w poprzek pakietu, na skutek izolacji między-blachowej. Odprowadzanie ciepła od uzwojeń do oleju jest zależne od konstrukcji cewek uzwojenia i od umiejscowienia kanałów do opływu chłodzącego oleju. Stosunek średniego przyrostu temperatury oleju ponad temperaturę powietrza do maksymalnego przyrostu temperatury oleju przy chłodzeniu naturalnym wynosi zwykle: Θ ol śr Θ ol max = 0,8 Obciążenie transformatora jest zmienne. W chwilach dużych obciążeń przyrosty temperatury uzwojeń są większe, a zatem starzenie się izolacji jest szybsze, przy małych obciążeniach izolacja starzeje się wolniej. Jeżeli więc przez pewien czas transformator jest niedociążony, to potem może on znosić przeciążenie. Dopuszczalne przyrosty temperatury transformatorów olejowych wynoszą: - dla uzwojeń przy obiegu naturalnym lub niekierowanym: 65 C, - dla uzwojeń przy obiegu wymuszonym kierowanym: 70 C, - dla oleju w górnej warstwie dla kadzi z konserwatorem lub hermetyzowanej: 60 C, - dla oleju w górnej warstwie dla kadzi niehermetyzowanej i bez konserwatora: 55 C, 13
- dla rdzenia, ekranów i części konstrukcyjnych temperatura nie powinna przekraczać wartości, przy której mogłoby nastąpić uszkodzenie rdzenia lub innych części. Intensywność chłodzenia transformatora należy zwiększać przy wzroście mocy znamionowej po to, aby utrzymać dopuszczalne przyrosty temperatury. W małych jednostkach rozdzielczych wystarczy kadź gładka, w większych daje się kadź falistą z coraz głębszymi falami. W dużych transformatorach stosuje się: - radiatory, - sztuczny podmuch, - wymuszony obieg oleju, - chłodzenie wodne, - ażurową budowę uzwojeń. Rysunek 8. Radiator Źródło: http://www.micros.com.pl/503,503.html Największe jednostki transformatorowe posiadają wymuszony kierowany obieg oleju w uzwojeniach oraz osobne baterie radiatorów z wentylatorami lub chłodnice olejowo-powietrzne lub olejowo-wodne. Sposób chłodzenia transformatorów energetycznych oznacza się za pomocą symbolu składającego się z czterech liter, a w przypadku transformatorów suchych bez obudowy lub z obudową przewietrzaną z dwóch liter. Pierwsza litera oznacza czynnik chłodzący uzwojenia, druga sposób wprawiania w ruch czynnika chłodzącego uzwojenia, trzecia zewnętrzny czynniki chłodzący, czwarta sposób wprawiania w ruch zewnętrznego czynnika chłodzącego. Jeżeli transformator jest przewidziany do kilku sposobów chłodzenia, to ich oznaczenia oddziela się ukośną kreską. Przykłady oznaczenia sposobu chłodzenia: - transformator olejowy z chłodzeniem powietrznym naturalnym i alternatywnie z chłodzeniem powietrznym wymuszonym ONAN/ONAF, - transformator olejowy z wymuszonym obiegiem oleju i wymuszonym chłodzeniem wodnym OFWF, - transformator suchy z obudową nieprzewietrzalną i z naturalnym chłodzeniem powietrznym wewnątrz i zewnątrz obudowy: ANAN, 14
- transformator suchy bez obudowy lub z obudową przewietrzaną i z naturalnym chłodzeniem powietrza. Oznaczenia literowe rodzaju czynnika chłodzącego i sposobu wprawienia go w ruch: - rodzaj czynnika chłodzącego: o A chłodzenie powietrzne o G chłodzenie gazem innym niż powietrzne o O chłodzenie olejem mineralnym lub cieczą syntetyczną palną o L chłodzenie olejem syntetycznym niepalnym o W chłodzenie wodą - sposób wprawiania w ruch czynnika chłodzącego: o N chłodzenie naturalne o F chłodzenie wymuszone przez sztuczne wprawienie w ruch czynnika chłodzącego o Chłodzenie wymuszone kierowane, gdy określona część strumienia oleju w obiegu wymuszonym jest kierowana do uzwojeń 3. Bibliografia: 1. Maszyny elektryczne, E. Goźlińska, WSIP, 2013r. 2. Aparaty i urządzenia elektryczne, W. Kotlarski, J. Grad, WSIP, 2012r. 3. Maszyny elektryczne w pytaniach i odpowiedziach, W. Latek, WNT, 1994r. 4. Maszyny i napęd elektryczny, Praca zbiorowa, WSiP, 1978r. 5. Poradnik inżyniera elektryka, Praca zbiorowa, WNT, 1995r. 6. Zarys maszyn elektrycznych, W. Latek, WNT, 1978r. 3 Praca zbiorowa, Poradnik inżyniera elektryka, Tom 2, WNT, Warszawa 1995 r., 191 s. 15
16