Energietransformatoren HS VP. Quercus Technical Services B.V.

Transcriptie

1 Energietransformatoren HS V?

2 Inhoudsopgave 1. Inleiding 5 2. De eenfase transformator Opbouw Verliezen Uitvoering: 8 3. Normtransformatoren 9 4. Draaistroomtransformatoren Algemeen Klemaanduidingen (terminal markings) Transformator-schakelingen Schakclgroep en klokgetal 12 V 4.5 Koeling Beveiliging van transformatoren Opgaven 18

3 1. Inleiding Het doel Van een transformator is het omzetten Van een wisselspanning van een bepaalde waarde in één ofmeer wisselspanningen van een andere waarde bij gelijkblijvende netfre quentie. Deze omzetting, die zonder bewegende delen plaatsvindt, gaat wel gepaard met koper- en ijzerverliezen Om het een en ander nader te kunnen bestuderen, zal eerst de eenfase transformator en daarna de driefasentransformator ofdraaistroomtransformator worden behandeld. Figuur 1 1 Step-down transformator 380 kv naar 150 kv (fabrikaat Smit-Nijmegen)

4 2. De eenfase-transformator 2.1 Opbouw De eenfasetransformator is opgebouwd uit een gesloten magietisch ijzercircuit, samengesteld uit gelamelleerd blik, waarop twee of meerdere spoelen of wikkelingen zijn aangebracht. In Figuur 2.1 is het principe van een belaste transformator weergegeven. De transformator is secundair belast met een 'zuiver ohmse weerstand Rb. Daarmee is de secundaire stroom 12 in fase met de secundaire spanning UZ. I <xm Lpl.l Q>l2 1u 1 \..'. l_ : na zo E:Ë:â Ë "lf-:5aí _lì U1î Ei : _ ÊÊ: ; N1 M2Ê Ëî' : i52 îuz Ru i ;33Ë5s 5î? 5sà =. île = ;*î e _e 1v " ' 2v!.....I Figuur 2.1 Belaste éénfasetransformator Door de secundaire stroom I2 ontstaan aan secundaire zijde de ampèrewindingen IZ.NZ Deze secundaire ampèrewindingen hebben aan primaire zijde de tegen ampèrewindingen I,.N, tot gevolg. Deze heffen elkaar op.

5 2.2 Verliezen In een transformator treden ijzer en koperverliezen op. De ijzerverliezen bestaan uit magnetiserings- en wervelstroomvetliezen, die onafliankelijk zijn van de belasting. De magnetiseringsverliezen zijn kwadratisch afhankelijk van de spanning. Dat wil Zeggen dat bij een spanning van 10% van de nominale spanning er slechts 1% van de nominale magnetiseringsverliezen aanwezig is. Hiervan wordt gebruik gemaakt bij de kortsluitproef waarbij de trafo secundair wordt kortgesloten en de primaire stroom wordt opgeregeld tot de nominale waarde. Hierbij zijn de magnetiseringsverliezen te verwaarlozen en meet men alleen de koperverliezen (I2 -R ). De koperverliezen zijn dus kwadratisch aflaankelijk van de belasting. De nullastmetìng In onderstaand Figuur 2.2 is het schema van de nullastmeting getekend. Bij de nullastmeting worden de ijzerverliezen gemeten. z1 I1<<I 2=0 22 ; <?! r l_l & i ; l_l ; i U1-U1n N l N2 U2=U2n \ \ Figuur 2.2 Nullastmeting U : nominale primaire spanning (V); U2n : nominale secundaire spanning (V); i : nominale primaire stroom (A); 12 : nominale secundaire stroom (A); Rl : de ohmse weerstand van de primaire wikkeling (Ohm); RZ : de ohmse weerstand van de secundaire wikkeling (Ohm). Omdat de gemeten stroom bij de nullastmeting erg klein is, mogen de koperverliezen worden verwaarloosd. De kortsluitmeting In onderstaande Figuur 2.3 is het schema van de kortsluitrneting weergegeven. Zl l1=l1n 22 ; /@( l_l r i % ;[ l_l UK<U1n N1 N2 2= 2n e< Figuur 2.3 Kortsluitmeting Het doel van de kortsluitmeting is het meten van de koperverliezen van een transformator bij nominale belasting.

