1. MJERNI TRANSFORMATORI 1.1. Općenito Mjerni transformatori reduciraju visoke napone ili velike struje na vrijednosti koje su prikladne za napajanje mjernih instrumenata, brojila i zaštitnih uređaja. Galvanskim razdvajanjem primarnih i sekundarnih namota mjernih transformatora ujedno se odvajaju i izoliraju mjerni i zaštitni krugovi električnih postrojenja od napona mreže. Zbog relativno male snage priključene na sekundarne stezaljke, a u skladu s načinom priključivanja primarnog namota na mrežu, strujni transformator radi praktički kao transformator u kratkom spoju, a naponski transformator kao transformator u praznom hodu. Opći tehnički uvjeti i standardne vrijednosti definirani su u normama: HRN EN 60044-1 (strujni transformatori) HRN EN 60044-2 (induktivni naponski transformatori) HRN EN 60044-3 (kombinirani mjerni transformatori) HRN EN 60044-5 (kapacitivni naponski transformatori) 1.2. Strujni transformatori Važniji pojmovi i karakteristike: Nazivni omjer transformacije Kn je omjer između nazivne primarne struje Ipn u A i nazivne sekundarne struje Isn u A. Nazivna snaga Sn je prividna snaga u VA uz propisani faktor snage, koju transformator daje sekundarnom strujnom krugu pri nazivnoj sekundarnoj struji i nazivnom teretu. Teret je impedancija u priključena na sekundarne stezaljke transformatora. Nazivna kratkotrajna termička struja Ith je efektivna vrijednost primarne struje u kA koju transformator može bez oštećenja podnijeti u trajanju 1 sekunde pri kratko spojenom sekundarnom namotu. Nazivna dinamička struja Idyn je najveća trenutna vrijednost primarne struje u kA koju transformator pri kratko spojenom sekundarnom namotu može podnijeti bez električnih i mehaničkih oštećenja uslijed elektromagnetskih naprezanja. Vrijednost Ith u kA označena je na natpisnoj pločici strujnog transformatora. Uobičajen je omjer Idyn/Ith=2.5, pa se vrijednost Idyn u kA navodi na natpisnoj pločici samo onda, ako se razlikuje od 1,82Ith=2.5Ith. Ith mora biti veća od efektivne struje kratkog spoja na mjestu ugradnje, a Idyn mora biti veća od amplitude udarne struje kratkog spoja na mjestu ugradnje. Strujna pogreška pi je pogreška koju transformator unosi u mjerenje struje. Izražava se u postocima primarne struje prema izrazu:

%100

p

psn

iI

IIKp (1.1)

Kn - nazivni omjer transformacije

Ip - efektivna vrijednost primarne struje u A Is - efektivna vrijednost sekundarne struje u A. Fazna pogreška i je fazna razlika između vektora sekundarne i vektora primarne struje. Izražava se u minutama. Složena pogreška pis uključuje pogrešku transformacije struje uslijed viših harmonika u sekundarnoj struji. Izražava se u postocima primarne struje prema izrazu:

%1100

0

2

T

psn

p

is dtiiKTI

p (1.2)

ip - trenutna vrijednost primarne struje u A, is - trenutna vrijednost sekundarne struje u A, T - trajanje jedne periode u s. Ponašanje strujnog transformatora u nadstrujnom području karakteriziraju veličine: • faktor sigurnosti Fs kod jezgara za mjerenje i • granični faktor točnosti Ft kod jezgara za zaštitu. Faktor sigurnosti Fs je višekratnik nazivne primarne struje kod kojega, uz nazivni teret na sekundarnom namotu, strujna pogreška pi iznosi najmanje 10%. Standardne su mu vrijednosti Fs=5 i Fs=10. Granični faktor točnosti Ft je višekratnik nazivne primarne struje kod kojega, uz nazivni teret na sekundarnom namotu, složena pogreška pis ne prelazi vrijednosti 5% ili 10% za klasu točnosti 5P ili 10P (vidi tablicu 2). Standardne vrijednosti za Ft su 5, 10, 15, 20 i 30. Klase točnosti Strujni transformator za mjerenje zadovoljava uvjete klase točnosti, ako su njegove strujne i fazne pogreške unutar granica prema tablici 1.1, kada potrošak sekundarnog kruga u VA kod nazivne struje i cos =0.8 ind. iznosi: a) za kl. 0.1, 0.2, 0.5 i 1: 25% do 100% nazivne snage, b) za kl. 3 i 5: 50% do 100% nazivne snage

