18.10.2011.

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVOI AUTOMATIZACIJU

TRANSFORMATORITRANSFORMATORI

Prof. dr. sc. Zlatko Maljković

ELEKTROMEHANIČKE I ELEKTRIČNE PRETVORBE ENERGIJE

TR.3 - Zagrijavanje i hlađenje, vijek trajanja, tipska snaga, autotransformator, tercijar, cik-cak spoj, prenaponi, natpisna pločica

Ak. god. 2011/2012 Zagreb,

218.10.2011.

Sadržaj 3. predavanja iz transformatora

� Zagrijavanje i hlađenje

� Vijek trajanja transformatora

� Autotransformator i regulacija napona

� Tercijar

� Cik-cak spoj

� Prenaponi

� Natpisna pločica

318.10.2011.

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).

418.10.2011.

Jednadžba toplinskog stanja homogenog tijela

� Za homogeno tijelo mase m, specifičnog toplinskog kapaciteta ci površine A vrijedi:

� Toplinski tok: Φt

� Koeficijent prijelaza topline: α

� Toplinski kapacitet tijela: mc

� Toplinska vodljivost tijela: Aα

� Maksimalno zagrijanje (nadtemperatura) tijela pri konstantnom dovodu topline:

d d dt t m c A tϑ α ϑΦ = +

αϑ

A

tm

Φ=

518.10.2011.

Zagrijavanje i hlađenje homogenog tijela (1)

� Ako su Φt , c i α konstante tada je rješenje jednadžbe toplinskog stanja kod zagrijavanja:

� i hlađenja:

� Toplinska vremenska konstanta:

−⋅−+=

−Tt

e1)( 0max0 ϑϑϑϑ

Tt

e−

= 1ϑϑ

mcT

Aα=

618.10.2011.

� θ – temperatura

� ϑ – nadtemperatura (zagrijanje)

T

ϑ = ϑo + (ϑm–ϑo)(1–e-t/T)

Θ

Temperatura θθθθm

θθθθ0

ϑϑϑϑ0

θθθθok

0

ϑϑϑϑm ϑϑϑϑ1

T

θθθθ

ϑ = ϑ1e-t/T

T t1

t

Toplinski tok

(gubitci) ΦΦΦΦ

ΦΦΦΦ1

0t1

tVrijeme

αA

cmT =

Zagrijavanje i hlađenje homogenog tijela (2)

718.10.2011.

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: Tn - iznos u minutama

� ulja: Tu - iznos u satima

� Vremenska konstanta zagrijavanja transformatora - jednaka vremenskoj konstanti ulja.

� Specifični toplinski kapacitet c (J/kg K)Bakar 390 Papir u ulju 1200Aluminij 920 Tvrdi papir u ulju ∼2000

Magnetski lim 485 Transf. ulje 1800-1900

Voda 4190 Bukovina ∼ 2000

818.10.2011.

Transformator opterećen 4 sata sa Sn, a zatim s 1,5Sn

Pon= 0,4 kW, Tn= 6 min, θn-u= 20 K

Ptn= 2 kW TT = 3 sata, θn-ok= 60 KS

1,5 Sn

Sn

Sn

1,5 Sn

PgkW

1

2

3

4

0.4

2,4 kW

4,9 kWt

0 t

2

0

1,5

0, 4 (1,5) 2 0,4 4,5 4,9 kW

n

n t

S S

P P

=

+ = + ⋅ = + =

918.10.2011.

Porast temperature namota i transformatorskog ulja

250

200

150

100

50

02 4 6 8 10

Vrijeme (h)

Tem

per

atu

ra (

ºC)

qn

qu

45KmN U

ϑ−

=

122,5KmU OKϑ−

=

40 COK

θ = °

20 K

2

0

m N-U m U-OK

1,5 0,4 (1,5) 2 0,4 4,5 4,9 kW

4,5 4,920 45K 60 122,5K

2 2,4

n tS S P P

θ θ

= + = + ⋅ = + =

= ⋅ = = ⋅ =

Pon= 0,4 kW, Tn= 6 min, θn-u = 20 K

Ptn= 2 kW, TT= 3 sata, θn-ok= 60 K

1018.10.2011.