6 2.3 U itvoe ring: De secundaire klemmen worden kortgesloten. De primaire spanning wordt langzaam opgeregeld totdat aan de primaire zijde de nominale stroom 1 wordt afgelezen. Er wordt dan een spanning Uk gemeten die een veel lagere waarde heeft dan de nominale spanning U. Deze spanning wordt de kortsluitspanning genoemd en wordt uitgedrukt in procenten van de nominale primaire spanning. In formulevorm wordt dit: U uk : -100% in uk : procentuele kortsluitspanning (%); Uk : kortsluitspanning (V); U : nominale primaire spanning (V). De procentuele kortsluitspanning is een belangrijk gegeven en wordt altijd op het typeplaatje van elke transformator vermeld. Met de kortsluitspanning kan onder andere de kortsluitstroom direct achter de transformator worden uitgerekend, zie hiertoe onderstaand voorbeeld: s : 630 kva UZ : 400V Ukï 6 0/u > s 630 kva im: : 909A 11 ' U -Jî 4oov-Jï 12k=_.1m= _ :15.155A U. < 6 2k _ Inschakelstroom bij onbelaste transformatoren (inrushstroom) Wordt een transformator ingeschakeld, dan kunnen gedurende korte tijd (ca 0,1 sec) grote inschakelstromen ontstaan. Deze inrushstromen kunnen soms ongewenst beveiligingen laten aanspreken, waardoor een bedrijfsonderbreking ontstaat De inschakelstromen kunnen waarden bereiken van het 10 - tot 20»voudige van de nominale stroom van de transformator. Met name kleine transformatoren kunnen hoge inrushstromen veroorzaken. Bij de instelling van de beveiligingen en de dimensionering van de smeltveilighcdcn moet dus rekening worden gehouden met de inrushstroom van de transformatoren.

7 Normtransformatoren Voor de distributie van de elektrische energie worden genormaliseerde transformatoren gebruikt. Het schijnbare vermogen voor distributietrafo's tot max 10 MVA wordt ingedeeld volgens de lso-rlo reeks. ISO-Rw reeks > 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000 De meest voorkomende distributiespanning in Nederland is 10 kv. De spanning mag volgens IECrichtlijnen maximaal 20% hoger zijn, in dit geval dus maximaal 12 kv. Bij nieuwbouw van distributienetten wordt steeds vaker 20 kv toegepast. In de normen wordt tegenwoordig vaak alleen gesproken over de maximaal toegekende spanning, oftewel rated voltage. De nominale spanning wordt wel operating voltage genoemd. Om de transportverliezen te verminderen is het spanningsniveau in Nederland voorzichtig in kleine stapjes opgehoogd. Dat is te zien op de typeplaatjes van de genormaliseerde distributietrafo's. Op oudste trafo's is een spanning van /380 V aangegeven. De volgende stap was /400 V en tegenwoordig hebben we normtrafo's met een spanning van /420 V. Spanningsregeling Het is soms nodig om het spanningsniveau van de transformator iets te veranderen. Stel de transformator wordt gevoed door een lange distributiekabel waardoor het spanningsniveau is gezakt naar Volt in plaats van de "normale" waarde van V. Om toch aan de LS-zijde de vereiste spanning te verkrijgen wordt de overzetverhouding van de transformator veranderd. Dat wordt gedaan door in spanningsloze toestand een aantal windingen aan de hoogspannings-zijde (HS-zijde) af te schakelen. Hierdoor verandert de overzetverhouding van de transformator van /420 naar /420. Het gevolg is dat ondanks het spanningsverlies aan HS-zijdc, aan de LS-zijde weer een normaal spanningsnivcau aanwezig is. Bij transformatoren van de grotere vermogens (>10 MVA) zijn de aftakschakelaars vaak op afstand via een motorbesturing onder belasting te verstellen. 2 middenaftakking. 4 5 U1 variabel _ \_.' Q.f\ /\J» l N variabel Figuur 3.1 Voorbeeld normtransformator met aftakschakelaar.

