Zapewnienie niezawodności pracy układów elektroenergetycznych wymaga
szczegółowej analizy narażeń eksploatacyjnych wszystkich urządzeń, wśród których transformatory mają szczególne znaczenie. Spośród narażeń eksploatacyjnych, przepięcia mają decydujący wpływ na koordynację izolacji i optymalizację wytrzymałości elektrycznej układów izolacyjnych transformatorów. Rozprawa doktorska obejmuje swym zakresem problematykę narażeń układów izolacyjnych transformatorów i urządzeń połączonych z transformatorami od przepięć przenoszonych przez uzwojenia transformatorów.
Coraz szersze możliwości szczegółowej analizy narażeń przepięciowych układów izolacyjnych umożliwiają znaczny postęp w koordynacji izolacji. Analizy takie wymagają wyznaczania z dużą dokładnością przebiegów przepięć, powstających podczas eksploatacji układów elektroenergetycznych. Analizy obejmują także swym zakresem narażenia od przepięć przenoszonych przez uzwojenia transformatorów. W normach międzynarodowych, dotyczących koordynacji izolacji, zamieszczono metodę obliczeń takich przepięć. Umożliwia ona jednak wyznaczenie tylko przybliżonych wartości maksymalnych przepięć przenoszonych przez transformatory. Nie uwzględnia także zjawisk rezonansowych w uzwojeniach, w wyniku których przepięcia przenoszone mogą być silnie wzmacniane. Niezbędne jest więc doskonalenie metod wyznaczania przepięć przenoszonych przez transformatory i analizy czynników wpływających na ich przebiegi i wartości maksymalne. Obecnie podstawą analiz narażeń przepięciowych w układach elektroenergetycznych są głównie wyniki symulacji, prowadzonych z zastosowaniem zaawansowanych programów komputerowych. Dokładność wyników obliczeń jest zależna przede wszystkim od dokładności modelowania urządzeń elektroenergetycznych w warunkach szybkozmiennych zjawisk przejściowych w sieciach elektrycznych, podczas których powstają przepięcia. Symulacje przepięć przenoszonych wymagają stosowania modeli transformatorów uwzględniających zjawiska przejściowe w uzwojeniach w warunkach oddziaływania szybkozmiennych przepięć powstających w układach elektroenergetycznych. Rozprawa doktorska jest poświęcona modelowaniu transformatorów dla celów symulacji przepięć przenoszonych przez uzwojenia oraz zawiera analizę przepięć przenoszonych na podstawie wyników badań i symulacji komputerowych.
Efektem rozprawy doktorskiej jest:
- opracowanie wysokoczęstotliwościowego modelu transformatorów możliwego do
implementacji w programie Electromagnetic Transients Program-Alternative Transients Program (EMTP-ATP) dla celów symulacji przepięć przenoszonych przez transformatory narażających, uzwojenia i urządzenia pracujące w układach
doświadczalnie i przeprowadzono analizę porównawczą z innymi modelami transformatorów stosowanymi w programie EMTP-ATP,
- analiza przepięć łączeniowych i piorunowych przenoszonych przez
transformatory, narażających układy izolacyjne uzwojeń i urządzeń połączonych z transformatorami, na podstawie wyników symulacji przepięć we fragmencie układu elektroenergetycznego, zamodelowanego w programie EMTP-ATP z zaimplementowanym skonstruowanym modelem wysokoczęstotliwościowym transformatora.
- Opracowano model wysokoczęstotliwościowy transformatorów dla celów symulacji
przepięć przenoszonych. Podstawą modelu są doświadczalne charakterystyki
częstotliwościowe funkcji przenoszenia transformatorów. Do rejestracji charakterystyk częstotliwościowych zastosowano stanowisko pomiarowe, umożliwiające wykonanie pomiarów w szerokim zakresie częstotliwości. Stanowisko zawiera generator funkcji i oscyloskop cyfrowy, połączone z komputerem nadzorującym z zaimplementowanym programem opracowanym w środowisku LabView. Możliwa jest automatyczna rejestracja zależności częstotliwościowych modułu i fazy funkcji przenoszenia transformatorów w zadanym zakresie częstotliwości. Dokładność pomiarów potwierdzono wynikami rejestracji charakterystyk częstotliwościowych admitancji transformatora niskiego napięcia, wykonanymi z zastosowaniem analizatora impedancji typu 1260 firmy Solatron. Stanowisko umożliwia rejestracje charakterystyk częstotliwościowych transformatorów o dowolnych parametrach i liczbie uzwojeń.
- Wykonano badania przepięć o zróżnicowanych przebiegach przenoszonych przez transformatory. Badania obejmowały przepięcia powstające podczas działania udarów napięciowych prostokątnych, modelujących napięcia przejściowe, pojawiające się na zaciskach uzwojeń podczas działania ograniczników przepięć chroniących transformatory.
