CURS 4

Partea Electric a Centralelor

CURS 33. Auto(transformatoare) n electroenergetic3.1 Consideraii generale

Transformatorul este un echipament electric destinat s transforme doi dintre parametrii energiei electrice (tensiunea i curentul), frecvena rmnnd aceeai. Funcionarea sa se bazeaz pe principiul induciei electromagnetice.

Transformatorul la care pe fiecare faz, dou sau mai multe nfurri au o legtur galvanic, n aa fel nct exist o nfurare comun, se numete autotransformator.

ntre cele dou echipamente exist foarte multe asemnri i puine deosebiri. Ca urmare, n cele ce urmeaz, toate referirile la transformator vor presupune i referiri la autotransformator, dac nu se fac precizri corespunztoare.Transformatorul utilizat pentru tranzitul energiei n cadrul sistemului electroenergetic se numete transformator de putere sau de for. Conform standardelor romneti sunt considerate transformatoare de putere, cele trifazate cu puteri egale sau mai mari de 6,3 kVA i cele monofazate cu puteri egale sau mai mari de 1 kVA.

n funcie de numrul fazelor, transformatoarele sunt monofazate sau polifazate. Dintre transformatoarele polifazate cele mai utilizate sunt cele trifazate.n funcie de numrul nfurrilor aflate n cuplaj pe fiecare faz, transformatoarele pot fi cu:

dou nfurri;

trei sau mai multe nfurri.nfurrile unei faze pot fi denumite n mai multe moduri. Astfel, dup tensiunea la borne exist uzana de a se numi nfurarea cu tensiunea cea mai mare drept nfurare de nalt tensiune, nfurarea de tensiune mic - nfurarea de joas tensiune i dac exist o a treia nfurare de tensiune intermediar - nfurare de tensiune medie. Astfel de denumiri pot ns crea confuzie cu denumirile reelelor dup tensiune. De exemplu, la un transformator de 20/6 kV exist riscul de a denumi nfurarea de 6 kV drept nfurarea de medie tensiune, dei transformatorul leag dou reele de nalt tensiune (conform noilor standarde n vigoare). Pentru a evita astfel de confuzii, n cele ce urmeaz, prin convenie, se vor denumi nfurrile drept nfurare de tensiune superioar, nfurare de tensiune inferioar i, respectiv, de tensiune mijlocie, dac este cazul. nfurrile unui transformator mai pot fi denumite i n funcie de sensul tranzitului de energie drept nfurare primar sau primar (prin care se absoarbe energie), nfurare secundar sau secundar, iar dac exist o a treia nfurare aceasta se va numi nfurare teriar sau teriar.

3.2 Mrimi caracteristice transformatoarelor

Un transformator este caracterizat de o serie de mrimi cu ajutorul crora pot fi determinate schemele echivalente, regimurile de funcionare etc. n continuare, sunt prezentate principalele mrimi caracteristice i notaiile lor uzuale.

Tensiunile nominale ale nfurrilor: U1n, U2n, U3n etc. Prezentate sub forma U1n/U2n sau U1n/U2n/U3n aceste tensiuni reprezint raportul de transformare. Curenii nominali ai fiecrei nfurri: I1n, I2n, I3n etc.

Puterea nominal a transformatorului (cnd toate nfurrile au aceeai putere) sau puterile nominale ale nfurrilor (cnd nu toate nfurrile au aceeai putere): Sn sau S1n/S2n/S3n.

Tensiunea de scurtcircuit (cnd transformatorul are dou nfurri) sau tensiunile de scurtcircuit cnd transformatorul are trei sau mai multe nfurri: usc exprimat n procente.

Curentul absorbit la mersul n gol: io, exprimat n procente.

Puterile active absorbite la proba de mers n gol, respectiv la proba de mers n scurtcircuit: Po, respectiv Psc; atunci cnd transformatorul are trei sau mai multe nfurri se precizeaz trei sau mai multe valori ale lui Psc.

Grupa de conexiuni a transformatorului care indic modul de conectare al fiecrei nfurri precum i defazajul dintre tensiuni.

3.3 Conexiunile nfurrilor transformatoarelor3.3.1 Marcarea bornelorO nfurare a unui transformator are dou borne. n ara noastr exist urmtoarea convenie de marcare a bornelor pentru transformatoarele trifazate:

pentru nfurrile cu tensiunea cea mai mare se noteaz cu A, B, C bornele de nceput ale nfurrilor i cu X, Y, Z bornele de sfrit;

pentru nfurrile cu tensiunea cea mai mic se noteaz cu a,b,c, bornele de nceput ale nfurrilor i cu x, y, z bornele de sfrit;

dac exist i nfurri cu tensiune intermediar, mijlocie, notaiile vor fi Am, Bm, Cm respectiv Xm, Ym, Zm.

Punctul neutru se va nota asemntor cu N, n sau Nm.

n figura 3.1 sunt prezentate modul de amplasare al bornele nfurrilor pe capacul unui transformator.

Fig.3.1. Moduri de amplasare i notare a bornelor la transformatoare:

a - monofazate; b - trifazate cu dou nfurri; c - trifazate cu trei nfurri

3.3.2 Conectarea nfurrilor transformatoarelor trifazate Conexiunea stea, simbolizat prin litera Y sau y, se obine prin legarea mpreun a capetelor de nceput sau sfrit ale celor trei nfurri de aceeai tensiune, formndu-se astfel punctul neutru sau neutrul conexiunii.n figura 3.2 este prezentat aceast conexiune mpreun cu diagrama fazorial a tensiunilor.

Conexiunea stea are cteva particulariti:

Astfel, tensiunea pe fiecare nfurare este tensiunea de faz, respectiv o tensiune mai mic dect n alte cazuri.

n regim echilibrat de funcionare potenialul punctului neutru este teoretic zero. Acest lucru face ca tensiunea aplicat izolaiei unei nfurri s fie mult sczut spre captul dinspre neutru al nfurrii. Constructiv, acest lucru se traduce n posibilitatea reducerii izolaiei nfurrii spre punctul neutru, deci reducerea costului transformatorului.

Existena punctului neutru, deci posibilitatea de a utiliza acest punct neutru n diverse scopuri.

