CONVERTER TRANSFORMERS FOR REFURBISHMENT OF SLOVENIAN RAILWAYS

12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015CIGRÉ ŠK A2-01

USMERNIŠKI TRANSFORMATORJI ZA OBNOVO SLOVENSKIH ŽELEZNIC

JUSO IKANOVIĆ, IGOR LUGARIČKolektor Etra d. o. o.

[email protected] , [email protected]

Povzetek: V članku je podan pregled pomembnejših tehničnih karakteristik usmerniških transformatorjev, ki smo jih izdelali v okviru projektov obnove in modernizacije Slovenskih železnic v obdobju 19932014. Transformatorji obratujejo v napajalnih postajah: Sava, Črnotiče, Divača, Dekani in sedaj pripravljeni za pogon v večjih postajah na progi Pragersko- Hodoš. Opisane so glavne posebnosti v zahtevah tovrstnih pogonov; faktor sklopa, kot geometrična lastnost nizkonapetostnih navitij z različnim številom medsebojnih prepletov, termične obremenitve z vidika tokovnih cikličnih preobremenitev in zaščita napajalne usmerniške strani proti prenesenim prenapetostim iz omrežja. V omenjenih projektih je prvič izveden aksialni križni prehod vodnikov med navitjema zvezde in trikota, nujna tehnološka novost, s katero smo izpolnili zelo stroge kriterije glede magnetne povezave med nizkonapetostnima navitjema. Na podlagi rezultatov tipskega segrevanja transformatorja je izdelan termični profil v obremenilnem razredu VI. Med navitij je vgrajen ozemljitveni zaslon in z eksperimentalnimi meritvami je bila preverjena učinkovitost zaslanjanja z in brez zunanje ozemljitve. Nekatere rezultate smo ovrednotili s primerjavami SIST EN standardov na tem področju.

Ključne besede: Usmerniški transformator, faktor sklopa, križno navitje, ozemljitveni zaslon, termični profil

CONVERTER TRANSFORMERS FOR REFURBISHMENT OF SLOVENIAN RAILWAYS

Abstract: The paper contains an overview of the most significant technical characteristics of converter transformers manufactured for modernization of Slovenian railways between years 1993 and 2014. Transformers are in service in the following power stations: Sava, Črnotiče, Divača, Dekani, and will be soon installed into all major stations on the Pragersko- Hodoš railway line. The main features and characteristics of this type of traction drives are described; the coupling factor as a geometric property of low voltage windings with different numbers of mutual axial crossings, the thermal loading as a consequence of cyclic overload and protection of the converter from transferred overvoltages from the network. The referenced projects include the first application of axial winding crossing, a technical innovation resolving the strict magnetic coupling requirement of low voltage windings. On the basis of the results of the type heat run test, a thermal profile was made corresponding to class VI overloading cycle. Between the high and low voltage windings an earthed screen was incorporated and the efficiency of the shielding with and without earthed was tested. The results were compared with the requirements of the SIST EN standards.

Keywords: Converter Transformer, Coupling factor, Aaxial winding crossing, Eearthed screen, Thermal profile

1

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]


