Prvky distribučních sítí 03: Transformátory

4.5.2

Prvky distribučních sítí 03: Transformátory

Doc. Ing. Petr Toman, Ph.D. a kolektiv autorů

Transformátor je elektrický netočivý stroj, sloužící k přenosu elektrické energie mezi dvěma (nebo více) obvody střídavého proudu prostřednictvím střídavého magnetického pole. V elektroenergetické soustavě se transformátorů nejčastěji používá pro změny napětí v elektrických sítích, ale někdy se používá i pro galvanické oddělení propojených elektrických obvodů střídavého proudu.

Transformátory lze dělit podle:

• převodu – zvyšovací, snižovací, oddělovací,

• soustavy – jednofázové a vícefázové (obvykle trojfázové),

• chlazení – vzduchové (třída A), olejové (třída O),

• účelu – blokové, vlastní spotřeby, spojovací, průmyslové, distribuční, izolační, trakční.

Transformátor blokový - transformátor je v sérii s alternátorem. Používá se v elektrárnách, které nemají odběr přímo na alternátorovém napětí. Z hlediska počtu vinutí se používají transformátory dvouvinuťové nebo trojvinuťové (2 alternátory připojené na jeden transformátor) a z hlediska konstrukce se používají transformátory třífázové nebo jednofázové (3 jednotky).

Transformátor spojovací - spojuje dvě různé elektrické sítě o rozdílném napětí. Při transformaci vvn/vn se používá transformátorů trojfázových a při spojování soustav vvn transformátorů třífázových, jednofázových (3 jednotky + 1 záložní) nebo autotransformátorů.

Transformátory průmyslové distribuční nebo transformátory vlastní spotřeby napájí vnitřní rozvody objektů. Jsou to transformátory s výstupním napětím vn nebo nn, trojfázové.

Transformátory izolační - mají převod 1:1 a galvanicky oddělují výrobní zdroje od venkovních vedení, čímž je chrání proti atmosférickým přepětím nebo slouží ke snižování zkratových proudů.

Transformátory s příčnou regulací – speciální typ transformátoru, který posouvá fázi napětí. Hlavním přínosem takových transformátorů je ochrana vedení a transformátorů před tepelným přetížením a zlepšení stability přenosové soustavy. Tyto transformátory umožní řídit tok energie mezi jednotlivými sítěmi, u dlouhých souběhů venkovních vedení, nebo u paralelních kabelů. Transformátor posouvající fázi je navíc velmi často tím nejúspornějším řešením pro řízení toku energie.

 NahoruParametry transformátorů

Jmenovitý výkon

Jako jmenovitý výkon se zásadně udává zdánlivý výkon S_n [MVA,(kVA)], který vyjadřuje trvalou zatížitelnost transformátoru. Jmenovitý výkon je zdánlivý výkon, který do transformátoru vstupuje. Na straně výstupního vinutí je hodnota zdánlivého výkonu nižší vlivem ztrát transformátoru. Pro transformátory do 10 MVA doporučuje¹ volit hodnoty jmenovitého výkonu přednostně z řady čísel:

100, 125,160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000.

Nejčastěji používané výkony transformátorů v české přenosové a rozvodné soustavě se vstupním napětím vvn jsou:

• 400/242 kV: 400; 630 [MVA]

• 400/121 kV: 200; 250; 330 [MVA]

• 220/121 kV: 200 MVA (3 x 66 MVA)

• 110/ 23 kV: 10; 16; 25; 40 [MVA]

• 110/6,3 kV: 31,5 [MVA].

Výkony uvedených transformátorů odpovídají spotřebě napájené oblasti se zahrnutím budoucího výhledu rozvoje.

Výkony blokových transformátorů jsou dány výkonem alternátoru a vlastní spotřeby bloku.

Výkony transformátorů vn/vn a vn/nn distribučních a průmyslových jsou určeny výpočtovým zatížením objektu, podrobnější popis výpočtu viz Distribuční sítě nízkého napětí 03: Výpočtové zatížení sítí nn. Výkon běžných transformátorů vn/nn používaných v sítích je omezen na 1250 kVA pro výstupní síť o normalizovaném napětí 400 V a na 1600 kVA pro 500 V. Důvodem tohoto omezení je dimenzování rozváděčů nn s ohledem na účinky zkratových proudů.

Tab. 5.5: Příklad parametrů vybraných transformátorů

Převod transformátoru

Převod transformátoru je dán poměrem závitů vyšší napěťové strany (vstupní) a nižší napěťové strany (výstupní). Označení “vstupní“ a “výstupní“ napětí jsou uvažována tak, že na vstupní straně je definováno napětí z normalizované řady. Ve většině případů transformátorů (výjimkou jsou transformátory blokové) toto označení vyjadřuje i směr toku činného výkonu. Převod je definován napěťovým údajem (ne počty závitů). Na výstupní straně jsou napětí vyšší, než udaná v normalizované řadě. Převod definuje stav naprázdno a je tedy nutné počítat s určitým poklesem napětí na výstupní straně při zatížení.

Distribuční transformátory vvn/vn jsou realizovány jako regulační při zatížení. Na vinutí vyššího napětí jsou vyvedeny odbočky nejčastěji ± 8 x 2 % od střední odpovídající jmenovitému převodu. Číslování odboček se obvykle provádí od nejnižší, odpovídající nejmenšímu počtu závitů vstupního vinutí a tím i nejmenšímu převodu. Číslo 9 má odbočka střední (viz Obr. 5.3). V závislosti na způsobu regulace je dále v technickém popisu regulačního transformátoru uvedeno také maximální zatížení nebo napětí krajních odboček.