8 Draaistroomtransformatoren 4.1 Algemeen Om drie 120Ü in fase verschoven spanningen te transformeren zou men drie gelijke eenfasetransformatoren kunnen gebruiken, waarvan de primaire- en secundaire wikkelingen in ster ofin driehoek geschakeld zijn. Uit economische overwegingen (minder transformatorblik nodig) worden de wikkelingen op een gemeenschappelijk magnetisch circuit ondergebracht. bovenjuk primaire wikkeling V Z Z 7 secundaire wikkeling ondeijuk Figuur 4.1 Principiële opbouw van een driefasen- of draaistroomtransformator Een veel toegepaste constructie van draaistroomtransformatoren is aangegeven in Figuur 4. i. De drie kernen zijn met elkaar verbonden door een gemeenschappelijk boven- en onderjuk. Op elk van de kernen is een primaire- en een secundaire spoel aangebracht. Bij energietransformatoren of nettransformatoren wordt de spanning in het algemeen omlaag getransformeerd. In plaats van primaire en secundaire wikkeling spreekt men dan ook meestal van hoog- en laagspanningswikkeling (HS en LS). Per kern kan een draaistroomtransformator als een eenfasetransforrnator worden opgevat. Dit houdt in, dat het behandelde bij de eenfasetransformator zonder meer geldt voor de draaistroomtransformator, mits men een en ander betrekt op fasespanningen en stromen uitgaande van een symmetrische belasting. 4.2 Klemaanduidingen (terminal markings) IEC Powcrtransformers en IEC terminal markings geven aanwijzingen betreffende de codering van de aansluitklemmen. Als voorbeeld dient Figuur 4.2 de YNyn 6 -schakeling. Per primaire-en secundaire zijde zijn aansluitklemmen aanwezig, gecodeerd met respectievelijk de letters 1N, 1U, IV en 1W voorde primaire en ZN, ZU, 2Ven ZW voor de secundaire zijde. Ook komt de aanduiding met hoofdletters "U" voor de primaire en kleine letters "u" voor de secundaire zijde nog voor. In de transformator worden begin en einde van elke fasespoel gecodeerd met respectievelijk 1 en 2. Men gaat er hierbij vanuit dat spoelen op dezelfde kern overeenkomstige wikkelzin hebben. De zijde gecodeerd met een 1 bevindt zich aan de deksel zijde die met een 2 bevindt zich aan de bodemzijde. De afzonderlijke fasen, ook wel benen genoemd, worden in de transformator gemerkt met 1, H en III. 10

9 ï ll ll { oeksel- 1 ] Ë zuc e 0_\_ o_\_h_ r>_\l> - _, Ì :ì :=f ì.> pnmau l *=; *=: : \\ÌI - bîïlë"" 20_:\ : 20_:\: 2: <\: l) e! kiemen op deksel : lo_ 10 1 \ \» _\_ ;\ l32w 32v - 12N' \_ \_ \_ > ; :\ _. :\ I\ secundair «*Q =ì Q- ' ll 2 ':\l: 2 _:\: 2;,: \: ; l 1 l Figuur 4.2 Voorbeeld schakeling YNyn6 YNyn6 betekent: Y _ primair ster geschakeld; N uitgevoerde nul aan primaire zijde; y - secundair ster geschakeld; n _ uitgevoerde nul aan secundaire zijde; 6 klokgctal Transformatorscha kelingen Bij draaistroomtransformatoren zijn diverse schakelingen mogelijk. De spoelen kunnen primair en secundair in ster (Y y) als wel in driehoek (D d) worden aangesloten. Voor de bedrijfsvoering is het noodzakelijk te kunnen beschikken over twee soorten spanningen: 1. in drie fasen (de lijnspanningcn) bv. 400 V; 2. in twee fasen (fasespanning tussen nulleider en fase) bv. 230 V. De combinatie van 1 en 2 wordt verkregen door een sterschakeling van de secundaire wikkelingen. Hierbij wordt het sterpunt voor externe aansluitingen naar buiten uitgevoerd Distributietransformatoren worden nagenoeg alleen in Dyn-schakeling uitgevoerd. Een Yyn schakeling kan bij asymmetrische belasting allerlei problemen veroorzaken doordat de magnetische velding zich niet via het transformatorblik kunnen sluiten maar een andere weg moeten zoeken waardoor grote verliezen ontstaan die bijvoorbeeld tot brandgevaar kunnen leiden doordat metalen delen verhit worden. 11