UVOD

Usmerniški transformatorji za napajanje železniške enosmerne vleke sodijo v skupino specialnih transformatorjev, ki jih obravnavajo za to področje posebej izdelani standardi; [1], [2], [3]. Za železniško vleko v Sloveniji je v uporabi enosmerna sistemska napetost 3000 V. Napetost ob progi ohranjajo z večjimi energetskimi napajalnimi postajami (ENP), v katerih se opravi transformacija napetosti in napajanje usmernikov za konverzijo izmenične napetosti v enosmerno. V uporabi so dvanajst pulzni diodni usmerniki, vezani vzporedno ali zaporedno. Razvoj usmerniških transformatorjev se je v tovarni začel leta 1993, ko je bil izdelan prvi transformator za napajalno postajo ENP Sava. Iz preglednice v tabeli 1 je razvidno, da ta transformator napaja mostni tip usmernika v vzporedni vezavi s sesalno dušilko, vezava št. 9 [2], [3]. Kasnejši transformatorji so bili izdelani za serijsko mostno vezavo in sicer vezavo št. 12. V preglednici (Tabela 1) so podane osnovne tehnične karakteristike usmerniških transformatorjev po posameznih napajalnih postajah. Projekt obnove je zajemal napajalne postaje: Sava, Črnotiče, Dekani in Divača in je, z vidika dobave transformatorjev, zaključen projekt. Modernizacija železnice na odseku Pragersko– Hodoš je v teku gradnje, vključuje pet napajalnih postaj in deset enakih usmerniških transformatorjev (ENP: Ptuj, Pavlovci, Ljutomer, M. Sobota, Gornji Petrovci).Pri izračunu in načrtovanju transformatorja, se projektanti vselej želimo približati tako imenovani optimalni konstrukciji. Običajno se pot začne z numeričnimi izračuni, ki določajo transformator glede na stroške vgrajenih materialov. Pri projektiranju specialnih transformatorjev je pot h končni rešitvi podobna, vendar se mora pogosto uporabiti druga rešitev, ki je odvisna od tehnoloških in izvedbenih omejitev ter faktorja varnosti zaradi obratovalnih pogojev in okoliščin v katerih bo transformator deloval. Pri tovrstnih projektih se pogosto ukvarjamo s pojmom izvedljivosti rešitev in ne z optimizacijo v njenem klasičnem pomenu.

Objekt:ENPSava

ENPČrnotiče

ENPDekani, Divača

ENPPragersko- Hodoš

Tip transformatorja UNT 3650 UNT 5460 URT 7272 URT 3636Postavitev ZunanjaIzolacijsko sredstvo Mineralno oljeŠtevilo faz 3Nazivna frekvenca Hz 50Način hlajenja ONANNajvišja temperatura okolice °C 40Nazivna moč kVA 3650/2 x 1890 5460/2 x 2830 7272/2x3770/50 3636/2x1885Preobremenitve razred VINazivna napetost kV 35(20,2)/2x2,67 20/2 x 1,335 114/2x1,332/0,4 21/2x1,332Najvišje obratovalne napetosti kV 36/7,2 24/7,2 123/7,2 24/4,8Stopnja izolacije LI / ACVN navitje kV 170/70 125/50 550/230 125/50NN navitje kV 40/20 40/18,5Vezalna skupina Yy0d11(Dy1d0) Dy11d0 Yy0d11+ syn0* Dy11d0

Regulacija napetosti brez napetosti brez napetosti pod obremenitvijo

pod obremenitvijo

± 4 x 2,5 % +1/ - 3 x 2,5 % ± 8 x 1,25 % ± 4 x 2,5 %Najvišji segretki: olja/navitij K 60/65Kratkostična napetost VN/NN % 8,3 8,9 10,8 6,2Mase: Olja/Skupna t 2,3 / 12 2,9 / 14,5 10,5 / 31 3,2 / 13,5* Vgrajeno navitje za napajanje lastne rabe 50 kVA- 400 V

Tabela 1: Pregled tehničnih karakteristik usmerniških transformatorjev

2


I. GLAVNE ZAHTEVE IN OMEJITVE

Usmerniški transformatorji za električno enosmerno vleko, obravnavani v tem članku, spadajo v skupino specialnih transformatorjev z vrsto posebnosti in zahtev. V obravnavi se bomo omejili na faktor sklopa, toplotne obremenitve pri cikličnih tokovnih preobremenitvah, tolerančne omejitve in zaščito usmerniške strani od prenesenih prenapetosti.

I.1 Faktor sklopa usmerniškega transformatorja

Razmerje nadomestnih razsipnih reaktanc ali faktor sklopa po zahtevah standarda [4] mora biti K > 0,9. Faktor sklopa določamo iz nadomestnega vezja za običajen trinavitni transformator po sliki 1;

K=X p

X p+ X s, (1)

Slika 1: Nadomestno vezje usmerniškega transformatorja

kjer je:

X p=X ps1+ X ps2−X s1 s2

2 ; X s 1=

X ps1−X ps 2+ X s1 s2

2≅ X s; X s 2=

X ps 2−X ps 1+ X s 1 s 2

2≅ X s

(2)

