FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA ELEKTROMEHANIČKE I ELEKTRIČNE PRETVORBE ENERGIJE TRANSFORMATORI TR.3 - Zakoni sličnosti, zagrijavanje i hlađenje, vijek trajanja, tipska snaga, autotransformator, prenaponi, natpisna pločica Izv. prof. dr. sc. Damir Žarko ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Ak. god. 2016/2017
Sadržaj 3. predavanja iz transformatora Zakoni sličnosti Zagrijavanje i hlađenje Vijek trajanja transformatora Autotransformator i regulacija napona Prenaponi Natpisna pločica
ZAKONI SLIČNOSTI Slično građeni transformatori: građeni od istih materijala, ista specifična magnetska i električna opterećenja B, T i J, A/mm 2 geometrijski slično građeni. Ako je X omjer linearnih izmjera tada vrijedi: Površina Masa Obujam
Snaga i korisnost sličnih transformatora Osnovni gubici se mijenjaju kao i masa (jednaki specifični gubici po kg Fe i Cu ili Al): P g 3 X P g Snaga: Povećanjem linearnih dimenzija snaga se povećava brže od gubitaka Korisnost: 1 S U I 2 4,44 2 f w I f B Ajw J An 4 S X S ScosP X S cosx P P 4 3 n g n g g 1 4 S n cos X Sn cos XSn cos 1 1 X Korisnost većeg transformatora je veća
Napon kratkog spoja Induktivna komponenta napona kratkog spoja (kao rasipni induktivitet): u ' Xu % % Djelatna komponenta napona kratkog spoja (kao djelatni otpor): U naponu kratkog spoja dominira induktivna komponenta pada napona (pogotovo kod velikih transformatora), pa slijedi da je napon kratkog spoja u k% veći kod većih transformatora. u ' r% u r% X
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).
Jednadžba toplinskog stanja homogenog tijela Za homogeno tijelo mase m, specifičnog toplinskog kapaciteta c i površine A vrijedi Toplinski tok: t, W tdt mcd Aa dt Koeficijent prijelaza topline: a, W/(m 2 K) Toplinski kapacitet tijela: mc, J/K Toplinska vodljivost tijela: Aa, W/K Maksimalno zagrijanje (nadtemperatura) tijela pri konstantnom dovodu topline (gubitaka): t m Aa
Zagrijavanje i hlađenje homogenog tijela (1) Ako su t, c i a konstante tada je rješenje jednadžbe toplinskog stanja kod zagrijavanja: ( ) 1 0 max 0 e t i hlađenja: 1 t e Toplinska vremenska konstanta: mc Aa
Toplinski tok (gubitci) Temperatura Zagrijavanje i hlađenje homogenog tijela (2) q temperatura Q τ = o + ( m o )(1 e -t/τ ) q m, (Δq zagrijanje, nadtemperatura mc Aa q 0 0 m 1 q = 1 e -t/τ q ok 0 τ τ t 1 t 1 0 t 1 Vrijeme t
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: T n - iznos u minutama ulja: T u - iznos u satima Vremenska konstanta zagrijavanja transformatora jednaka je vremenskoj konstanti ulja. Specifični toplinski kapacitet c (J/kg K) Bakar 390 Papir u ulju 1200 Aluminij 920 Tvrdi papir u ulju 2000 Magnetski lim 485 Trafo ulje 1800-1900 Voda 4190 Bukovina 2000
Zagrijavanje u transformatoru po vertikali Namot Najviša temperatura je na vrhu namota
Raspodjela zagrijavanja u transformatoru A temp. ulja na vrhu B temp. ulja na vrhu namota C srednja temp. ulja u kotlu D temp. ulja na dnu namota E dno kotla g r porast temp. između srednje temp. namota i srednje temp. ulja pri I n H koeficijent hot-spota P najtoplija točka (hot-spot) Q srednja temp. namota određena iz mjerenja otpora Pozicija po visini B mjerena točka računska točka Temperatura
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 Način hlađenja: N prirodno, F prisilno, D dirigirano.
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.
Prisilno hlađenje transformatora pumpa hladnjak ventilator 1 jezgra 2 pumpa 3 VN namot 4 SN namot 5 NN namot strelice označavaju smjer strujanja ulja
Vodeni hladnjaci Na veće transformatore ponekad se ugrađuju hladnjaci koji rashlađuju ulje odvodom topline vodom umjesto zrakom. Manjih su dimenzija, ali zahtijevaju rashladnu vodu.
