Program badań i charakterystyka stanowisk laboratoryjnych

Transformatory pracujące w układach elektroenergetycznych, są narażone na oddziaływanie przepięć o zróżnicowanych przebiegach i wartościach maksymalnych. Szczegółową analizę przepięć powstających na zaciskach wejściowych transformatorów podczas wyładowań piorunowych oraz czynności łączeniowych przedstawiono w rozdziałach 4 i 5. Układy izolacyjne uzwojeń są narażone na oddziaływanie przepięć także podczas prób napięciowych z zastosowaniem udarów napięciowych. Przepięcia pojawiające się na zaciskach wejściowych transformatorów są wówczas źródłem przepięć wewnętrznych, narażających układy izolacyjne uzwojeń [113, 114]. Przebiegi przepięciowe w uzwojeniach zależą od reakcji transformatorów na przepięcia zewnętrzne [9, 100, 103, 127].

Celem badań było wyznaczenie narażeń przepięciowych układów izolacyjnych uzwojeń transformatorów o różnych:

­ rozwiązaniach konstrukcyjnych, ­ parametrach elektrycznych, powstających:

­ w warunkach eksploatacji w układach elektroenergetycznych, ­ podczas prób napięciowych.

Program badań obejmował rejestracje:

­ przebiegów przepięć doziemnych w wybranych punktach uzwojeń, transformatorów,

Badania wykonano z zastosowaniem:

­ napięć o przebiegach odzwierciedlających przebiegi przepięć powstających w układach elektroenergetycznych,

­ udaru napięciowego stosowanego podczas prób napięciowych transformatorów.

Rodzaje napięć modelujących przebiegi przepięciowe

Przebiegi przepięć powstających w układach elektroenergetycznych modelowano przez zastosowanie następujących napięć (Rys. 6.1):

a) udar napięciowy prostokątny, b) napięcie sinusoidalne,

c) napięcie o przebiegu „sweep sinus”, d) napięcie o przebiegu „sweep ramp”.

Do badań przepięć w uzwojeniach podczas działania napięć udarowych probierczych, stosowanych do prób transformatorów, zastosowano:

e) napięcie udarowe piorunowe 1,2/50 µs/µs.

Rys. 6.1. Wybrane przebiegi napięć, modelujące przebiegi składowych oscylacyjnych przepięć powstających w układach elektroenergetycznych: a) udar napięciowy prostokątny, b) napięcie

sinusoidalne, c) napięcie o przebiegu ”sweep sinus”, d) napięcie o przebiegu „sweep ramp”, e) udar napięciowy piorunowy

Udar napięciowy prostokątny odzwierciedla przebiegi napięć przejściowych na

zaciskach wejściowych transformatorów podczas działania beziskiernikowych ograniczników przepięć z tlenków metali (rozdział 2).

Napięcie sinusoidalne o zmieniającej się częstotliwości, umożliwia wyznaczenie

charakterystyk częstotliwościowych napięć przedstawiających reakcje uzwojeń na składowe oscylacyjne przepięć o zróżnicowanych częstotliwościach, powstających w układach elektroenergetycznych. W badaniach stosowano napięcie sinusoidalne o częstotliwości zmieniającej się w zakresie 20 Hz – 2,5 MHz.

Napięcie o przebiegu „sweep sinus” odzwierciedla składowe oscylacyjne przepięć

łączeniowych w sieciach elektrycznych. Badania wykonano dla częstotliwości w przedziale od 1 kHz do 100 kHz i przebiegu napięcia trwającym 100 ms.

Napięcie o przebiegu „sweep ramp” modeluje składowe oscylacyjne powstające na

zaciskach transformatora wyłączanego wyłącznikiem próżniowym. Jak wynika z badań przedstawionych w rozdziale 5, oscylacje mają charakter powtarzających się przebiegów udarowych, o czasach narastania znacznie dłuższych od czasów opadania. Do symulacji takich przebiegów zastosowano funkcję „sweep ramp” o przebiegu trwającym 100 ms i częstotliwości w zakresie 1 − 100 kHz.

Obiektami doświadczalnymi były uzwojenia transformatorów o następujących parametrach znamionowych (Rys. 6.2, Tabela 6.1):

25 MVA, 110 kV (produkcja ABB), 25 MVA, 15 kV (produkcja ABB), 250 kVA, 15 kV (produkcja ABB),

20 kVA, 15 kV (produkcja – Fabryka ”Mefta” w Mikołowie).

Rys. 6.2. Widok uzwojeń transformatorów doświadczalnych: a) uzwojenie o napięciu znamionowym 110 kV transformatora 25 MVA, b) uzwojenie o napięciu znamionowym 15 kV transformatora 25 MVA, c) uzwojenia 15 kV transformatora 250 kVA, d) widok transformatora 20 kVA 15/0,4 kV

Tabela 6.1. Parametry znamionowe transformatorów doświadczalnych [120, 121]

Sn, kVA 25 000 250 20 U_n, kV 110/15 15/0,4 15/0,4 U_z, % 11 4,5 4,2 ∆PFe, kW 7,2 0,486 0,114 ∆PCu, kW 155 3,509 0,525 I₀, % 0,5 1,0 2,8

Uzwojenie o napięciu znamionowym 110 kV transformatora 25 MVA (Tabela 6.1) jest uzwojeniem cewkowym, a uzwojenie o napięciu znamionowym 15 kV jest wykonane jako warstwowe. Uzwojenia górnego napięcia transformatora 250 kVA wykonane są również jako warstwowe. Uzwojenie górnego napięcia transformatora 20 kVA ma natomiast konstrukcję cewkową. Uproszczone przekroje uzwojenia cewkowego i warstwowego przedstawiono na rysunku 6.3, a wymiary uzwojeń transformatorów doświadczalnych zamieszczono w tabeli 6.2.