Nadomestne razsipane reaktance so fiktivne računske vrednosti brez pravega fizikalnega pomena, a so kljub temu dobra podlaga pri analizah različnih stanj v električnih omrežjih. Enako velja za izračun faktorja sklopa, ki ga določamo prav iz razmerja nadomestnih razsipnih reaktanc. Analize usmerniških pogonov so pokazale, da ima razmerje K pomemben vpliv na različna obratovalna stanja transformatorja [4]. Izmed pomembnejših je zunanja karakteristika transformatorja. Značilno obratovalno stanje nastopi, ko je eno nizkonapetostno navitje v prostem teku, drugo pa polno obremenjeno. Višje kot je razmerje K, manjše so razlike med napetostmi na sekundarni strani. Nadomestno vezje usmerniškega transformatorja je zaradi obratovalnih zahtev usmerniških pogonov specifično.Zaradi dobre geometrične simetrije križnega navitja je razlika med razsipnima reaktancama Xps1 in Xps2 glede na njihovo srednjo aritmetično vrednost zelo majhna, saj se giblje v mejah 1 % vrednosti kar omogoča, da se nadomestna reaktanca sekundarnega navitja Xs izračuna preprosto:

3

K=1

K=X p

X p+ X s

ps1, s2

US1 = US2 = US Up

Xp

UpUS2

US1 p

s2

s1

Xs2= Xs

Xs1= XsXp

s1

s2

a)

s1

s2b)

s1

s2

c)

s1

s2d)


X s 1=X s2=X s=X s 1 s 2

2, (Xps1= Xps2). (3)

Faktor sklopa usmerniškega transformatorja (K) je odvisen od popolnosti magnetnega sklopa nizkonapetostnih navitij. Boljšo predstavo o popolnosti sklopa med navitjema s1 in s2 podaja njuna reaktanca razsipanja v odstotkih, ki je v projektantski praksi znana in enostavno določljiva. Pri naravnih konstrukcijah je vedno izpolnjen pogoj Xs1s2 > 0.V praksi se problem nizkih razsipanj rešuje z delitvijo navitij na posamezne sekcije, obe navitji razdelimo na večje število sekcij ter ustvarimo možnosti za čim pogostejšo izmenjavo zasedenih prostorov [8]. Vrednost razsipanja med nizkonapetostnima navitjema, ki smo ga dosegli z uvedbo šestih delitev in treh križanj po sliki 2d, je znašala Xs1s2 = 0,7 % (ENP Dekani, ENP Divača). Pri tako nizkih vrednostih razsipanja je že vpliv vezi in povezav med navitji in sekcijami lahko škodljiv. V ta namen smo že pri navijanju navitij na navijalnem stroju izvedli večkratno obračanje navitij. Postopek obračanja se izvede po vsakem prehodu, s čimer smo dosegli najkrajše možne povezave s sekcijami in posledično zmanjšali vpliv vezi na skupno razsipanje. Križni prehod med sekcijama je neprekinjen (slika 3).Nizkonapetostne povezave imajo precejšen presek in so dimenzionirane za tok enega kilo ampera in več. Krajše povezave med sekcijami so pripomogle k zmanjšanju izgub v navitjih in kratkostičnih izgub transformatorja.

Slika 2: Križno navitje z enim (b), z dvema (c) in s tremi križanji (d)

4


Slika 3: NN navitje na navijalnem stroju, aksialni križni prehod (desno)

I.2 Odstopanja

Dovoljeno odstopanje kratkostične napetosti med pari navitji s1-p in s2-p glede na njihovo aritmetično srednjo vrednost ne sme preseči tolerančnih meja ±1,5 %. Za primerjavo: dovoljena odstopanja kratkostičnih napetosti za energetske transformatorje znašajo od ±7,5 % do ±10 %. Iz te zahteve lahko sklepamo, da se pri usmerniških enotah pričakuje zelo stroga simetrija obeh vzporednih vej, kar je povezano s stabilnostjo v obratovanju usmernika in transformatorja. Izračuni in končne meritve so pokazali odstopanja kratkostičnih napetosti v razponu ±1 % in manj. Konstrukcija nizkonapetostnih navitji v križni izvedbi zagotavlja skoraj popolno geometrično simetrijo obeh nizkonapetostnih vej do napajalnega vira.