Rejestrowano także charakterystyki częstotliwościowe przepięć przenoszonych,
umożliwiające analizę reakcji transformatorów na przepięcia zawierające składowe przejściowe o częstotliwościach zawartych w szerokich granicach.
- Porównano opracowany model wysokoczęstotliwościowy transformatorów
z modelami stosowanymi w programie Electromagetic Transients Program-Alternative Transietns Program (EMTP-ATP). Model ma postać układu elektrycznego, zawierającego
elementy RLC, odwzorowującego zależności częstotliwościowe modelowanego
transformatora. Uwzględnia on zjawiska zależne od częstotliwości w transformatorach, decydujące o przebiegach przepięć przenoszonych przez transformatory. Szczegółowo przedstawiono metodę określania struktury układu i parametrów jego elementów. Podstawą analizy porównawczej są wyniki symulacji przepięć przenoszonych przez transformator rozdzielczy, powstających podczas działania przepięć o zróżnicowanych przebiegach, wykonanych przy zastosowaniu modelu wysokoczęstotliwościowego, modeli: BCTRAN,
SATURABLE i HYBRID istniejących w programie EMTP-ATP, oraz wyników badań. Analiza
potwierdziła, że przepięcia przenoszone przez transformatory, są modelowane z największą dokładnością z zastosowaniem modelu wysokoczęstotliwościowego.
- Przeprowadzono ocenę wpływu urządzeń elektroenergetycznych, pracujących na różnych poziomach napięć połączonych z transformatorami, na przepięcia przenoszone przez
uzwojenia transformatora, na podstawie wyników symulacji modelu
wysokoczęstotliwościowego, połączonego z liniami zasilającymi oraz zasilający linie kablową o różnych długościach.
- Opracowano w programie EMTP - ATP kompleksowy model fragmentu układu elektroenergetycznego 15/0,4 kV, zawierającego transformator rozdzielczy, linie kablowe i napowietrzne średniego i niskiego napięcia. Zastosowano w tym celu modele matematyczne linii, ograniczników przepięć oraz model wysokoczęstotliwościowy transformatorów. Wykonano symulacje przepięć łączeniowych i piorunowych przenoszonych przez transformator pracujący w typowym fragmencie układu elektroenergetycznego w różnych warunkach pracy transformatora.
Wyniki symulacji potwierdzają, iż przepięcia przenoszone przez transformatory zależą od przebiegów i wartości przepięć powstających w układach elektroenergetycznych oraz zjawisk przejściowych w sieciach determinowanych przez układ połączeń i parametry urządzeń elektrycznych. Przepięcia łączeniowe przenoszone przez transformatory są zależne od długości linii połączonych z transformatorami. Dla niektórych długości linii wartości przepięć przenoszonych są silnie wzmacniane w wyniku reakcji między transformatorem a układem elektrycznym zewnętrznym. Przepięcia przenoszone przez transformatory połączone z liniami elektroenergetycznymi osiągają największe wartości dla linii o takich długościach, dla których częstotliwość drgań napięcia powstającego w wyniku wielokrotnych odbić fali od zacisków transformatora, pojawiającego się w linii zasilającej, jest równa częstotliwości rezonansowej układu transformator - linia zasilana. W takich warunkach wzrastają wartości szczytowe przepięć przenoszonych doziemnych na zaciskach transformatora oraz na końcach zasilanych linii elektroenergetycznych. Wpływ długości linii połączonych z transformatorami na wartości maksymalne przepięć potwierdziły także wyniki symulacji przepięć przenoszonych piorunowych.
Przeprowadzona analiza przepięć przenoszonych przez transformatory wykazała, że ochrona od przepięć przenoszonych łączeniowych i piorunowych transformatorów wymaga stosowania ograniczników przepięć chroniących uzwojenia górnego i dolnego napięcia, również wówczas, gdy transformatory są połączone z liniami kablowymi.
- Szerokie badania i symulacje przepięć przenoszonych przez transformatory przedstawione w rozprawie, wykonane w programie EMTP-ATP przy zastosowaniu różnych modeli transformatorów wykazały, że zastosowanie modelu wysokoczęstotliwościowego transformatorów zwiększa dokładność symulacji i rozszerza zakres stosowania programu
EMTP-ATP do modelowania układów elektroenergetycznych w warunkach stanów
przejściowych dla celów analizy narażeń urządzeń elektrycznych, pracujących na różnych poziomach napięć. Stosowanie modelu matematycznego wysokoczęstotliwościowego transformatorów oraz przedstawiona analiza przepięć łączeniowych i piorunowych