c) d)

Rys. 6.3. Uproszczone przekroje uzwojenia cewkowego i warstwowego: a) uzwojenie cewkowe, b) uzwojenie warstwowe, c) oznaczenia zacisków uzwojeń (x/l – współrzędna punktu uzwojenia

mierzona wzdłuż uzwojenia, l – wysokość uzwojenia)

Tabela 6.2. Podstawowe parametry mechaniczne uzwojeń doświadczalnych (Rys. 6.2, Tabela 6.1)

S_n, kVA 25000 250 20

U_n, kV 110 15 15 15

typ uzwojenia (cewek) c^* w^* w^* c(cz) ^* c(cw) ^*

liczba zwojów w cewce (warstwie), – 20 40 191 810 650 liczba cewek (warstw), – 50 4 14 4 4 wysokość uzwojenia l, mm 700 670 366 280 250 średnica zewnętrzna do, mm 765 560 201/233 157 157 średnica zewnętrzna di, mm 893 700 255/303 205 205 szerokość cewki (warstwy) h, mm 10,3 10 366 25 25 szerokość szczeliny między cewkami

(warstwami) d, mm ^{3,3 6 2 3 5}

*

c – uzwojenie cewkowe, w – uzwojenie warstwowe, c(cz) – cewkowe (cewki zwykłe),

c(cw)– cewkowe (cewki wzmocnione)

Schematy blokowe stanowisk pomiarowych, stosowanych do rejestracji przepięć wewnątrz uzwojeń transformatorów przy działaniu wymienionych napięć modelowych zamieszczono na rysunku 6.4 i 6.5.

Rys.6.4. Schematy stanowisk do rejestracji przebiegów przepięć wewnątrz uzwojeń: a) stanowisko do rejestracji przebiegów przepięć podczas oddziaływania udarów napięciowych o przebiegu prostokątnym, napięcia „sweep sinus” i „sweep ramp”, b) stanowisko do wyznaczania

charakterystyk częstotliwościowych przepięć wewnątrz uzwojeń

l d0 di d h a) l d h b) c) U1,0 x/l=1,0 x/l=0 U d0 di x/l generator funkcji 20Vpp oscyloskop cyfrowy x/l=1 x/l=0 a) b) x/l=1 x/l=0 GPIB<–>USB

:

:

Rejestracje przepięć wewnątrz uzwojeń przy działaniu następujących napięć modelowych:

­ udaru napięciowego prostokątnego, ­ napięcia sinusoidalnego,

­ napięcia o przebiegu „sweep sinus”, ­ napięcia o przebiegu „sweep ramp”,

prowadzono przy napięciu 20 Vpp, a badania podczas działania:

− napięcia udarowego piorunowego 1,2/50 µs/µs, wykonano przy napięciu 300 V.

Badania przepięć przy działaniu napięć o przebiegach: „sweep sinus” i „sweep ramp” wykonano tylko dla uzwojeń transformatorów 250 kVA i 20 kVA (Rys. 6.2c,d, Tabela 6.1).

Stanowisko do rejestracji przebiegów przepięć podczas oddziaływania udarów napięciowych o przebiegu prostokątnym, napięcia „sweep sinus” i „sweep ramp” (Rys.6.4a) zawiera:

­ generator funkcji firmy Tektronix typu AFG310, ­ oscyloskop cyfrowy typu 784D firmy Tektronix, ­ komputer.

Do pomiarów charakterystyk częstotliwościowych przepięć w uzwojeniach przy napięciu sinusoidalnym wykorzystano analizator FRA (Frequency Response Analyzer) zawierający:

­ generator funkcji typu AFG310 firmy Tektronix, ­ oscyloskop cyfrowy typu 2020 firmy Tektronix,

− komputer (Rys.6.4b).

Generator funkcji oraz oscyloskop połączone są z komputerem nadzorczym za pomocą interfejsu GPIB–PCMCIA. Dedykowane oprogramowanie do pomiarów charakterystyk częstotliwościowych przepięć jest zaimplementowane w pakiecie LabView firmy National

Instruments [22].

Rys. 6.5. Schemat stanowiska do rejestracji przebiegów napięć przejściowych wewnątrz uzwojeń transformatorów powstających podczas oddziaływania udaru napięciowego piorunowego 1,2/50 µs/µs

(Rys. 6.1e)

Do wytwarzania przebiegu modelowego w postaci udaru napięciowego piorunowego 1,2/50 µs/µs zastosowano generator jednostopniowy udarów napięciowych piorunowych 1,2/50 µs/µs o wartości szczytowej 300 V, a do rejestracji oscyloskop cyfrowy typu 784D firmy Tektronix, współpracujący z komputerem (Rys. 6.5).

x/l=1

x/l=0 komputer ^oscyloskop _cyfrowy

generator jednostopniowy udarów napięciowych

Rejestracje przebiegów napięć w uzwojeniach wykonano przy zastosowaniu generatorów o napięciu wyjściowym 20 Vpp i 300 V. Wartość napięcia, przy którym badano przepięcia w uzwojeniach nie ma praktycznie wpływu na wyniki badań przepięć wewnętrznych w uzwojeniach. W warunkach oddziaływania napięcia o dużej stromości oraz dużej częstotliwości transformator jest obiektem o charakterze liniowym. Dla częstotliwości napięcia zasilającego większych od kilkudziesięciu kiloherców rdzeń ferromagnetyczny nie ma praktycznie wpływu na indukcyjności uzwojeń. Dlatego dla dużych stromości napięcia wymuszenia oraz dużej częstotliwości, wpływ rdzenia na zjawiska przejściowe w uzwojeniach może być pominięty [50, 125].