I.3 Kratkostična napetost

Kratkostična napetost med nizkonapetostnima navitjema s1 in s2 ne sme preseči vrednosti 2 %. Zahteva se sicer zdi precej enostavna, vendar, če upoštevamo, da je lahko že ohmska komponenta kratkostične napetosti 1 % in več, ostane za induktivno komponento na voljo le še 1,7 %. Pri transformatorjih z velikimi izgubami se razmere še dodatno poslabšajo. Da bi dosegli zahteve, je bilo potrebno razviti nov način navijanja navitij z nizko stopnjo razsipanja. Hkrati je bilo treba doseči geometrijsko simetrijo obeh nizkonapetostnih navitij do visokonapetostnega navitja. Izvedba 2a je brez prepleta navitij in je tukaj podana kot simbolna izvedba, najpreprostejša, a z najslabšim sklopom reda 0,1. Z enim prepletom navitij zvezde in trikota (slika 2b), zahtevanih pogojev prav tako ni mogoče izpolniti. Če upoštevamo, da sta nizkonapetostni navitji različnih vezav, eno mora biti vezano v zvezdo drugo pa v trikot, je medsebojni preplet zelo težaven, včasih celo neizvedljiv. Različno število ovojev v nizkonapetostnih navitjih ter njihova delitev na štiri ali celo šest sekcij pri nizkem številu ovojev pomeni resno izvedbeno omejitev zlasti pri transformatorjih večjih moči, kjer se število ovojev z večanjem moči manjša. Dodatne težave povzroča še notranja izolacija, kjer je treba vse sekcije med seboj izolirati za polno preizkusno napetost.V tabeli 2 so podani rezultati meritev pomembnejših parametrov za vezavo s slike 2d. Doseženi rezultati so primerjani z zahtevami SIST EN [2]. Vsi tukaj uporabljeni podatki so povzeti iz rezultatov zaključnih meritev projekta ENP Dekani in ENP Pragersko- Hodoš.

Zahteva [4] Merjeno (Dekani) Merjeno (Pragersko- Hodoš)

K > 0,9 K = 0,967 K = 0,957

ukps = ± 1,5 % ukps= ± 0,2 % ukps= ± 1,0 %

uks1s2 2 % uks1s2= 1,2 % uks1s2= 0,9 %

Tabela 2: Primerjava merjenih rezultatov z zahtevami

5


II. TERMIČNI PROFIL

Temperatura v navitju vpliva na življenjsko dobo transformatorja, če jo želimo določiti projektant mora upoštevati vse zahteve pogona. Največje zanimanje s strani uporabnikov je za t.i. najtoplejšo točko v navitju. Usmerniški transformator za železnico, ima drugačne pričakovane pogonske obremenitve kot močnostni transformator, ki obratuje v razdelilnih omrežjih. Značilni so tudi višji harmoniki, ki spremljajo usmerniške pogone in povzročajo dodatne izgube v navitjih [2]. Možne dinamike pogona transformatorjev za vleko določa SIST EN standard [2] (Annex A). Vsi usmerniški transformatorji so projektirani za obratovalni režim razreda VI v skladu z zahtevami Slovenskih železnic z dovoljeno obremenitvijo; 150 % (čas trajanja 120 min.) in 300 % (čas trajanja 1 min). Segrevanje transformatorja skupaj z usmernikom in simulacija obratovalnega razreda VI v praksi ni izvedljiva. Standardi opisujejo več različnih postopkov segrevanja, vsi so kombinacija meritev in izračunov in vsi poskušajo zajeti vpliv višjih harmonikov in specifiko različnih obratovalnih režimov. Pri transformatorjih, ki so namenjeni za železniški odsek Pragersko-Hodoš, smo opravili tipski preizkus segrevanja v skladu s standardom IEC [6]. Rezultati preizkusa segrevanja so bili podlaga za izračun temperature najtoplejše točke v najbolj neugodnem delu bremenilnega cikla. Pri tem smo za izračun koristili enačbe in priporočila standarda IEC [4] (Annex A) za ciklične obremenitve in zahtevani obremenilni profil VI. Transformator smo segrevali z maksimalnimi izgubami, ki nastopijo pri obratovanju transformatorja z usmernikom pri nazivni moči. Izgube so izračunane po empirični enačbi podani v standardu [3] (Table 2 za serijsko vezavo usmernika 12) na podlagi rezultatov meritev izgub med posameznimi pari navitij v treh možnih kombinacijah obremenitev. Na ta način je simulirano termično breme v obratovalnem režimu transformatorja in usmernika in najbolj neugodni obratovalni pogoji. Kot je razvidno iz slike 4, nastopi največja izračunana temperatura po izteku cikla s 150 % bremenom in znaša 107 °C. Najvišja dovoljena temperatura na papirni izolaciji termičnega razreda A, pri temperaturi okolice 40 °C, znaša 118 °C. Razlika med dovoljeno in merjeno temperaturo 11 K je termična rezerva primerna za tovrstne pogone, ki imajo običajno višjo stopnjo izgube življenjske dobe.