Načini hlađenja transformatora

� Oznaka načina hlađenja transformatora sastoji se od 4 slova:1. Rashladno sredstvo namota2. Način hlađenja namota3. Rashladno sredstvo vanjskog hlađenja4. Način hlađenja za vanjsko hlađenje

Rashladno sredstvo: Način hlađenja:O – mineralno ulje, N – prirodno,L – sintetsko ulje, F – prisilno,G – plin, D – dirigirano.W – voda,A – zrak,S – kruti materijali

1118.10.2011.

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.

1218.10.2011.

Dopušteno zagrijavanje transformatora prema IEC normi

1318.10.2011.

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 kriterij kraja vijeka trajanja smanjenje vlačne čvrstoće za 50%.

� Vijek trajanja izolacije:

∆

−−

=0

20

ϑϑ

ZZ

1418.10.2011.

� Z0 - normalni vijek trajanja

� θ0 - normalna temperatura

� ∆ - konstanta materijala

� θ - temperatura kojoj je izolacija izložena

� Konstanta materijala za izolaciju uljnih transformatora ∆ = 6 °C, a normalna temperatura θ0 = 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

0

0 2Z Z

θ θ−−

∆=

Vijek trajanja (životna dob)

1518.10.2011.

� Trošenje vijeka trajanja papirno-uljne izolacije

(∆ = 6°C)

� Istrošenost izolacije

80 90

86 92

100 110

98 104

120

100

200

400

300

500

600

700

0

%

50 θ (°C)

ν

∑=

=n

i

iiZ tZ

I1

%

0

1ν

( )0 /2

θ θν

− ∆=

( )0 /

%

2

100

θ θν

ν ν

− ∆=

=

Trošenje vijeka trajanja

1618.10.2011.

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:

� Ako postoji treći namot nazivne snage S3 tipska snaga je:

% %1200

T N

a bS S

+ = +

% % 31200 2

T N

N

a b SS S

S

+= + +

1718.10.2011.

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.

U1a

U2a

I1a

I2a

I2a-I1a

1818.10.2011.

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.

1918.10.2011.

Shema autotransformatora

w1 w2 Z2 U2U1

I1 I2

1U

1N

2U

2N

w1 w2 Z2 U2

I1 I1+I2

1U 2U

NI2

U1a

U2a

I1a

I2a

I2a-I1a

ka = U1a / U2a = (w1+w2) / w2

2018.10.2011.

Snaga autotransformatora

a 1a 1a 1 2 1

2a 1 1

1

1aa T

1a 2a

2aT a

1a

2aT

a 1a

( )

1

:

1

:

1

S U I U U I

US U I

U

US S

U U

Tipska snaga

US S

U

Faktor redukcije

USq

S U

= = +

= +

=−

= −

= = −

U1a

U2a

U1

U2

I1a = I1

I2a = I1+I2

ST

Sna

1

0,5

0 0,5 1

U2a

U1a

2118.10.2011.

Napon kratkog spoja autotransformatora

� Napon kratkog spoja s VN strane u postotnom iznosu je manji jer je primarni napon veći (umjesto U1 bazni je napon U1a = U1+U2):

� Zbog manjih struja kratkog spoja u mreži često je zahtjev kupaca da uka bude većeg iznosa (čak i do 40%), pa se autotransformator mora raditi s posebnom konstrukcijom namota koje karakteriziraju povećani dodatni gubici.

1ak T

1a 2a 1a 2akka% k%2 2

a 1a21an

a1a 2a

Tka% k%

a

100 100

UZ S

U U U UZu u

U UUU

S U U

Su u

S

− −= = =

−

=

2218.10.2011.

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 zvijezduu 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.

2318.10.2011.

Regulacija napona autotransformatora (napon VN strane čvrst)

2418.10.2011.