Tablica 1.1. Klase točnosti ST za mjerenje

_ =

Transformatori klase točnosti od 0.1 do 1 mogu imati prošireni mjerni opseg (120%, 150% ili 200% nazivne primarne struje). Kod transformatora s mjernim opsegom većim od 120%, granice pogrešaka pri maksimalnoj struji (150% Ipn ili 200% Ipn) odgovaraju granicama kod 1,2Ipn iz tablice 1.1. Orijentacijski podaci pri izboru klase točnosti i faktora sigurnosti za strujne transformatore za mjerenje (odnosno jezgre za mjerenje) dani su u tablici 1.5. Strujni transformator za zaštitu zadovoljava uvjete klase točnosti, ako su mu kod nazivnog tereta strujna, fazna i složena pogreška unutar granica prema tablici 1.2. Klasa točnosti i granični faktor točnosti Ft ispisuju se u zajedničku oznaku. Npr.: oznaka 10P20 odnosi se na strujni transformator za zaštitu, klase točnosti 10P i graničnog faktora točnosti Ft=20. To znači da je kod Ip=20Ipn složena pogreška pis 10%.

Tablica 1.2 Klase točnosti ST za zaštitu

Izbor klase i graničnog faktora točnosti ovisi o vrsti primijenjenih zaštitnih uređaja i releja. Orijentacijske vrijednosti vidi u tablici 1.5. Ako strujni transformator ima više od jedne jezgre, na natpisnoj pločici transformatora za svaku jezgru, odnosno njezin sekundarni namot naznačena je pripadna klasa i nazivna snaga. Za svaku mjernu jezgru naznačen je i pripadni faktor sigurnosti. Ukupna snaga (ili ukupna impedancija) svih trošila serijski spojenih u vanjski krug nekog sekundarnog namota, uključujući i spojne vodove do instrumenata, brojila i releja, ne smije prekoračiti vrijednost nazivne snage (ili nazivnog tereta) za taj namot. Za standardne vrijednosti nazivne snage Sn u VA i standardne vrijednosti nazivne sekundarne struje Isn u A nazivni teret Zn=Sn/Isn

2 iznosi:

Kod određivanja nazivne snage treba koristiti kataloške podatke trošila, koja će biti priključena na mjerni, odnosno zaštitni sekundarni namot strujnog transformatora. Zaštita mjernih instrumenata: Da bi mjerni aparati, priključeni u krug sekundarnog namota mjerne jezgre, bili što bolje zaštićeni od struja kratkog spoja ili strujnih udara iz mreže, faktor sigurnosti Fs mjerne jezgre mora biti nizak. Na taj način se postiže, da u mjernoj jezgri pri nazivnom teretu Zn u i primarnim strujama većima od Ip=FsIps u A nastaje dovoljno visoko zasićenje, uslijed kojeg se na sekundarnu stranu prenosi umanjena vrijednost strujnih udara s primarne strane.

S obzirom da je umnožak faktora sigurnosti i priključenog prividnog otpora približno konstantan, sekundarni namot mjerne jezgre treba po mogućnosti teretiti impedancijom koja je približno jednaka nazivnoj impedanciji Zn u . Ako npr. priključimo impedanciju dvostruko manju od nazivne, stvarni faktor sigurnosti će doseći približno dvostruku vrijednost nazivnog faktora sigurnosti Fs. U tom slučaju će priključeni instrumenti biti nedovoljno zaštićeni, jer će zasićenje mjerne jezgre nastupiti kod znatno višeg iznosa primarne struje. Ako je ukupna impedancija trošila i dovoda bitno manja od nazivnog tereta, u sekundarni krug treba uključiti dodatne otpore. Nasuprot tome, od zaštitnih jezgara zahtijeva se i u nadstrujnom području stanovita točnost transformacije, pa se granični faktori točnosti Ft već prema vrsti zaštitnih uređaja, kreću uglavnom od 10 do 30. Način označavanja omjera transformacije:

- oznaka 2x300/5/1 A znači, da se radi o primarno prespojivom strujnom transformatoru (za nazivnu primarnu struju 300 A ili 600 A) s dvije jezgre, od kojih namot prve jezgre ima nazivnu sekundarnu struju 5 A, a namot druge jezgre 1 A;

- oznaka 2000/5 A označava neprespojivi strujni transformator s jednom jezgrom. Važno za pogon Na primarno priključenom strujnom transformatoru sekundarni namot treba uvijek bili zatvoren ili preko trošila ili kratko spojen. Na otvorenom sekundarnom namotu se mogu pojaviti po život opasni naponi, a može doći i do oštećenja transformatora uslijed zagrijavanja jezgre. U sekundarni krug strujnog transformatora ne ugrađuju se osigurači. Metalne dijelove strujnog transformatora, koji nisu u normalnom radu pod naponom, treba uzemljiti, a uzemljuje se i jedna stezaljka sekundarnog namota (obično s1, a kod transformatora s više jezgara stezaljke 1s1, 2s1, itd.). Uzemljivanje sekundarnog kruga kod niskonaponskih strujnih transformatora nije neophodno.