Obr. 5.3: Ukázka transformátorového štítku – transformátor 110±8x2%/35/6,3 kV

Distribuční transformátory vn/nn, se řeší jako regulační bez zatížení. Na vstupní vinutí jsou vyvedeny odbočky ± 2 x 2,5 % od střední, případně i ± 5 %. Odbočky je nutné mechanicky přepojit v beznapěťovém stavu transformátoru. Tato regulace slouží k eliminaci úbytků napětí na dlouhých vedeních a ke srovnávání napěťových poměrů za transformátory různě vzdálenými od společného uzlu sítě (rozváděče, rozvodny).

Ztráty transformátoru

Jako každý stroj, má i transformátor ztráty. To znamená, že na vstupní stranu je nutné přivést větší výkon, než je odebírán na straně výstupní. Ztráty v transformátoru jsou:

Ztráty v železe, nazývané také ztráty naprázdno, označované ΔP_Fe nebo ΔP_o. Vznikají stálou změnou magnetického toku a závisí při konstantní frekvenci na velikosti napětí. Protože se napětí mění v poměrně malém rozmezí, jsou tyto ztráty v železe prakticky stálé a nezávisí na zatížení transformátoru. S těmito ztrátami je nutno počítat ať se jedná o transformátor naprázdno nebo zatížený.

Ztráty ve vinutí, nazývané také ztráty nakrátko, označované ΔP_Cu nebo ΔP_k. Vznikají průchodem proudu vinutím a jsou tedy pro jednu fázi rovny R_Cu². Z toho tedy vyplývá, že se zvyšujícím se zatížením se ztráty nakrátko kvadraticky zvyšují.

Napětí nakrátko

Napětí nakrátko U_k je velikost napětí na vstupní straně transformátoru při spojení výstupní strany transformátoru nakrátko, přitom velikost proudu výstupní strany je stejná jako velikost jmenovitého proudu I_n této strany vinutí (viz Obr. 5.4). Hodnota napětí nakrátko se udává v procentech jmenovité hodnoty napětí Un a označuje se u_k. U transformátorů nad 10 MVA je obvykle blízké 10 %, u menších transformátorů je menší než 10 %. Pro náhradní obvod transformátoru se v teorii elektrických strojů obvykle používá "T" článek. Pro většinu úloh v elektroenergetice je tento způsob nevýhodný neboť zavádí do náhradního schématu další uzel. Častěji se proto používá pro náhradní schéma transformátoru "" článek (Obr. 5.4), pro který platí, že R = R_p + R_s a X_σ = X_σp + X_σs.

Obr. 5.4: Zjednodušené náhradní schéma transformátoru nakrátko

V poměrných hodnotách platí rovnost mezi napětím nakrátko a podélnou impedancí transformátoru (při zanedbání proudu příčnou admitancí), viz vztah (5.1):

kde

je poměrná hodnota odporu vinutí transformátoru,

je poměrná hodnota rozptylové reaktance transformátoru.

Proud naprázdno

Obdobně jako předchozí údaj – napětí nakrátko – je i proud naprázdno udáván v procentech a označuje se i₀. Proud naprázdno je velikost proudu procházejícího transformátorem při výstupní straně rozpojené (naprázdno) a při jmenovitém napětí na vstupní straně U1n (viz Obr. 5.5).

Obr. 5.5: Zjednodušené náhradní schéma transformátoru naprázdno

V poměrných hodnotách platí rovnost mezi proudem naprázdno a příčnou admitancí transformátoru (při zanedbání úbytku napětí na podélné impedanci), protože

kde

je poměrná hodnota příčné vodivosti transformátoru,

je poměrná hodnota magnetizační susceptance transformátoru.

Spojení vinutí

Vinutí fází při trojfázové soustavě lze uspořádat do hvězdy, trojúhelníka nebo lomené hvězdy. V těchto uspořádáních se může spojit nezávisle jak vinutí fází vstupních, tak i výstupních.

Při spojení vinutí do hvězdy (vinutí s vyšším napětím má symbol Y, vinutí s nižším napětím y) se spojí konce (k) fází dohromady a vytvoří uzel (nazývá se také nulový, příp.střední bod). Začátky fází (z) se vyvedou ke svorkám - Obr. 5.6.

Obr. 5.6: Spojení vinutí transformátoru do hvězdy

Přednosti spojení vinutí do hvězdy spočívají v:

• hospodárnosti pro vyšší hodnoty napětí,

• možnosti využití nulového (středního) bodu vinutí k jeho přímému uzemnění, nebo uzemnění přes impedanci,

• možnosti umístění odboček vinutí a přepínače odboček u konce vinutí každé fáze (u středního bodu),

• možnosti jednofázového zatížení proudem v nulovém bodě.

Při spojení do trojúhelníku (symboly D,d) se konec jedné fáze spojí se začátkem fáze sousední. Spojky sousedících fází se vyvedou ke svorkám (A ,B, C), viz Obr. 5.7.

Obr. 5.7: Spojení vinutí transformátoru do trojúhelníka

Tento typ vinutí:

• je hospodárnější pro vinutí s nižšími hodnotami napětí a velkými proudy,

• zmenšuje v kombinaci s vinutím do hvězdy netočivou impedanci tohoto vinutí.

Při spojení do lomené hvězdy (symboly Z,z) se vinutí fází skládá ze dvou polovin na různých…