Nowoczesne warianty dławików kompensacyjnych w sieciach SN

Dławiki kompensacyjne we współczesnych systemach elektroenergetycznych

Współczesne systemy przesyłu i rozdziału energii elektrycznej coraz częściej bazują na liniach kablowych. Są one bezpieczniejsze w użytkowaniu, mniej awaryjne od linii napowietrznych oraz w mniejszym stopniu zaburzają walory krajobrazowe. Niestety, jednocześnie mają znacznie większą pojemność niż linie napowietrzne, z czym wiąże się większy prąd upływu, a tym samym zwiększone straty podczas przesyłania energii. Z uwagi na ten aspekt korzystne jest, aby elementy kompensujące pojemności linii były rozmieszczone stosunkowo gęsto. Z tego  powodu coraz częściej potrzebne są dławiki kompensacyjne średniego napięcia o mocach kompensacyjnych od kilkudziesięciu do kilku tysięcy kilowarów.

Inną cechą współczesnych systemów jest duża dynamika zmian obciążenia. Przykładem takim są systemy zasilania trakcji kolejowej, które w chwili przejazdu pociągu stanowią odbiór o charakterze indukcyjnym, a w pozostałych okresach o charakterze wyraźnie pojemnościowym. Na liniach kolejowych o dużych prędkościach zmiany takie charakter częsty i szybki. W takich przypadkach dławiki z mechaniczną regulacją szczeliny są zbyt wolne, natomiast dławiki z podobciążeniowymi przełącznikami zaczepów, w rozpatrywanym zakresie mocy, są zbyt duże i drogie oraz zwykle nie zapewniają odpowiedniej głębokości regulacji.

Innym ważnym aspektem jest także bardzo często ograniczona ilość miejsca w istniejących, modernizowanych stacjach zasilających, gdzie dostawienie kolejnego urządzenia (dławika) jest utrudnione. Problem ten dotyczy również nowych stacji, gdzie z technicznego punktu widzenia kolejne urządzenie można zamontować, ale wymaga to dodatkowych nakładów finansowych (większa powierzchnia gruntu czy większe obiekty budowlane). W istniejących stacjach najczęściej stosowano transformator potrzeb własnych, przeważnie o mocy około 100 kVA, zasilający obwody pomocnicze stacji. W proponowanym rozwiązaniu przestrzeń zajmowaną przez wspomniany transformator można wykorzystać do posadowienia dławika, który dodatkowo ma uzwojenie potrzeb własnych, mogące zasilać potrzeby stacji oraz być również stosowane do regulacji przepływu mocy biernej przez dławik.

Właściwości eksploatacyjne dławików z uzwojeniami potrzeb własnych

Wyznaczanie prądów zwarcia

Dławiki z uzwojeniem potrzeb własnych łączą funkcje typowego dławika kompensacyjnego i transformatora. Na schematach systemu elektroenergetycznego można je przedstawić w sposób widoczny poniżej – rys. 1. Kontur otaczający schemat dławika i transformatora oznacza umieszczenie obu tych cech w jednym urządzeniu.

Z takiego też modelu można korzystać wyznaczając, np. warunki zwarciowe występujące na szynach po stronie niskiego napięcia. Układ powyższy można przedstawić schematem zastępczym – rys. 2. W schemacie tym parametry gałęzi podłużnej RT, XT, ZT wyznaczane są na podstawie napięcia zwarcia wyznaczanego dla potrzeb własnych, a parametry poprzeczne XD, RD, z mocy kompensacyjnej dławika oraz ze strat kompensacyjnych (bez potrzeb własnych) i można wykorzystać załączone poniżej formuły:

gdzie:
P_pw – straty uzwojenia potrzeb własnych [W]
P_c – straty kompensacyjne [W]
U_n – napięcie znamionowe [V]
S_n – moc potrzeb własnych [VA]
Q_n – moc kompensacyjna [VAr]
u_z% – napięcie zwarcia uzwojenia potrzeb własnych [%]

Typowe wartości napięć zwarcia wahają się od 2 do 10% i w głównej mierze zależą od stosunku mocy kompensacji do mocy potrzeb własnych.
Powyższe parametry wyznaczane są pomiarowo w trakcie prób wyrobu, a także wyznaczane obliczeniowo jako wielkości projektowe.

Przekładnia i zmienność napięcia

Zagadnieniem wymagającym szerszego omówienia jest kwestia przekładni napięciowej, gdyż jest ona zasadniczo odmienna od przekładni w transformatorze. Dla transformatora przekładnia zdefiniowana jest jako stosunek napięć po stronie pierwotnej i wtórnej U₁:U₂ występujący przy biegu jałowym – rys. 3. Dla biegu jałowego transformatora można założyć zerowy prąd płynący w gałęzi podłużnej, a tym samym, przy przekładni równej 1 napięcia U₁ = e = U₂. W transformatorze przekładnia napięciowa jest wprost związana z przekładnią zwojową.