Slika 1.1. Izvedba strujnih transformatora

Nove oznake primarnih stezaljki su P1 (umjesto K) i P2 (umjesto L), a sekundarnih s1 (umjesto k) i s2 (umjesto l).

1.3. Naponski transformatori Induktivni naponski transformatori Dvopolno izolirani jednofazni naponski transformator ima primarni namot i oba primarna priključka izolirana prema zemlji, u skladu s nazivnim stupnjem izolacije transformatora. Primarni namot se priključuje na mrežu između dva fazna vodiča. Jednopolno izolirani jednofazni naponski transformator ima samo jedan kraj primarnog namota izoliran za nazivni stupanj izolacije. Primarni namot se priključuje između jedne faze i zemlje. Kapacitivni naponski transformatori Osim induktivnih naponskih transformatora, u mrežama nazivnog napona od 110 kV na više često se primjenjuju kapacitivni naponski transformatori, koji se ujedno koriste i za priključak visokofrekventnih uređaja. Važniji pojmovi i karakteristike Nazivni omjer transformacije kn je omjer između nazivnog primarnog napona Upn u V i nazivnog sekundarnog napona Usn u V. Naponska pogreška pu je pogreška koju transformator unosi u mjerenje napona. Izražava se u postocima primarnog napona prema izrazu:

%100

p

psn

uU

UUkp (1.3)

kn - nazivni omjer transformacije, Up - efektivna vrijednost primarnog napona u V, Us - efektivna vrijednost sekundarnog napona u V. Fazna pogreška u je fazna razlika između vektora sekundarnog i vektora primarnog napona. Izražava se u minutama. Nazivna snaga je prividna snaga Sn u VA uz propisani faktor snage, koju transformator daje sekundarnom krugu pri nazivnom sekundarnom naponu i nazivnom teretu. Teret je prividna vodljivost sekundarnog kruga Y izražena u siemensima uz naznaku faktora snage (induktivni ili kapacitivni).

2sn

nnU

SY (1.4)

pri čemu su Yn u S, Sn u VA i Usn u V. Nazivni faktor napona Vf je faktor kojim treba množiti nazivni primarni napon rani određivanja najvišeg napona, pri kojemu transformator mora zadovoljavati propisane zahtjeve u pogledu zagrijavanja kroz propisano trajanje, kao i zahtjeve u pogledu točnosti. Nazivni faktor napona i nazivno trajanje ovise o načinu uzemljenja mreže i načinu priključivanja primarnog namota na mrežu. Standardne kombinacije nazivnog faktora napona i nazivnog trajanja su: 1.2/trajno; 1.5/30 s; 1.9/30s; 1.9/8 h.

Klase točnosti Naponski transformator za mjerenje zadovoljava uvjete klase točnosti, ako su njegove naponske i fazne pogreške pri naponima između 80% i 120% nazivnog napona i uz terete između 25% i 100% nazivnog tereta s induktivnim faktorom snage 0,8 unutar granica prema tablici 1.3.

Tablica 1.3. Klase točnosti NT za mjerenje

Za izbor klase točnosti, u svrhu mjerenja, mogu poslužiti orijentacijski podaci iz tablice 1.5. Naponski transformator za zaštitu zadovoljava uvjete klase točnosti, ako su mu naponska i fazna pogreška unutar granica prema tablici 1.4 za vrijednosti primarnog napona 0,05UpnUpVfUpn, uz terete između 25% i 100% nazivnog tereta s induktivnim faktorom snage 0,8.