0 min 50 min 100 min 150 min 200 min 250 min 300 min 350 min0 %

50 %

100 %

150 %

200 %

250 %

300 %

350 %

0 ° C

20 ° C

40 ° C

60 ° C

80 ° C

100 ° C

120 ° CBazni tok Temp. najtoplejše točke

Slika 4: Termični profil transformatorjev Pragersko- Hodoš

III. PRENESENE PRENAPETOSTI

6


Usmerniška tehnika je občutljiva na prenapetosti, ki se iz omrežja lahko prenesejo preko transformatorja na napajalno usmerniško stran. To pokaže preprosta relacija za približen izračun kapacitivno prenesene napetosti (uLC) med dvema navitjema brez vgrajenega zaslona [7].

uLC=CHL

CHL+C LCU H , (4)

kjer CHL predstavlja kapacitivnost med navitji VN- NN, CLC je kapacitivnost med jedrom in NN navitjem, napetost UH je preizkusna udarna napetost visokonapetostnega navitja. Razmerje kapacitivnosti po tej enačbi predstavlja relativni delež prenesene udarne napetosti. Tipične vrednosti v odstotkih preizkusne udarne napetosti znašajo 30 % in več. Največji vpliv na preneseno napetost ima izolacijski nivo visokonapetostne strani (UH), čim je višja preizkusna udarna napetost napajalne visokonapetostne strani transformatorja višja je prenesena napetost na usmerniško stran. Če znaša nazivna napajalna napetost transformatorja 20 kV pri ustrezni preizkusni udarni napetosti 125 kV (LI), se na usmerniško stran prenese prenapetost reda 37,5 kV (LI), kar je zelo blizu izolacijskemu razredu usmerniške strani (40 kV LI). Pri 110 kV transformatorjih je prenesena prenapetost enaka 170 kV (LI) in je mnogokratnik izolacijskega razreda usmerniške strani. Vgradnja ozemljitvenega zaslona pri 110 kV transformatorjih je bila nujna. Problematiko prenosa prenapetosti v obliki priporočil obravnava IEC standard [2] in sicer obravnava več možnih poti; da se prenesene napetosti preverijo z meritvami na končani konstrukciji, med navitja vgradi zaslon ali vgradijo kondenzatorske baterije na nizkonapetostni strani zunaj transformatorja. V vse usmerniške transformatorje smo vgradili nizko induktivne zaslone, ki preprečujejo kapacitivni prenos prenapetosti na napajalno enosmerno stran. Zaslon je izdelan je iz tenke folije z izolacijo v sendvič izvedbi z enim samim odprtim ovojem [7]. Zaslon je izveden in ozemljen na kotlu transformatorja s posebnim skoznjikom. Z vgradnjo zaslona smo sicer zgubili nekaj prostora v transformatorju in podražili konstrukcijo, a je vendar rešitev z vidika varnosti najboljša saj izključuje preverjanja in dvome kot tudi vse dodatne ukrepe zunaj transformatorja. V razvojne namene smo izgotovljen transformator preizkusili s t.i. repeticijskim generatorjem nizke napetosti 300 V tako, da smo simulirali atmosferski val standardne oblike 1,2/50 µs, pritisnjen v visokonapetostni linijski izvod in na nizkonapetostnem navitju merili preneseno napetost. Preverili smo tudi kakšna je razlika v preneseni napetosti, če je zaslon ozemljen in če zunanje ozemljitve zaslona ni. Ko je bil zaslon ozemljen, je meritev pokazala preneseno napetost 5,3 V (1,8 % udarnega vala) brez ozemljitve pa 6,1 V (2 % udarnega vala). Iz prehodnega pojava je odčitana prva najvišja amplituda prenesene napetosti.Popolnega zaslona ni, prepuščanje napetosti v mejah 2 % gre pripisati izvodom in vezem, ki jih zaslon ne zaslanja, a kljub temu, tudi pri višjih izolacijskih nivojih visokonapetostnega navitja, prenesene napetosti niso prenapetosti in ne predstavljajo resen problem za izolacijo usmernika. Vgradnja dodatnih kondenzatorjev ni bila potrebna. Pomembna je tudi kakovostna ozemljitev zaslona (kot je to običajno za vse ozemljitve) saj smo ugotovili, da se pri ozemljenem zaslonu prenese približno 13 % manj napetosti.