Fig.3.2.Conexiunea stea a nfurrilor unui transformator trifazat

Conexiunea triunghi, simbolizat prin litera D sau d, se obine legnd borna de nceput a unei nfurri cu borna de sfrit a nfurrii de pe alt faz i continund la fel cu celelalte nfurri. n figura 3.3 este prezentat aceast conexiune i diagrama ei fazorial.

Fig. 3.3.Conexiunea triunghi a nfurrilor unui transformator trifazat

Particularitile acestui mod de conexiune sunt:

tensiunea aplicat unei nfurri este tensiunea ntre faze, deci o tensiune mai mare dect n cazul precedent;

izolaia unei nfurri este solicitat la fel n tot lungul ei;

curenii prin fiecare nfurare sunt de ori mai mici dect curenii de linie, care intr sau ies prin bornele nfurrii;

componentele homopolare de curent se nchid pe conturul triunghiului i prin urmare nu trec dincolo de borne; se spune c triunghiul constituie un unt pentru componentele homopolare de curent;

acelai fenomen se ntmpl cu armonica 3 a curentului.

Conexiunea zig-zag este simbolizat prin litera Z sau z. Pentru a putea obine o astfel de conexiune, fiecare nfurare se realizeaz din dou pri i se leag ca n figura 3.4.

Fig.3.4. Conexiunea zig-zag a nfurrilor unui transformator

Conexiunea zig-zag are urmtoarele particulariti:

are punct neutru, lucru important n anumite reele;

la fel ca i conexiunea triunghi, zig-zag-ul constituie un unt pentru componentele homopolare de curent sau pentru armonica de ordinul 3 a curenilor, dac cele dou pri ale nfurrilor sunt identice;

prin faptul c tensiunea ntre bornele a i x ale unei nfurri este rezultatul unei sume vectoriale a dou tensiuni de pe faze diferite, nfurarea zig-zag ajut la echilibrarea tensiunilor pe faze, atunci cnd tensiunile aplicate celeilalte nfurri sunt dezechilibrate.

Conexiunea nfurri deschise simbolizat I I I este de fapt o lips de conexiune a nfurrilor, adic cele trei nfurri nu sunt conectate ntre ele.3.3.3 Grupa de conexiuni a transformatoarelorEste un ansamblu de notaii prin care se precizeaz modul de conexiune al nfurrilor, precum i unghiul de defazaj dintre tensiunile de acelai nume ale acestora. Grupa de conexiuni este simbolizat printr-un grup de litere, care arat conexiunea fiecrei nfurri urmat de un numr ntreg cuprins ntre 0 i 11, care este raportul dintre unghiul de defazaj i un unghi de 300. Spre exemplu, transformatorul care are grupa de conexiuni Yd 11:

prima nfurare are conexiunea stea,

nfurarea de tensiune inferioar are conexiunea triunghi,

defazajul dintre tensiunea de acelai nume superioar i cea inferioar este de 3300. Trebuie avut n vedere c defazajul se stabilete parcurgnd n sensul acelor de ceasornic unghiul dintre tensiunea primar i cea secundar.

Grupele de conexiuni pare (0, 2, 4, 6, 8, 10) se pot obine prin combinaii de tipul Yy, Dd sau Dz, iar grupele de conexiuni impare (1, 3, 5, 7, 9, 11) prin combinaii de tipul Yd, Dy, Yz.

Tabelul 3.1.Grupele de conexiuni ale transformatoarelor

Cunoaterea grupei de conexiuni este important la alegerea transformatoarelor. Astfel, dou transformatoare nu pot funciona n paralel dect dac au aceeai grup de conexiuni.

De asemenea, n cazurile n care trebuie puse n paralel ci de alimentare a unei staii, ci care pot forma o bucl n reea, atunci suma defazajelor pe conturul buclei trebuie s fie zero. Un exemplu este prezentat n figura 3.5, referitor la cile de alimentare ale serviciilor proprii de 6kV ale unei centrale cu grupuri mari. Se observ c se poate forma o bucl ntre cile de alimentare normal i de rezerv ale serviciilor proprii.

Fig. 3.5. Alimentarea unei staii de servicii proprii pentru un grup de mare putere

Transformatorul de bloc va avea tensiunea inferioar defazat cu 330o fa de tensiunea superioar. Parcurgnd n continuare bucla, se constat c transformatorul de rezerv va avea tensiunea inferioar defazat cu 330o, dar n sensul invers al parcurgerii buclei, deci suma defazajelor celor dou transformatoare pe bucl va fi zero. Ca urmare, transformatorul de servicii proprii de bloc trebuie s aib o grup de conexiuni 0 (n figur Dd 0). Dac nu se respect condiia ca suma defazajelor s fie nul sau 3600, nu se pot pune n paralel cele dou ci de alimentare a serviciilor proprii.

3.4 Raportul de transformare

Se definete ca raportul tensiunilor de acelai nume msurate la mersul n gol al transformatorului. La transformatoarele trifazate, raportul de transformare poate fi diferit de raportul numrului de spire pe fiecare faz al nfurrilor n funcie de conexiunile nfurrilor. Astfel, conexiunile de tip Yy i Dd au raportul tensiunilor egal cu raportul numrului de spire:

(3.1.).

n cazul conexiunilor Yd i Zd exist relaia:

(3.2.),

iar n cazul conexiunilor Dy i Dz:

(3.3.).

Dac conexiunea zig-zag nu are numr egal de spire pe cele dou pri ale nfurrii atunci:

(3.4.),

unde C poate lua diverse valori.

Dei transformatorul este un echipament reversibil n exploatare (n sensul c poate fi parcurs n ambele sensuri de energie), ntre dou reele cu aceleai tensiuni nominale, un transformator ridictor va avea prin construcie un raport de transformare diferit de un transformator cobortor.

Se consider ca exemplu transformatoarele care leag o reea de 110 kV i o reea de 6 kV. n cazul unei staii de 6 kV de central, prin transformatorul de legtur cu staia de 110 kV energia va circula de la 6 kV la 110 kV i transformatorul ridictor va avea raportul de transformare k=6/121 kV. Dac staia de 6 kV este una de distribuie alimentat printr-un transformator de la staia de 110 kV (energia va circula de la 110 kV spre 6 kV), atunci transformatorul cobortor va avea raportul de transformare k=110/6,6 kV.

Prin urmare, n astfel de cazuri se ine seama de posibilele pierderi de tensiune prin reele i, deci, tensiunea trebuie s fie mai mare spre zona prin care energia intr ntr-o reea de distribuie, respectiv prin staia alimentat de transformatoare.