Dopušteno zagrijavanje transformatora prema IEC normi
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 da je kriterij kraja vijeka trajanja smanjenje vlačne čvrstoće za 50%. Vijek trajanja izolacije: Z Z 0 2 0
Vijek trajanja (životna dob) Z 0 - normalni vijek trajanja q 0 - normalna temperatura Δ - konstanta materijala q - temperatura kojoj je izolacija izložena qq0 Z Z 0 2 Konstanta materijala za izolaciju uljnih transformatora iznosi Δ = 6 C, a normalna temperatura q 0 = 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
Trošenje vijeka trajanja Trošenje vijeka trajanja papirno-uljne izolacije ( Δ = 6 C ) Istrošenost izolacije: I % Z 2 qq 1 Z 0 0 / 100 n i1 i% t i 700 600 500 400 300 200 100 0 ν % 50 θ ( C) 86 92 80 90 2 q q 0 / 98 104 100 110 120
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 SN 1 200 Ako postoji treći namot nazivne snage S 3 tipska snaga je: S T a b S SN 1 200 2S % % 3 N
AUTOTRANSFORMATOR Transformator u štednom spoju Autotransformator je transformator u kojem su barem dva namota kruto spojena u zajednički namot. Višenaponska strana namota sastoji se od serijskog i zajedničkog (paralelnog) namota. Niženaponska strana se sastoji samo od zajedničkog namota. U autotransformatoru samo se dio snage transformira induktivnim putem, dok se preostali dio prenosi direktno s primara na sekundar preko galvanske veze namota. U 1a I 1a I 2a -I 1a I 2a U 2a
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.
Shema autotransformatora 1U 2U k a = U 1a / U 2a = (w 1 +w 2 ) / w 2 I 1 I 2 U 1 w 1 w 2 Z 2 U 2 I 1a 1N 2N 1U 2U U 1a I 2a I 1 I 1 +I 2 w 1 w 2 Z 2 U 2 I 2a -I 1a U 2a I 2 N
Snaga autotransformatora S U I ( U U ) I a 1a 1a 1 2 1 U1 U 2 U 2 Sa U1I1 U1I1 1 U1 U1 U 1a Sa ST U 1a U 2a I 1a = I 1 U 1a U 1 U 2 I 2a = I 1 +I 2 U 2a Tipska snaga: ST S na S q T S S S T a a 1 U U Faktor redukcije: 2a 1a 1 U U 2a 1a 1 0,5 0 0,5 1 U2a U 1a
Napon kratkog spoja autotransformatora Napon kratkog spoja s VN strane u postotnom iznosu je manji jer je primarni napon veći (umjesto U 1 bazni je napon U 1a = U 1 +U 2 ): ZS 1a k T Z U k 1a U U 2a 1a U 2a ka% 100 2 a 100 2 k% Ua U U 1a 2 1a Un U1a U2a u S u S u u q u T ka% k% k% Sa U Zbog manjih struja kratkog spoja u mreži često je zahtjev kupaca da u ka bude većeg iznosa (čak i do 40%), pa se autotransformator mora raditi s posebnom konstrukcijom namota koje karakteriziraju povećani dodatni gubici.
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.
Regulacija napona autotransformatora (napon VN strane čvrst)
Regulacija napona autotransformatora (napon VN strane promjenljiv)
Prenaponi kojima je izložen transformator 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. Atmosferski atmosfersko izbijanje prilikom udara groma u dalekovod ili bliskih munja. 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
Najviši napon opreme U m (kv) 3,6 7,2 12 24 36 Podnosivi napon industr. frekv. AC (kv) 10 20 28 50 70 Podnosivi udarni napon LI (kv) 40 60 75 125 170 123 185 230 245 360 395 420 570 630 450 550 850 950 1300 1425
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
Nazivni podaci specijalnog tronamotnog transformatora Nazivna snaga S n (kva) Najviši napon opreme U m (kv) U ISP_udarni U ISP_fn u k Uključenje rashladnih ventilatora hladnjaka kad je snaga veća od 31,5 MVA