Regulacija napona autotransformatora (napon VN strane promjenljiv)

2518.10.2011.

Tercijar

� Tercijar je kratkospojeni namot malog otpora, jednoliko razdijeljenna sva 3 stupa tako da su svi svici spojeni u seriju – spoj trokut.

� Namotan je oko stupa i sprečava zatvaranje 3.harmonika toka u prostoru između stupova i kotla.

� Nulta reaktancija jednaka je direktnoj reaktanciji i zato kažemo da tercijar ruši nultu reaktanciju od iznosa bliskog reaktanciji praznog hoda na iznos blizak reaktanciji kratkog spoja.

� U slučaju nesimetričnog opterećenja po fazama kada nema nul voda javljaju se istofazni tokovi u jezgri. Naponi inducirani tim tokovima mijenjaju fazne napone. No u tercijaru će poteći struja inducirana od istofaznih tokova u jezgri koja će svojim djelovanjem poništiti djelovanje istofaznih struja tereta.

2618.10.2011.

Uloga tercijara

� Tercijar u transformatoru u spoju Yy ima funkciju smanjenja nulte reaktancije transformatora, simetriranja opterećenja po fazama, smanjenja nultih komponenti struje uključenja i sl.

� Može se koristiti i za priključak trošila, odnosno u elektrani ili transformatorskoj stanici gdje su potrebna 3 različita napona.Ako se ne koristi za napajanje trošila naziva se i stabilizacijski namot.

� Primjer tronamotnog transformatora s tercijarom: YNyn0d5

2718.10.2011.

Cik-cak spoj transformatora

� Svaki se fazni namot sastoji od dva dijela u kojima se inducirajufazno pomaknuti naponi. Te se polufaze nalaze na različitim stupovima.

� 15,5% više zavoja nego u spoju zvijezda.

� Omogućeno nesimetrično opterećenje (čak 100% opterećenja samo jedne faze).

� Upotreba za manje transformatore (do 160 kVA)

� Primjer: Yzn5

2818.10.2011.

Cik-cak (slomljena, razlomljena zvijezda)

� Praktički se ne koristi za primarni namot.

� Zbog spoja svake faze od polunamota, struje 3.harmonika djeluju tako da se treći harmonik protjecanja poništava, što znači da nema 3.harmonika magnetskog toka. Taj se tok može zatvoriti samo između cik-cak namota (jako veliki magnetski otpor) pa treba puno amperzavoja, tj. struja magnetiziranja (primara) mora biti jako velika.

2918.10.2011.

Transformator za uzemljenje

� Iznimka za spoj cik-cak u primaru je transformator za uzemljenje.

� Ako treba mrežu (npr. 20 kV) uzemljiti, a spoj je na toj strani trokut ubacuje se transformator za uzemljenje u Z-spoju (to je praktički prigušnica).

� U sekundaru takvog transformatora za uzemljenje može se dodati namot u spoju y za napajanje NN mreže (0,4 kV) tako da je npr. grupa spoja ZNyn5.

3018.10.2011.

Prenaponi kojima je izložen transformator

� Atmosferski – atmosfersko izbijanje prilikom udara groma u dalekovod ili bliskih munja.

� 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.

� 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

3118.10.2011.

13001425

570630

420

850

950

360

395

245

450

550

185

230

123

40

60

75

125

170

10

20

28

50

70

3,6

7,2

12

24

36

Podnosivi udarni napon LI (kV)

Podnosivi napon industr. frekv. AC (kV)

Najviši napon opreme Um (kV)

3218.10.2011.

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 kVili uz nesimetrične odvojke:

(110 -8x1,5%+12x1,5%) / 35 kV

3318.10.2011.

Nazivni podaci specijalnog tronamotnog transformatora

Nazivna snaga

Sn (kVA)

UISP_udarni

UISP_fn

Najviši naponopreme Um(kV)

uk

Uključenje rashladnih ventilatora hladnjaka kad je snaga veća od 31,5 MVA