Tablica 1.4. Klase točnosti NT za zaštitu

Ako naponski transformator ima dva sekundarna namota, na natpisnoj pločici transformatora naznačena je za svaki sekundarni namot pripadna klasa i nazivna snaga. Standardne vrijednosti sekundarnih napona su za dvopolno izolirane transformatore 100 V (i 200 V za prostrane sekundarne krugove), a za jednopolno izolirane transformatore 100/3 V (odnosno 200/3 V). Za dojavu zemljospoja može se u jednopolno izolirane transformatore ugraditi pomoćni sekundarni namot (oznake stezaljki e - n) nazivnog napona 100/3 V (odnosno 200/3 V), koji se zajedno s takvim namotima iz transformatora u ostalim dvjema fazama povezu u otvoreni trokut. Napon na otvorenom trokutnom namotu u normalnom pogonu je neznatan, a u slučaju zemnog spoja jedne faze naraste na 100 V (odnosno 200 V) i signalizira zemljospoj. Za napajanje naponskih krugova dvosistemskih vatmetara i brojila mogu poslužiti 2 dvopolno izolirana jednofazna naponska transformatora u spoju ,,V" no u slučaju zemljospoja na krajnjim fazama (L1 i L3) mjerenje je netočno. Točno mjerenje snage dobiva se trosistemskim vatmetrima uz primjenu 3 jednopolno izolirana naponska transformatora, bez obzira na eventualni nastanak zemljospoja u bilo kojoj fazi. Način označavanja omjera transformacije (za naponske transformatore u mreži nazivnog napona npr. 10000 V):

- za dvopolno izolirani transformator 10000/100 V - za jednopolno izolirani transformator 10000/3 / 100/3 / 100/3 V. - (ovaj jednopolno izolirani naponski transformator ima dva sekundarna namota, a jedan od njih

je namot za otvoreni trokut). Važno za pogon Sekundarni krug naponskog transformatora ne smije se (za razliku od strujnih transformatora) nikada kratko spojiti zbog opasnosti od oštećenja transformatora. Primarni namot se priključuje u pravilu preko osigurača. Ako mjesto priključivanja naponskog transformatora već leži u području neke zaštite (npr. na odvodu iza prekidača), onda se izuzetno mogu izostaviti osigurači na primarnoj strani. Naime, visokonaponski osigurači nisu predviđeni kao zaštita naponskih transformatora, nego štite postrojenje od eventualnog kvara u samom transformatoru ili iza njega. Kod naponskog transformatora, na kojemu je priključen automatski regulator napona generatora, nije preporučljivo osiguravati ni primarni niti sekundarni namot. Inače se sekundarni vodovi uvijek osiguravaju, izuzev onih koji su uzemljeni. Metalne dijelove naponskog transformatora, koji u normalnom radu nisu pod naponom, treba uzemljiti. Kod dvopolno izoliranih naponskih transformatora uzemIjuje se jedna stezaljka sekundarnog namota (obično stezaljka v), a kod jednopolno izoliranih transformatora uzemljuje se sekundarna stezaljka x i primarna stezaljka X (neizolirani izvod primarnog namota). Izvedbe i sheme s oznakama stezaljki: Dvopolno izolirani naponski transformatori . .

Slika 1.2. Izvedbe i sheme spoja NT

Nove oznake primarnih stezaljki su A (umjesto U) i N (umjesto X), sekundarnih a (umjesto u) i n (umjesto x).

Kapacitivni naponski transformator

Slika 1.3. Shema kapacitivnog naponskog transformatora

Tablica 1.5 Primjena mjernih transformatora

1.4. Izbor mjernih transformatora

1.4.1. Strujni mjerni transformatori u poljima

U poljima se ugrađuju strujni mjerni transformatori s četiri jezgre od kojih se jedna koristi za mjerenje, a tri za zaštitu. Transformatori su slijedećih karakteristika: - Najviši pogonski napon: 123 kV - Nazivna frekvencija: 50 Hz Nazivna kratkotrajna struja: 40/100 kA

Tablica 1.6. Podaci strujnih mjernih transformatora

Oznaka I jezgra II jezgra III jezgra IV jezgra Nazivna primarna struja Ipn (A) X* X* X* X* Nazivna sekundarna struja

Isn (A) 1 1 1 1

Klasa točnosti kl. 0.2S 0.2S 5P20 TPX Prošireni mjerni opseg ext. (%) 120 120 - - Nazivna trajna termička struja

Ith (A) 1.2xIn 1.2xIn 1.2xIn 1.2xIn

Faktor sigurnosti Fs 10 10 - - Nazivna snaga Sn (VA) 5 15 30 5

X*- za pojedina polja su različite struje (vidi u shemu u prilogu) Mehanička prijelomna sila: statička 3000N, dinamička 3500N. Primarna strana strujnog transformatora nije jednoznačno određena za cijelo rasklopište, već se razlikuje po poljima. U shemi u prilogu dane su vrijednosti primarnih struja pojedinih polja. Proračun za odabir strujnih transformatora je napravljen prema karakterističnim poljima i zaštitama. Polje =E20 – odabran je strujni mjerni transformator slijedećih karakteristika: - prijenosni omjer: 600/1/1/1/1 1. jezgra: 5 VA, kl.0,2S; Fs10 - 2. jezgra: 15 VA, kl.0,2S; Fs10 - 3. jezgra: 30 VA, 5P30 - 4. jezgra: 5VA, TPX, 5 Opterećenje 1. jezgre: Na prvu jezgru priključuje se brojilo, za pogonsko mjerenje, odnosno za naš slučaj jedinica polja, pomoću kabela presjeka 2,5 mm2. Potrošak kabela računa se prema formuli: Pk=I2*R (1.5) gdje su: I – struja koja teče kroz kabel u A (1 ili 5 A) R – otpor kabela u I=1A