10 lll 4.4 Schakelgroep en klokgetal In lec deel 1 en 8, NEN 3286 en NPR 2766 is meer informatie over klokgetallen en het parallel schakelen van transformatoren te vinden. Onder een klokgetal wordt verstaan de faseverschuiving tussen primaire en secundaire spanning in veelvouden van 30 graden. Ui i i Klokgcial 5 5x30 \ ÊU2 Figuur 4.3 Voorbeeld van klokgetal 5 Dyn5 betekent: D Primair driehoek geschakeld; Y secundair ster geschakeld; n uitgevoerde nul aan LS-zijde; 5 klokgetal 5 Sterpunt boven in de bak Dy5 2V 1W 1V 2U Figuur 4.4 Dy5 schakeling De klokgetallen kunnen worden gemaakt door het intern op verschillende manieren doorverbinden van de uiteinden van de spoelen. Zo kan bijvoorbeeld het sterpunt van de spoelen onder ofboven in de transformatorbak worden gemaakt. Dit heeft gevolgen voor de wijze waarop primaire en secundaire spanningen worden opgewekt. In principe wordt altijd dezelfde rechtse wikkelzin gebruikt voor alle spoelen in de transformator. De magnetische velden van de primaire en secundaire spoelen mogen elkaar ook niet tegenwerken. 12

11 ln Figuur 4.5 is een overzicht afgebeeld met de meest gebruikelijke schakelingen. Naast de afgebeelde schakelingen zijn er nog andere, minder gebruikelijke schakelingen mogelijk. Het zou te ver voeren deze allemaal weer te geven \n 20 " Ë \ fifi : yo :_x.. _3 íiv av: W_. l W 2Ë_ì_rvvvx_ % \W W ew r:v 1 \ :... l i? / \5 5 ; '2 { " 2w \ ; \. {îr7 âplw ; zv '. n : Dy5 9- 'SO' --5 2s i-l ; 11w zw:f : 1 \ iw xv 2U? 5 % 5 iu \ \ d5 _3. 7 \W W. ; l 3.; í we Î iu 2u \, ; 3 f \ _ 5 ;Dy ' 3 í \ lw 1V 2\J / \; ï : È_ 1 _ \) ; Figuur 4.5 Overzicht van de belangrijkste transformatorschakelingen met bijbehorende klokgetallen { 13-

12 45 Koefing In een transformator treden verliezen op. Om het te hoog oplopen van de temperatuur te voorkomen, dient deze verlieswarmte naar de omgeving te worden afgevoerd. Het inwendige van de spoelen is hierbij het meest kwetsbaar. Met het oog op de koeling worden twee uitvoeringen onderscheiden: 1. oliegevulde transformatoren, 2. droge transformatoren. Aanduidingen koeling Eerste twee letters - inwendige koeling bijvoorbeeld: ON Oil Natural. Tweede twee letters - uitwendige koeling bijvoorbeeld: AN - Air Natural. De totale aanduiding wordt in dit geval dan ONAN en wordt aangegeven op het typeplaatje van de trafo. OFAF betekent dan Oil Forced Air Forced - met oliepomp voor inwendige koeling en ventilatoren voor koeling aan de buitenzijde. Kunststof trafo's hebben alleen twee letters voor aanduiding koeling bijv AN. Vloeistofgevulde transformatoren Hierbij wordt het actieve deel ondergebracht in een stalen bak gevuld met het koelmiddel Behalve een functie als warmtetransportmiddel dient deze vloeistof ook isolerende eigene schappen te bezitten: 1. minerale olie, 2. siliconenolie. De isolatieolie in hoogspanningstransformatoren moet worden geanalyseerd waarbij onder andere wordt gekeken naar kleur- en verontreinigingen, doorslagspanning van de olie, vochtgehalte, bepaling van het zuurgraad, diëlektrische verliezen, gasvorming in de olie, zwavel gehalte, aanwezigheid van PCB's. Het koelmiddel moet zijn warmte aan de omgeving kunnen afstaan. Dit gebeurt Via de wand van de bak, die om het koelende oppervlak te vergroten, vaak voorzien is van een profiel. De koeling wordt op het typeplaatje aangegeven. Veel voorkomende aanduidingen zijn ONAF en ONAN. De eerste twee letters geven de inwendige koeling aan Oil Natural. Het tweede paar letters geeft de uitwendige koeling aan. In dit geval Air Forced en Air Natural. Air Natural houdt in dat er onder de koelvinnen van de trafo geen ventilatoren zijn geplaatst, bij Air Forced is dat wel het geval. Het koelmiddel in de transformator zal afhankelijk van de belasting en de geproduceerde verlieswarrnte steeds in temperatuur variëren. Om het uitzetten van de vloeistof mogelijk te maken zijn de grotere oliegekoelde transformatoren (meestal vanaf ca 1600 kva) voorzien van een expansievat. In verband met het verouderen van de transformatorolie door oxydatie is het gunstig dat slechts een klein vloeistofoppervlak met de lucht in aanmerking komt. Daarom noemt men dit expansievat bij transformatoren een conservator. Transformatorolie is hygroscopisch (neemt vocht op) en de lucht boven de oliespiegel staat vaak via een luchtdroger in verbinding met de buitenlucht. 14