O parte dintre transformatoare permit modificarea raportului de transformare n scopul reglrii tensiunii la bornele transformatoarelor, pentru a asigura astfel consumatorilor o alimentare cu tensiune ct mai constant.

Marea majoritate a transformatoarelor la care se poate modifica raportul de transformare sunt prevzute cu prize de reglaj pe nfurarea de tensiune superioar. Prizele se prevd, de preferin, la mijlocul nfurrii (figura 3.6,a) sau la captul nfurrii (figura 3.6,b). n cazul altor transformatoare, mai ales n cazul autotransformatoarelor de mare putere, se pot prevedea (auto)transformatoare speciale de reglaj, amplasate, de regul, n paralel cu unitile principale.

a

b

Fig.3.6. nfurri cu prize pentru reglajul tensiunii

a - prize de reglaj la captul nfurrii; b - prize de reglaj la mijlocul nfurriiPentru o parte dintre transformatoare (n special transformatoarele din posturi) reglajul tensiunii (trecerea de pe o priz pe alta) nu se poate face dect n absena tensiunii, prin intermediul unor comutatoare cilindrice sau liniare, acionate manual sau cu motor electric. De regul, aceste transformatoare au trei sau cinci prize: 0 i 5%, respectiv 0 i 2x2,5%.

Pentru transformatoarele de tensiuni nalte i puteri mari, reglajul tensiunii se poate face sub tensiune, n sarcin. Astfel de transformatoare sunt prevzute cu un numr mai mare de prize. De exemplu, exist la transformatoarele cu tensiunea superioar de 110 kV un numr de 19 prize (0 i 9x1,78%) sau la transformatoare cu tensiunea superioar de 220 kV un numr de 27 prize (0 i 13x1,25%). La aceast categorie de transformatoare, reglajul tensiunii, respectiv comutarea de pe o priz pe alta, se face prin intermediul unor comutatoare speciale, care constituie un punct slab al transformatorului, deoarece se defecteaz des. Aceste comutatoare trebuie s asigure trecerea de pe o priz pe alta fr ntreruperea sarcinii i fr scurtcircuitarea nfurrilor.

3.5 Autotransformatorul (AT)

Autotransformatorul, spre deosebire de transformator, are cele dou nfurri legate att magnetic ct i galvanic. n figura 3.7 sunt prezentate alturat, pentru comparaie, un transformator i un autotransformator.

a

b

Fig.3.7. Comparaie ntre transformator (a) i autotransformator (b)

Att n cazul transformatorului ct i al autotransformatorului raportul de transformare se poate nota cu k = N1/N2 = U1/U2 I2/I1. Cu erorile de rigoare, pentru autotransformator, se poate scrie:

I2 I1 + Ic

(3.5.),

unde prin Ic s-a notat curentul prin nfurarea comun a autotransformatorului. Multiplicnd cu U2 ambii termeni se obine:

U2 I2 U2I1 + U2 Ic

(3.6.).Analiznd termenii relaiei de mai sus se poate arta c, dac se consider (cu neglijarea pierderilor) U2 I2 = S2 puterea total tranzitat prin autotransformator de la nfurarea 1 spre nfurarea 2, atunci termenul U2 I1 va reprezenta puterea tranzitat prin legtura galvanic, iar termenul U2 Ic va reprezenta puterea tranzitat prin miezul magnetic. Rezult c din toat puterea tranzitat printr-un autotransformator, pe cale magnetic se va tranzita numai o parte (notat cu kmag):

kmag = U2 Ic/U2 I2 = Ic/I2 = (I2-I1)/I2 = 1 - I1/I2 = 1- U2/U1 = 1- 1/k

(3.7.).

Comparativ cu transformatorul, autotransformatorul are cteva avantaje:

deoarece prin miezul magnetic se tranziteaz numai o parte din puterea total, att masa de fier, ct i pierderile n fier vor fi mai mici (raportul dintre masa de fier a autotransformatorului i cea a unui transformator de aceeai putere este de ordinul kmag).

Masa de metal conductor i pierderile n bobinaje sunt mai mici n cazul autotransformatorului, raportul de reducere fiind tot de ordinul kmag. De exemplu, dac se compar nfurrile N2, la autotransformator, aceast nfurare este parcurs de curentul Ic, mai mic dect I2; deci poate avea o seciune mai mic i, de asemenea, pierderile mai mici.Concluzia este c, la aceeai putere nominal, autotransformatorul are (comparativ cu un transformator) att masele de metal activ, ct i pierderile de putere electric mai mici, raportul dintre acestea fiind de ordinul kmag. Deci un autotransformator va fi cu att mai avantajos cu ct kmag este mai mic, adic cu ct tensiunile U1 i U2 sunt mai apropiate, respectiv cu ct raportul de transformare este mai apropiat de 1. Mai exist i un alt motiv pentru care este bine ca cele dou tensiuni s nu fie prea deprtate ca valoare: n cazul ntreruperii accidentale a nfurrii comune, tensiunea la bornele nfurrii 2 devine egal cu U1.

Autotransformatorul are i tensiunea de scurtcircuit mai mic dect cea a unui transformator, ceea ce face ca n caz de scurtcircuit autotransformatorul s nu prezinte o reactan prea mare. Un scurtcircuit la bornele autotransformatorului va conduce deci la cureni de scurtcircuit mari. Este unul dintre motivele pentru care, n sistemul nostru electroenergetic, n staiile de 400/110kV se folosesc transformatoare i nu autotransformatoare.