7


-7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

Potek prenesene napetosti uLC

Udarni valzaslon neozemljenzaslon ozemljen

Čas [µs]

Nape

tost

[V]

Slika 5: Prenesena napetost na NN navitje

Slika 6: Usmerniški transformator v postroju (ENP Gornji Petrovci)

IV. ZAKLJUČKI

Pri obnovi in modernizaciji Slovenskih železnic smo izdelali usmerniške transformatorje, ki ustrezajo zahtevam za napajanje usmernikov v dveh različnih vezavah usmernikov 9 in 12. Za dosego zahtevanih karakteristik smo razvili tehnologijo navijanja nizkonapetostnih navitij po postopku večkratnega medsebojnega prepleta z minimalnim številom medsebojnih povezav. Faktor sklopa usmerniškega transformatorja, kot razmerje nadomestnih razsipanih reaktanc, določajo konstrukcijske lastnosti in prostorske razporeditve navitij. Razmerje je pomembna lastnost usmerniškega transformatorja, ki vpliva na stabilno obratovanje usmernika. Določa zunanjo karakteristiko usmernika in delno duši kratkostične toke v sistemu, kar je za usmerniške pogone s pogostimi kratkimi stiki in preobremenitvami pomemben dejavnik [3]. Izboljšan faktor sklopa iz zahtevanih 0,9

8


na 0,967 in 0,957 presega zahteve, določene s standardom SIST EN. Izboljšava zagotavlja transformatorjem stabilnejšo zunanjo karakteristiko usmernika in zmanjšanje kratkostičnih tokov v navitjih in usmerniku.Na enem izmed desetih transformatorjev, vgrajenih na progi Pragersko- Hodoš, smo opravili tipski preizkus segrevanja in na podlagi rezultatov meritev in priporočil veljavnih standardov izdelali termični profil za zahtevan bremenilni režim VI. Izračunana temperatura najtoplejše točke v najbolj neugodnem območju preobremenitev, ne presega s standardom predpisanih vrednosti za termični razred papirne izolacije A. Termični varnostni limit znaša 11 K, kar je zadostna rezerva primerna tovrstnim pogonom. Prenos prenapetosti iz omrežja na napajalno stran usmernika je rešen enotno za vse transformatorje, z vgradnjo ozemljitvenih zaslonov med napajalnimi navitji transformatorja in usmernika. Z izračuni smo potrdili upravičenost vgradnje ter z meritvami preverili učinkovitost zaslanjanja.

REFERENCE

[1] SIST EN 50327, 2003: Railway applications- Fixed instalations-Harmonisation of the rated values for converter groups and tests on converter groups.

[2] SIST EN 50329:2003, Railway applications- Fixed instalations- Traction transformers.[3] SIST EN 146-1-3, 2001: Semiconductor converters.[4] IEC 60076-7, 2005: Loading guide for oil-immersed power transformers.[5] IEC 60076-3, 2013: Insulation levels, dielectric tests and external clearances in air.[6] IEC 60076- 2 , 2011: Temperature rise for liquid- immersed transformer.[7] H.P. Moser/ V. Dahinden:Transformerboard II, Rapperswil 1999.[8] J. Ikanović, Usmerniški transformatorji za Slovenske železnice, Elektrotehniški vestnik 79 (1- 2), 2012.

9

Engineering

CONVERTER TRANSFORMERS FOR REFURBISHMENT OF SLOVENIAN RAILWAYS