L=2*120 m=240 m A=2,5 mm2 R = 7,28 /km * 0,240 km = 1,747 Pk = 1,747 VA Pu - potrošak upravljačke jedinice je 0,2 VA Ukupan potrošak je: P = Pk + Pu = 1,747 + 0,2 = 1,947 VA < 5 VA (1.6) Klasa je odabrana obzirom na vrstu mjerenja u pojedinom polju. Za polja =E2, =E3, =E20 odabrana je klasa 0,2S obzirom da je u tim poljima potrebno vršiti obračunska mjerenja. Opterećenje 2. jezgre: Na drugu jezgru priključuje se distantna zaštita kabela/voda pomoću kabela presjeka 2,5 mm2. Potrošak kabela računa se prema formuli (1.5) I – struja koja teče kroz kabel u A (1 ili 5 A) R – otpor kabela u I=1A L=2*120 m=240 m A=2,5 mm2 R = 7,28 /km * 0,240 km = 1,747 Pk = 1,747 VA Pdis - potrošak upravljačke jedinice je 0,2 VA Pa - potrošak ampermetra 3 VA Ukupan potrošak je: P = Pk + Pdis + Pa = 1,747 + 0,2 +3 = 4,947 VA < 15 VA Opterećenje 3. jezgre: Na treću jezgru priključuje se diferencijalna zaštita voda pomoću kabela presjeka 2,5 mm2. Potrošak kabela računa se prema formuli (1.5). I – struja koja teče kroz kabel u A (1 ili 5 A) R – otpor kabela u I=1A L=2*120 m=240 m A=2,5 mm2 R = 7,28 /km * 0,240 km = 1,747 Pk = 1,747 VA Pdif - potrošak diferencijalne zaštite je 0,05 VA Ukupan potrošak je: P = Pk + Pdif = 1,747 + 0,05 = 1,797 VA < 30 VA Opterećenje 4. jezgre: Na četvrtu jezgru priključuje se jedinica zaštite sabirnica, zaštita od zatajenja prekidača i nadzor isklopa pomoću kabela presjeka 2,5 mm2. Potrošak kabela računa se prema formuli (1.5). I – struja koja teče kroz kabel u A (1 ili 5 A)

R – otpor kabela u I=1A L=2*120 m=240 m A=2,5 mm2 R = 7,28 /km * 0,240 km = 1,747 Pk = 1,747 VA Psab - potrošak zaštite sabirnica je 0,1 VA Ukupan potrošak je: P = Pk + Psab = 1,747 + 0,1 = 1,847 VA < 5 VA

1.4.2. Naponski mjerni transformator

Ugrađuju se induktivni naponski mjerni transformatori i to u sva dalekovodna polja trofazno, a u mjerna jednofazno. Oni imaju slijedeće karakteristike: Najviši pogonski napon: 123 kV Nazivna frekvencija: 50 Hz Broj jezgri: 2 Prijenosni odnos jezgri: I jezgra: 110/3/0,1/3 kV; 10 VA; kl. 0,2 II jezgra: 110/3/0,1/3 kV; 50 VA; kl. 0,5/3 P Mehanička prijelomna sila priključka: statički 2000 N, dinamički 3000 N Na 1. jezgru priključena su brojila koja imaju potrošak 1,3 VA < 10 VA Na 2. jezgru priključeni su: voltmetar: Pv= 5 VA upravljačka jedinica Pu= 0,2 VA Ukupan potrošak je: P = Pv + Pu = 5 + 0,2 = 5,2 VA < 10 VA Kod priključka brojila bitan je pad napona u priključnom vodu naponske grane koji ne smije biti iznad 0,05%, pa se one spajaju sa 5x2,5 mm2. u%= 0,5372*l*P/A= 0,5372 * 140 m * 0,0013 kW / 2,5 mm2 = 0,039 % < 0,05 % 0,039 % < 0,05 %

Slika 1.4. Jednopolna shema 110 kV postrojenja TE-TO Zagreb

Slika 1.5. Jednopolna shema 110 kV polja =E20