Principala restricie n utilizarea autotransformatoarelor este legat de modul n care este tratat punctul neutru al reelelor ntre care se instaleaz autotransformatoare.

n primul rnd, ntruct autotransformatorul (care are ntotdeauna conexiunea stea) are un singur punct neutru, comun ambelor nfurri, cele dou reele legate trebuie s aib acelai mod de tratare a punctului neutru.

n al doilea rnd, autotransformatorul nu poate fi folosit ntre reele cu neutrul izolat sau tratat prin bobin de stingere, deoarece n cazul unei puneri monofazate la pmnt n reeaua de tensiune mai mare (faza A, de exemplu), prin deplasarea potenialului punctului neutru comun, creterea tensiunii aplicate izolaiei fazelor sntoase n reeaua de tensiune mai mic ar fi foarte mare (figura 3.8). Prin P s-a notat potenialul pmntului. n regim normal de funcionare, punctul neutru comun va avea acest potenial i, ca urmare, n fiecare dintre cele dou reele, tensiunile aplicate izolaiei fazelor vor fi egale cu tensiunile de faz ale fiecrei reele : UPb = Unb= Ub, respectiv UPB = UNB = UB .

a

b

Fig.3.8. Efectele folosirii autotransformatorului ntre reele cu neutrul izolat

a - regim normal; b - punere monofazat la pmnt a fazei A

Se observ din figura 3.8,b c la punerea monofazat la pmnt a fazei A din reeaua cu tensiunea mai mare, tensiunea dintre faza b, de exemplu, i pmnt devine mult mai mare dect obinuitul 1,73 Ub.

n consecin, autotransformatorul nu se folosete dect ntre reele care funcioneaz cu neutrul legat efectiv la pmnt. Mai mult, ntotdeauna punctul neutru comun al autotransformatorului se va lega efectiv la pmnt.

n afara celor dou nfurri legate att magnetic ct i galvanic, autotransformatorul mai poate avea i o a treia nfurare, cuplat numai magnetic cu celelalte dou (figura 3.9). ntruct schimbul de energie cu aceast nfurare teriar se face doar prin miezul magnetic, dimensionat pentru o putere mai mic dect puterea nominal a autotransformatorului (kmag SnAT), puterea nominal a acestei nfurri teriare va fi mai mic dect puterea nominal a autotransformatorului. Valoarea sa maxim poate fi egal cu kmag SnAT.

Fig.3.9. Autotransformator cu teriar

Marea majoritate a autotransformatoarelor sunt prevzute cu o nfurare teriar, conectat n triunghi, avnd ca tensiunea nominal o tensiune medie.

n sistemul nostru electroenergetic autotransformatoarele sunt folosite ntre reelele de 110 kV i 220 kV, ntre reelele de 220 kV i 400 kV, precum i ntre reeaua de 400 kV i cea de 750 kV. n rest, sunt folosite transformatoare.

3.6 Transformatorul cu nfurare divizat (TID)

Transformatorul cu nfurare divizat este un transformator cu trei nfurri pe faz. De fapt, comparativ cu un transformator obinuit cu dou nfurri, transformatorul cu nfurare divizat, apare ca avnd una dintre nfurri, divizat n dou nfurri identice ca putere i tensiune, fiecare avnd o putere nominal egal cu jumtate din puterea nominal a transformatorului. Dac se funcioneaz cu cele dou nfurri identice n paralel atunci transformatorul are caracteristici identice cu un transformator obinuit cu dou nfurri. Principala utilizare a transformatorului cu nfurare divizat este legat de limitarea curenilor de scurtcircuit. Cele dou nfurri identice, avnd putere nominal mai mic, egal cu jumtate din puterea transformatorului, vor avea o reactan mai mare, practic dubl fa de transformatorul cu dou nfurri. Ca urmare, dac cele dou nfurri nu funcioneaz n paralel, curenii de scurtcircuit prin transformator vor fi redui practic la jumtate, comparativ cu un transformator cu dou nfurri.

n figura 3.10 este prezentat simbolul acestui transformator i schema sa echivalent, simplificat utilizat n calculele curenilor de scurtcircuit.

Fig.3.10. Schema echivalent a transformatorului cu nfurare divizat

a - transformator cu dou nfurri b - transformator cu nfurare divizat

Transformatorul cu nfurare divizat este mai scump dect un transformator cu dou nfurri, dar folosirea sa pentru limitarea curenilor de scurtcircuit este mai ieftin dect nlocuirea transformatorului obinuit cu dou transformatoare, tot cu dou nfurri, dar de putere mai mic (soluie alternativ de limitare).

n anumite scheme (figura 3.11), transformatorul cu nfurare divizat mai poate fi folosit, tot din motive economice, pentru a racorda la o tensiune nalt dou generatoare de putere relativ mic (de regul hidrogeneratoare).

Exist TID-uri la care divizarea nfurrii este realizat n trei sau chiar patru nfurri identice de puteri corespunztor mai mici.

3.7 Rcirea transformatoarelor

n timpul funcionrii (auto)transformatoarelor de putere se produce cldur, din cauza pierderilor de putere care au loc n regim normal de funcionare, a suprasarcinilor, precum i ca urmare a curenilor de scurtcircuit. Cldura produs n timpul funcionrii afecteaz durata de via a transformatoarelor, n special ca urmare a uzurii premature a izolaiei (circa 10% din totalul cauzelor care determin defectarea transformatoarelor de 110/MT sunt provocate de mbtrnirea izolaiei). n afara efectelor pe termen lung, transformatorul devine astfel mai vulnerabil la incidente, cum ar fi supratensiunile i scurtcircuitele. Transformatoarele de mare putere au sistemul de izolare compus din materiale organice (ulei mineral, hrtie i carton comprimat). n general, se consider c durata de via a transformatoarelor poate fi descris aproape exclusiv n funcie de deteriorarea sub influena cldurii a proprietilor mecanice ale hrtiei izolante dintre spirele nfurrilor. mbtrnirea izolaiei (n mod particular, a hrtiei) este n mod normal asociat pirolizei, oxidrii i hidrolizei, aceste reacii fiind accelerate de creterea temperaturii, a umiditii i a concentraiei de oxigen. Uleiul izolant este, de asemenea, supus deteriorrii chimice. Oxidarea poate provoca formarea unor componente acide i a unor derivate noroioase care pot reduce rigiditatea dielectric i mpiedica rcirea.