13 Bij nettransformatoren tot ca kva laat men de conservator achterwege en zorgt ervoor dat de deksel hermetisch gesloten op de bak wordt aangebracht. De ruimte boven de olie wordt opgevuld met stikstofgas om het verouderen van de olie door oxydatie te voorkomen. Uitzetten van de olie is mogelijk door samenpersen van het gaskussen boven de olie. Droge transformatoren Het koelmiddel is hier de omringende lucht. In de uitvoeringsvorm worden er twee typen onderscheiden: 1. isolatie van de wikkelingen, door de wikkelingen onder vacuum in te gieten; 2. isolatie van de glasvezel geïsoleerde wikkelingen, door het nat wikkelen in epoxyhars. wfl Figuur 4.6 ABB Giethars, vacuüm gegoten kunststof transformatoren Figuur 4.7 ABB Giethars, natwikkeltechniek glasvezel geïsoleerd Bij de onder 1 genoemde uitvoering worden de primaire en secundaire wikkelingen per stuk onder vacuüm ingegoten in een mengsel van epoxyhars met een vulmiddel. De aftakkingen en wikkelingseinden worden afgewerkt op messing draadbussen, die in het epoxyhars-lichaam worden ingegoten. De kortsluitvastheid wordt bereikt door constru ctie van de wikkelingen in onderlinge samenhang met het giethars. Deze constructie bestaat meestal uit glasvezels die samen met de wikkeling in het giethars zijn ingegoten. De temperatuur van de wikkelingen wordt bewaakt met temperatuurgevoelige weerstanden die zijn geplaatst in de wikkelingen. 15

14 4.6 Beveiliging van transformatoren Er is een apart hoofdstuk over beveiligingen. Toch vertellen we hier iets in het kort over een paar typische beveiligingen voor transformatoren. Buchholzbeveiliging Als eerst een beveiliging voor de oliegevulde transformatoren. Deze beveiliging bewaakt de gasvorming in de olietransformator. De gasvorming ontstaat doordat er een winding beschadigd is geraakt die sluiting maakt met een andere winding. Door de sluiting ontstaat er een (klein) Vlamboogje waardoor olie vergast. Deze vergaste olie zal in belletjes omhoog komen naar het hoogste punt en dat is het expansievat. in de verbinding van de transformatorbak naar het expansievat wordt een mechanisch relais geplaatst, dit wordt een gasrelais of Buchholzrelais genoemd. Normaal is het inwendige van het gasrelais, waarin 2 vlotters a en b zijn aangebracht (zie Figuur 4.8), geheel gevuld met olie. Door de opwaartse druk worden deze vlotters omhoog gehouden. Als nu in de transformator gas wordt ontwikkeld, zal dit zich verzamelen boven in het huis van het gasrelais, waardoor de oliespiegel zakt en a vlotter zijn contact sluit en alarm geeft. Ditzelfde vindt ook plaats als het oliepeil door lekkage is gedaald. Bij een alarm moet onderhoud aan de trafo gepland worden. Gebeurt dat niet en de gasvorming gaat door, dan wordt de tweede vlotter met contact b naar beneden geduwd. Als dat contact wordt gesloten, wordt de voedende schakelaar uitgeschakeld. Klep c dient om een drukgolf te signaleren die kan ontstaan door een grote windingsluiting in de transformator. % /' conservator. (. \ \ / p_ _ i \ / } alarm»coniaci \' j : " ". a * ** *r \é\afschak e-con tact!ranslormatorbak gevuld met olie Figuur 4.8 Principe van een Buchholzrelais Stroom-tijd beveiliging Deze beveiliging wordt uitvoerig besproken in het hoofdstuk over beveiligingen. Smeltveiligheden Bij kleine distributie transformatoren tot 1 MVA met een netspanning van 10 kv worden veelvuldig smeltveiligheden toegepast. Meestal worden deze smeltpatronen geplaatst in een Magnefrx schakelaar. Een HS-smeltveiligheid is alleen een beveiliging tegen kortsluiting en kan niet beveiligen tegen overbelasting. Tegenwoordig worden steeds vaker vacuümschakelaars toegepast in combinatie met eenvoudige stroom-tijdbeveiliging. Het relais haalt zijn energie uit de stroomtransformatoren, zodat geen aparte accu s nodig zijn. 16