Circulaia agentului de rcire se poate face natural (N) sau forat, cu agentul de rcire nedirijat (F) sau dirijat (D). La transformatoarele cu circulaie forat i dirijat a agentului de rcire, o anumit parte a fluxului forat al agentului de rcire este canalizat prin nfurri.Ca agent de rcire, fabricanii de transformatoare utilizeaz diferite fluide. Dac n cazul (auto)transformatoarelor de mare putere cel mai folosit agent de rcire este uleiul, pentru transformatoarele destinate posturilor de transformare se aplic i alte soluii. n continuare se face o scurt prezentare a variantelor de rcire folosite n construcia transformatoarelor. Transformatoarele imersate. Dielectricul lichid se dilat n funcie de ncrcarea transformatorului i de temperatura ambiant. Fabricanii utilizeaz dou tehnologii de compensare a variaiilor corespunztoare de volum:

dilatarea lichidului se face ntr-un rezervor de expansiune (conservator); suprafaa lichidului poate intra n contact direct cu aerul ambiant sau poate fi separat de acesta printr-un perete etan din material sintetic deformabil; n ambele cazuri, ptrunderea umiditii n interiorul rezervorului trebuie combtut prin prevederea unui produs desicator;

introducerea transformatorului ntr-o cuv etan (orice oxidare a dielectricului lichid n contact cu aerul ambiant este evitat), dilatarea lichidului fiind compensat prin deformarea elastic a pereilor cuvei; sub capacul cuvei se las o pern de aer, care preia variaiile de volum; prin eliminarea conservatorului i a pericolului ptrunderii umezelii, construcia transformatorului este simplificat, ceea ce conduce la un pre i cheltuieli de ntreinere mai reduse (simpl supraveghere), economie de spaiu pentru instalare, faciliti n modul de dispunere a bornelor i deci de racordare la reea.Circulaia lichidului de rcire prin (auto)transformator se poate face natural (prin efect de termosifon), cu rcire liber n aer sau cu rcire prin suflare a aerului printre radiatoarele cu evi ale cuvei. n acest ultim caz sunt necesare baterii de ventilatoare amplasate printre evi, de ambele pri ale transformatorului. La transformatoarele de putere mai mare, circulaia lichidului de rcire se face forat, uleiul fiind vehiculat prin radiatoare cu ajutorul unor pompe, iar cldura uleiului este preluat prin suflaj de aer sau de ctre apa de rcire. Aceste instalaii anexe sunt relativ voluminoase i contribuie la creterea consumului de energie, precum i a nivelului de zgomot n vecintatea transformatorului.Lichidul cel mai des utilizat n construcia transformatoarelor (att ca dielectric, ct i ca mediu de rcire) este uleiul mineral. Acesta este biodegradabil i nu conine substane toxice. Este ns un material inflamabil (punctul de inflamabilitate al uleiului se afl sub 300 (C), de cele mai multe ori fiind necesare msuri specifice de paz/stingere a unor poteniale incendii. Pentru transformatoarele de MT/JT, uleiul mineral poate fi nlocuit printr-un alt dielectric lichid, adaptnd construcia transformatorului i lund eventuale precauii complementare.Din punct de vedere al agentului de rcire utilizat de fabricant, STAS 1703 include transformatoarele cu miezul i nfurrile complet introduse n ulei mineral sau n alt lichid sintetic inflamabil echivalent n grupa O.Dac pentru rcire se utilizeaz lichide izolante sintetice neinflamabile (cu punct de inflamabilitate peste 300(C), transformatorul aparine grupei L. Lichidele neinflamabile utilizate n construcia transformatoarelor sunt amestecuri de triclorbenzen (i hexa-, penta- sau triclordifenili, precum i uleiuri siliconice. n ultima vreme, utilizarea policlordifenililor este mult limitat, din cauza problemelor ecologice pe care le ridic (att difenilii clorurai, ct i vaporii lor sunt toxici).

Vscozitatea dielectricului lichid constituie unul dintre indicatorii cu ajutorul crora poate fi apreciat capacitatea de cedare a cldurii. Vscozitatea lichidelor neinflamabile este de regul puin mai mic dect a uleiului, deci cedarea cldurii ctre mediul ambiant se face (n condiii foarte bune (i, pentru dimensiuni (i ncrcri egale, transformatoarele cu lichide neinflamabile funcioneaz la o temperatur inferioar cu cteva grade celei corespunztoare transformatoarelor cu ulei. Datorit faptului c lichidele neinflamabile pot suporta temperaturi ridicate fr a-(i modifica proprietile (temperatura de oxidare este de peste 1100(C), capacitatea de suprancrcare a transformatoarelor din grupa L este (n orice caz comparabil cu cea corespunztoare folosirii uleiului.

Densitatea lichidelor neinflamabile este mai mare dect cea corespunztoare uleiului mineral (i ca urmare, masa transformatorului cu lichid neinflamabil este superioar celei corespunztoare unui transformator cu ulei, la acelea(i performane tehnice.

Datorit rigiditii dielectrice comparabile, transformatoarele cu lichide neinflamabile au (n general acelea(i distane de izolare ca pentru ulei, deci un volum comparabil.

Transformatoarele uscate.n cazul transformatoarelor aparinnd conform STAS 1703 grupei A, nfurrile (impregnate sau nu cu rin) se afl n aer; la aceste transformatoare, pierderile prin nclzire sunt disipate direct n aer, de unde rezult necesitatea de a se adopta densiti mici de curent i suprafee mai mari de cedare a cldurii. Dac agentul de rcire este un gaz oarecare (azot, hexafluorur de sulf, hexafluoretan, perfluorpropan), transformatoarele aparin grupei G.

Transformatoarele uscate au o bun rezisten la foc, fiind uneori autoextinctibile. Riscul polurii chimice a mediului ambiant este foarte redus, n cele mai multe cazuri fiind eliminat total, prin absena oricror subproduse toxice sau corozive. Nu sunt necesare amenajri speciale la instalare pentru colectarea lichidului izolant (obligatorii la transformatoarele imersate).Pe de alt parte, transformatoarele nglobate n rin sintetic se comport foarte bine n atmosfer industrial, fiind insensibile la ageni exteriori (praf, umiditate etc.). Prin urmare, fiabilitatea transformatoarelor nglobate n rin este mai bun, iar ntreinerea este mult simplificat. Volumul acestor transformatoare este mai mic dect la cele cu ulei.Transformatoarele uscate prezint ns un cost ridicat (de circa 5 ori mai mare) i pierderi ceva mai mari dect cele cu ulei (de circa 1,3 ori mai mari), ceea ce face ca deocamdat utilizarea lor s fie limitat n cazuri bine justificate, ca de exemplu, n posturi de transformare amplasate chiar n centrele de consum cu aglomerri de persoane (blocuri de locuine, spitale, metrou etc.).n tot mai multe cazuri, folosirea transformatoarelor uscate rezolv eficient din punct de vedere economic problema electroalimentrii consumatorilor din centrele dens populate, cu echipamente nepoluante i fr risc de incendiu, fiind introduse n fabricaie de serie de tot mai multe firme constructoare.

3.8 Transportul (auto)transformatoarelor

Ca urmare a faptului c preul specific de realizare a transformatoarelor crete degresiv n raport cu puterea nominal a acestora, consideraii economice dau n general prioritate creterii puterii unitare pentru tranzitarea unei anumite puteri, comparativ cu numrul instalat de transformatoare. Astfel, din cauza creterii puterii nominale a generatoarelor electrice s-a ajuns la puteri unitare foarte mari ale transformatoarelor destinate evacurii puterii produse n centrale. Pe de alt parte, n cazul (auto)transformatoarelor amplasate n staiile de reea, din cauza celor dou nfurri de foarte nalt tensiune, la care se adaug nfurarea teriar i sistemul de reglare a tensiunii, aceste uniti de transformare depesc uneori transformatoarele de central de aceeai putere nominal, n ceea ce privete masa i gabaritul. n astfel de cazuri, problema prioritar care trebuie soluionat este cea a transportului unitilor de (auto)transformare din fabric i pn la locul de montare.

Transportul (auto)transformatoarelor la staiile de transformare se face de regul pe drumuri de acces pentru autovehicule. Trebuie verificate ns posibilitile de transport, n ceea ce privete gabaritele i sarcinile admise pe poduri i drumuri.

La etapa actual se poate considera c tehnologia de fabricaie a transformatoarelor nu ridic probleme deosebit de dificile, chiar n cazul unor uniti trifazate de puteri unitare foarte ridicate (1500 MVA i chiar mai mult), cu excepia faptului c ncepnd de la tensiunea nominal de 750 kV, construirea unitilor trifazate este condiionat de posibilitile de realizare a unor distane de izolaie corespunztoare ntre bornele de nalt tensiune.

n scopul eliminrii acestei restricii, bornele de tensiune superioar ale (auto)transformatoarelor se pot realiza capsulat n hexafluorur de sulf (SF6) i apoi pot fi scoase prin pereii cuvei. Rmn de rezolvat ns dificultile legate de transportul unor uniti de mare putere de la fabric i pn la locul de amplasare. Se pot considera ca fiind posibile dou direcii pentru rezolvarea acestei probleme.

Mrirea capacitii de transport. Creterea capacitii de transport (prin realizarea unor transportoare de mare tonaj) este una din direciile posibile de soluionare a problemei transportului unitilor de transformare de mare putere din fabric pn la locul de montare. Totui, atta timp ct pentru transportul unitilor de transformare se vor folosi culoare la nivelul solului, gabaritele admisibile vor condiiona n continuare construcia acestor uniti, mai ales n cazul transportului pe cale ferat, optim pentru distane mari. n cazul transportului pe osele, existena unor mijloace de transport corespunztoare ca tonaj, ct i gsirea sau amenajarea (chiar i parial) a unor rute adecvate, ridic n mod analog probleme care condiioneaz realizarea unitilor de transformare trifazate.

Micorarea masei de transport. Pe aceast direcie se nscrie soluia clasic de realizare a unitilor de (auto)transformatoare monofazate, prin care se reduce att masa de transportat, ct i gabaritul. n plus, este soluionat problema distanelor de izolaie necesar a fi asigurate ntre bornele de foarte nalt tensiune. n afar de aceasta, se poate vorbi de soluii noi, cum ar fi: asamblarea i ncercarea unitilor de transformare la locul de montaj i utilizarea fenomenului supraconductibilitii n construcia transformatoarelor de putere.

La nivelul anilor 70, n Frana s-a realizat asamblarea unor transformatoare mai mici la locul de instalare, n vederea studierii i obinerii de experien pentru montarea n acest fel a transformatoarelor de mare putere i foarte nalt tensiune. Se pare ns c, pn n prezent, aceast metod nu s-a generalizat.

Folosirea criogeniei pentru realizarea transformatoarelor cu nfurri supraconductoare este nc limitat la puteri mici. Recent, cercettori din Suedia, Norvegia, Germania i Elveia au construit un transformator supraconductor monofazat de 330 kVA.3.9 Aspecte tehnice i economice privind utilizarea (auto)transformatoarelorPentru constructorul de transformatoare problema care se pune este aceea de a realiza un echipament cu anumite caracteristici garantate, la nite costuri de fabricaie ct mai mici. Pentru utilizator problema se pune diferit. Pe lng faptul c trebuie s cumpere un echipament relativ scump, el trebuie s aib (n vedere i faptul c, (n exploatare, transformatorul va consuma sub form de pierderi o anumit cantitate de energie, an de an. Ca urmare, pentru energetician se pune problema alegerii transformatorului astfel nct, innd seama de condiiile (n care acesta va funciona, s rezulte o utilizare ct mai bun a echipamentului, evident, cu respectarea tuturor acelor condiii (restricii) tehnice care asigur funcionarea (n siguran a transformatoarelor.

3.9.1 Restriciile tehniceLa stabilirea numrului i puterii nominale ale transformatoarelor trebuie luate (n considerare soluiile care satisfac urmtoarele condiii (restricii) tehnice.

R1, Puterea total instalat n transformatoare trebuie s asigure tranzitul de putere estimat pentru vrful de sarcin pe ntreaga durat de studiu. Dac se noteaz cu SM sarcina maxim de durat care va trebui tranzitat prin transformatoare, atunci soluiile care satisfac restricia de mai sus trebuie s respecte condiia:

(3.8.)unde cu N s-a notat numrul de transformatoare instalate, iar cu SnT - puterea nominal a unui transformator.

Observaie: n cele ce urmeaz se vor lua (n considerare numai soluiile care folosesc transformatoare identice.

R2, Valorile curenilor de scurtcircuit pentru staia alimentat de ctre transformatoare trebuie s fie sub plafonul economic admisibil pentru echipamentele staiei i pentru liniile electrice alimentate din aceast staie. n lipsa unui calcul al curenilor de scurtcircuit mai amnunit, puterea nominal a transformatoarelor utilizate trebuie s respecte urmtoarea condiie:

(3.9.)n care prin Isc,ad s-a notat plafonul de scurtcircuit admisibil pentru staia alimentat de transformatoare.