15 Differentiaalbeveilìging Bij de grotere transformatoren (> 2 MVA) wordt de transformator extra beveiligd door een differentiaalbeveiljging. Een differentiaalbeveiliging vergelijkt de inkomende en de uitgaande stroom. Zit daar een verschil tussen (een differentie) dan wordt een uitschakelcommando gegeven. Naast de differentiaalbeveiliging is er ook nog een stroom-tijd beveiliging om overbelastingen afte kunnen schakelen. Bij de vergelijking van de inkomende en de uitgaande stroom, moet rekening worden gehouden met de overzetverhouding en het klokgetal van de transformator. Dit was vroeger erg lastig en moest gebeuren door een kleine aanpassingstrafo die de spanningen en stromen vergelijkbaar maakte. Bij een Dy5 trafo moest dan een aanpassingstrafo worden geplaatst met een klokgetal van _5 oftewel klokgetal 7. Bij moderne differentiaalbeveiligingen kan overzetverhouding en klokgetal van de trafo worden ingesteld op het relais, deze verzorgt zelf de benodigde correctie. Daarnaast moet het differentiaalrelais niet reageren op inrushstromen of doorgaande kortsluitstromen. Contact-thermometer Een contact thermometer in de olie meet de olieteperatuur. Deze is voorzien van een alarm- en uitschakeleontact, die onafhankelijk van elkaar kunnen worden ingesteld. Een echt goede beveiliging is het niet, omdat de tijdconstante van de wikkelingen en die van de olie verschillen. Alleen langzame temperatuurstijgingen door overbelastingsstromen worden tijdig gesignaleerd. Temperatuurvoelers Bij droge transformatoren worden vaak temperatuurvoelers ingebouwd om de temperatuur van de wikkelingen te bewaken. Dit zijn temperatuurgevoelige weerstanden waarvan de weerstand verandert in afhankelijkheid van de temperatuur. Via een grenswaardemelder kan alarm of uitschakeling worden verkregen. Oliepeil en luchtdroger Bij transformatoren met een conservator moet regelmatig de oliestand worden gecontroleerd. Een voortdurende daling van dit oliepeil duidt op lekkage. Vaak is de lekkage ook duidelijk te zien. Transformatoren groter dan 1 MVA zijn meestal voorzien van een luchtdroger. ] Iierbij wordt de lucht, die bij afkoelen van de transformator in de conservator stroomt, door een korrelvormig droogmiddel gevoerd. Deze droogkorrels verkleuren naarmate er meer vocht is opgenomen. Indien de korrels in de luchtdroger bijna geheel verkleurd zijn, moet de vulling worden vervangen of gedroogd. Geheel gesloten oliegevulde- en droge transformatoren hebben geen bijzonder onderhoud nodig. 17

16 5. Opgaven 1. Waarom worden er in de distributie nagenoeg alleen Dyn»transformatoren toegepast? 2. Welke twee vormen van watt verliezen beïnvloeden het rendement van transformatoren? 3. Welke van deze verliezen worden gemeten bij de nullastmeting? En welke verliezen zijn hier verwaarloosbaar en waarom? 4. Welke van deze verliezen worden gemeten bij de kortsluitmetìng? En welke verliezen zijn hier verwaarloosbaar en waarom?