R3, Necesitatea asigurrii pornirii celui mai mare motor sau autopornirii unui grup de motoare racordate la staia alimentat de transformatoare, n cazul unei pauze de tensiune. Pentru cazurile (n care la barele staiei alimentate de transformatoare sunt racordate motoare, respectarea condiiilor de pornire a celui mai mare motor sau a condiiilor de autopornire dup o pauz de tensiune a unui grup de motoare (staii de MT sau JT) se pot verifica cu relaia:

(3.10.)(n care:

Sp este puterea electric absorbit de motor la pornire sau puterea absorbit de grupul de motoare la autopornire;Ssc - puterea de scurtcircuit pe barele staiei alimentate de transformatoare i la care sunt racordate motoarele (aceast putere este proporional cu puterea nominal a transformatoarelor SnT);U* admisibil - valoarea relativ a tensiunii admis la pornire sau autopornire ((n lipsa unor valori precizate, se pot considera valorile 0,85 pentru cazul pornirii celui mai mare motor i 0,70 pentru cazul autopornirii unui grup de motoare dup o pauz de tensiune).

Restricia R2 poate conduce la o putere nominal maxim admis, iar restricia R3 poate conduce la o putere nominal minim pentru transformatoarele ce urmeaz a fi utilizate. De asemenea, mai trebuie menionat c (n timp ce restriciile R2 i R3 nu sunt operante (n toate cazurile, restricia R1 trebuie verificat (n toate cazurile.

3.9.2 Stabilirea unor soluii optime privind numrul i puterea transformatoarelor utilizate n staii Pierderile de putere i energie electric (n transformator

ntr-un transformator se produc dou categorii de pierderi:

pierderile (n fier (miezul magnetic): sunt pierderi independente de sarcina (S sau I) care trece prin transformator; ele sunt ns proporionale cu ptratul tensiunii aplicate transformatorului;

pierderile (n bobinaje: sunt pierderi proporionale cu ptratul sarcinii care trece prin transformator.

n cele ce urmeaz, se vor face referiri numai la pierderile de putere electric activ, deoarece acestea cost efectiv cel mai mult.

Relaia de calcul a pierderilor (n fier este :

(3.11.)(n care Po este puterea electric activ msurat la proba de mers (n gol (este o dat de catalog).

Relaia de calcul a pierderilor (n bobinaje este :

(3.12.)(n care:

Psc este puterea electric activ msurat la proba de mers (n scurtcircuit (este de asemenea o dat de catalog);SnT - puterea nominal a transformatorului;S - sarcina care trece la un moment dat prin transformator.Pentru pierderile (n bobinaje este interesant de calculat valoarea lor pentru cazul (n care prin transformator trece sarcina maxim anual (notat SM sau IM). Ca urmare, se va obine valoarea maxim a acestor pierderi de putere:

(3.13.).

Mai trebuie remarcat faptul c raportul este coeficientul de ncrcare al transformatorului la sarcina maxim anual.

Cu ajutorul celor prezentate anterior se poate scrie expresia pierderilor totale de putere electric activ ntr-un transformator tranzitat de sarcina maxim anual:

(3.14.).Pierderile de energie electric activ se calculeaz cu ajutorul pierderilor de putere innd ns cont de caracterul lor. Dac ntr-un an un transformator are un timp de funcionare tf (care poate fi maxim 8760 h/an) atunci:

(3.15.)

(3.16.).n relaia (3.16) ( este timpul de calcul al pierderilor de energie care se poate estima n funcie de durata de utilizare anual a sarcinii maxime TM (dac energia electric activ tranzitat prin transformator ntr-un an este WP, atunci durata de utilizare a sarcinii maxime active PM este, prin definiie, ).

Deci, pierderile totale anuale de energie electric activ ntr-un transformator pot fi determinate cu relaia:

(3.17.). Costul actualizat al pierderilor de putere i energie

Dac se noteaz cu cp costul unui kilowatt instalat ntr-o central (de fapt o investiie specific) i cu cw costul unei kilowattore livrate la treapta de tensiune respectiv, atunci costul actualizat al pierderilor de putere i energie din transformatoare se calculeaz cu relaiile: costul anual al pierderilor de putere i energie electric activ n fier:

(3.18.)n care:

(3.19.)unde DNU este durata normal de utilizare a unei centrale, iar a este rata de actualizare; costul anual al pierderilor de putere i energie electric activ n bobinaje:

(3.20.). Alegerea puterii nominale optime

Se recomand utilizarea criteriul cheltuielilor totale minime. Acesta este un criteriu economic care ine seama att de investiia iniial n transformatorator, ct i de faptul c n exploatare pierderile n transformator cost. Dac se noteaz cu CT costul transformatorului i dac se face calculul economic n sistem actualizat, atunci cheltuielile totale actualizate pe o durat de studiu ts vor avea urmtoarea expresie:

(3.21.)n care a este rata de actualizare.Dac se folosete notaia

i dac se ine seama de relaiile (3.18) i (3.20) pentru

i

atunci se obine:

(3.22.).Grupnd termenii dup puterile lui SM se obine o relaie de forma:

(3.23.)n care prin s-au notat cheltuielile independente de sarcin, iar prin

s-a notat coeficientul lui

.

Cu ajutorul acestei relaii se poate obine rspunsul la urmtoarea ntrebare: fiind dat o sarcin SM , ce putere nominal ar trebui s aib transformatorul ales, astfel nct cheltuielile s fie minime?

Fie, de exemplu, dou transformatoare de puteri SnT1 i SnT2

. n cazul unei sarcini SM se va alege puterea SnT1 dac:

Rezult:

(3.24.).

Se observ c se alege SnT1 dac:

(3.25.).

S-a notat prin SMfr1/2 sarcina frontier sub care trebuie ales transformatorul SnT1 i peste care trebuie ales transformatorul SnT2 . De menionat c alegerea depinde, prin (SMfr), de caracteristicile transformatoarelor (Psc, SnT,Po), de parametrii economici (CT, cp, cw) i de curba de sarcin (prin (). Consideraii privind alegerea optim a numrului de transformatoareProblema alegerii numrului de transformatoare instalate ntr-o staie este puternic legat de continuitatea n alimentarea cu energie electric, cu alte cuvinte intervin daunele datorate ntreruperilor cauzate de prezena unui anumit numr de transformatoare. Instalarea numai a unui singur transformator va duce la ntreruperi n alimentare pe durata reviziilor sau a reparaiilor. Instalarea mai multor transformatoare va asigura rezerva necesar eliminrii unor astfel de ntreruperi.

n cele ce urmeaz problema numrului de transformatoare se va analiza n dou ipoteze.

Ipoteza unor daune neglijabile n caz de ntrerupere a funcionrii transformatoarelor. Pentru astfel de situaii sunt dou posibiliti:

consumatorii racordai la staia alimentat de transformatoare nu sunt afectai de ntreruperi i nu solicit daune;

consumatorii racordai la staia alimentat de transformatoare mai au i o alt cale de alimentare cu energie electric.

n astfel de cazuri, numrul de transformatoare poate fi stabilit att tehnic ct i economic. Din punct de vedere economic, este de preferat s se instaleze numrul minim posibil de transformatoare cu respectarea restriciei R1, respectiv

.Evident, ori de cte ori este posibil, economic ar fi indicat s se instaleze un singur transformator. Acest lucru se justific prin aceea c, costul specific (lei/kVA) al unui transformator scade odat cu creterea puterii nominale a transformatorului (dou transformatoare de putere vor fi mai scumpe dect un transformator de putere SnT , dei puterea total instalat este aceeai). n al doilea rnd intervine i costul celulelor prin care transformatoarele se racordeaz la staii. n al treilea rnd, pierderile i costul pierderilor pe kVA instalat scad, de asemenea, odat cu creterea puterii nominale a transformatoarelor.

Din punct de vedere tehnic este posibil ca, limitarea superioar a puterii nominale a transformatoarelor, fie din cauza gamei construite, fie de ctre restricia R2 (plafonul de scurtcircuit), s conduc la necesitatea utilizrii unui numr de transformatoare mai mare dect cel rezultat pe considerente economice.

Ipoteza existenei unor daune n caz de ntrerupere a funcionrii transformatoarelor. n astfel de situaii, calculele arat c, ncepnd chiar cu daune specifice destul de reduse, este economic s se instaleze rezerve n transformatoare care s evite ntreruperile n alimentarea consumatorilor. Ca urmare, este de preferat instalarea a mai multor transformatoare care s respecte regula numit (N-1). Adic (N-1) transformatoare s fie capabile s tranziteze sarcina maxim de durat (eventual cu o uoar suprancrcare). Deci n aceste cazuri restricia R1 ar trebui s fie aplicat sub forma:

Este uor de demonstrat c i n aceste cazuri este de preferat ca N s fie ct mai mic posibil, adic N=2. Considerentele de ordin economic sunt aceleai ca n paragraful anterior. Un numr de transformatoare mai mare dect 2 poate s rezulte prin aplicarea restriciei R2 privind plafonul de scurtcircuit admisibil.

Desigur este posibil ca decizia de trecere de la un transformator la dou transformatoare rezervate reciproc s se bazeze pe un calcul economic. Spre exemplu, fie o staie care alimenteaz consumatori care cer o putere maxim de durat SM , la o durat de utilizare a acestei puteri TSM. Dauna specific n caz de nelivrare este dsp. Cheltuielile totale actualizate n cazul instalrii unui singur transformator vor fi :

(3.26.)n care:

este puterea medie tranzitat prin staie;tntrerupere - durata probabil de ntrerupere ntr-un an ca urmare a reviziilor i reparaiilor la transformator i celule.

n cazul instalrii a dou transformatoare care se rezerveaz reciproc, dac se consider neglijabil probabilitatea ca cele dou transformatoare s se defecteze simultan, atunci cheltuielile totale actualizate vor fi:

(3.27.).Dou transformatoare se vor justifica dac:

,

respectiv dac daunele totale exced surplusul de investiii i cheltuieli cu pierderile n fier pentru cel de al doilea transformator (la instalarea celui de al doilea transformator pierderile n bobinaje se reduc la jumtate):

(3.28.).

Puterea instalat i densitatea staiilor de transformare este influenat de criterii de planificare i de concepie a reelelor electrice, precum i de mai multe aspecte tehnice i economice, cum ar fi densitatea de sarcin, terenul disponibil i costul acestuia, dreptul de trecere pentru linii. Puterea unitar i numrul transformatoarelor dintr-o staie electric sunt mai mult sau mai puin legate de aceste aspecte, cu toate c anumite limite tehnice cum ar fi gabaritul i masa sau nivelul puterii de scurtcircuit admisibil la tensiunea inferioar, pot fi foarte importante n cazuri concrete.

Fig.3.11. Folosirea TID la racordarea a dou generatoare

b

a

U2

U2

U1

2xT

2xT

TID

U2

U1

xT

T

U3

U2

N3

U1

N2

N1

c

C

b

B

a

A

N = n = P

Ua

UA

b

UPb >Uab >Ub

N = n

Ua

UA = P

IC

U2

I2

I1

U1

N2

N1

I2

U2

N2

N1

I1

U1

G

Staie de servicii proprii

Dd 0

Yd 11

Yd 11

Cale de alimentare de rezerv

Cale de alimentare normal

n

z

y

x

c

b

a

C,X

B,Z

A,Y

Z

Y

X

C

B

A

A

UCA

UBC

UAB

N

Z

Y

X

C

B

A

C

B

N(XYZ)

C

B

A

N

c

b

a

Cm

Bm

Am

Nm

c

b

a

n

N

C

B

A

x

a

X

A

PAGE 22/22

_956995345.unknown

_957166423.unknown

_1023258427.unknown

_1047797592.unknown

_1047797814.unknown

_1047892800.unknown

_1191660425.unknown

_1047797694.unknown

_1025598745.unknown

_1047797382.unknown

_1023262291.unknown

_1019563545.unknown

_1023258092.unknown

_1019563683.unknown

_957172217.unknown

_957172434.unknown

_1019563516.unknown

_957172357.unknown

_957171765.unknown

_956998667.unknown

_956999150.unknown

_957089481.unknown

_956998832.unknown

_956996281.unknown

_956998565.unknown

_956996184.unknown

_956649198.unknown

_956994926.unknown

_956995050.unknown

_956995085.unknown

_956995029.unknown

_956649939.unknown

_956650293.unknown

_956649797.unknown

_956647707.unknown

_956648173.unknown

_956648431.unknown

_956647853.unknown

_956646207.unknown

_956646611.unknown

_956645942.unknown