W przypadku dławika, nawet gdy strona wtórna jest nieobciążona, to po stronie pierwotnej płynie prąd kompensacyjny powodujący spadki napięć na reaktancji rozproszenia dławika. To powoduje, że przy takim samym stosunku zwojów jak w transformatorze, na stronie wtórnej dławika obserwuje się napięcia o kilka procent niższe. Aby przeciwdziałać temu zjawisku, przekładnię zwojową dławika z uzwojeniem potrzeb własnych należy dobrać nieco niższą niż w typowym transformatorze. Korekta ta zależy od proporcji mocy kompensacji i potrzeb własnych oraz od reaktancji rozproszenia powiązanej z parametrem napięcia zwarcia. Z uwagi na brak możliwości dokładnego analitycznego uwzględnienia tych zjawisk na etapie projektowania, zwykle uchyb przekładni dławika jest większy od uchybu przekładni transformatora i może wynosić ok. 1%.

W tym miejscu należy wspomnieć o jeszcze jednym zjawisku. Uzwojenie potrzeb własnych może również być obciążone pojemnościowo. W takim przypadku napięcie po stronie wtórnej przy obciążeniu może być wyższe od napięcia występującego bez obciążenia. Zilustrowano to na uproszczonym wykresie wskazowym – rys. 4., gdzie pokazano w jaki sposób zachowuje się napięcie po stronie wtórnej U₂, przy jednakowym napięciu strony pierwotnej U₁, gdy zasila odpowiednio odbiór o charakterze rezystancyjnym, indukcyjnym i pojemnościowym [1]. W przypadkach, w których z powodu charakteru obciążenia dochodzi do sytuacji wzrostu napięcia do poziomu krytycznego dla urządzeń, należy odpowiednio doregulować napięcie przełącznikiem zaczepów po stronie pierwotnej ustawiając go na zaczep przeznaczony dla wyższego napięcia pierwotnego.

Moce kompensacyjne dotychczas produkowanych dławików z uzwojeniami potrzeb własnych najczęściej zawierały się w przedziale do 1000 kVA, podczas gdy moc uzwojeń potrzeb własnych typowo wynosiła do 500 kVA. W zależności od lokalnych warunków panujących w sieci, proporcja pomiędzy mocą potrzeb własnych a mocą kompensacyjną może być mniejsza, równa lub większa od 1. Z uwagi na fakt, że dławiki te bardzo często zastępują transformatory potrzeb własnych, zwykle o mocy do 100 kVA, które we wcześniejszych latach wykonywane były z grupą połączeń Yzn, to takie same preferencje nadal obowiązują w przypadku dławików z uzwojeniami potrzeb własnych.

W przypadku małych transformatorów (do 100 kVA), w których należy liczyć się z asymetrią obciążenia po stronie niskiego napięcia, wybór takiej grupy był ekonomicznie uzasadniony. Obecnie w zakresie mocy do 100 kVA równoważnie stosowana jest również grupa Dyn, a dla mocy wyższych od 100 kVA jest ona wręcz rekomendowana [2]. Z punktu widzenia asymetrii obciążenia obie te grupy połączeń zachowują się poprawnie, natomiast materiałochłonność transformatorów z grupą Dyn przy obecnie stosowanych technologiach jest mniejsza. Stąd też wymóg stosowania grup połączeń Yzn, szczególnie gdy wiąże się z uzwojeniem potrzeb własnych o mocach większych niż 100 kVA, nie jest ekonomicznie uzasadniony.

Metodyka wyznaczania strat

W przypadku transformatorów można wyodrębnić czynnik strat związany z przepływem prądu przez uzwojenie, tzw. straty obciążeniowe, a także czynnik strat związany ze zjawiskami magnetycznymi w rdzeniu (histereza, straty wiroprądowe w blachach) – tzw. straty stanu jałowego zależne od indukcji w rdzeniu. Z uwagi na stosunkowo mały prąd biegu jałowego transformatora można założyć w takim stanie, że całość mierzonych strat to straty w rdzeniu. Podobnie, przy wyznaczeniu strat obciążeniowych, z uwagi na niskie napięcie zwarcia możliwe jest założenie, że całość strat wyznaczanych w tym stanie to straty wyłącznie wynikające z przepływu prądu, a więc straty obciążeniowe. Stąd też w sposób pomiarowy możliwe jest oddzielne wyznaczanie obu tych składników strat. Z uwagi na zależność strat od temperatury obowiązujące normy wymagają przeliczenia wartości strat wyznaczonych z pomiaru na temperaturę referencyjną uzależnioną od klasy ciepłoodporności izolacji uzwojeń [2]. W tym przypadku straty podstawowe przelicza się do wartości odpowiadającej temperaturze referencyjnej mnożąc przez temperaturowy współczynnik rezystancji [4], a straty dodatkowe związane z przepływem prądów wirowych, wyznacza się dzieląc wartość wyznaczoną pomiarowo przez ten współczynnik.

W dławiku sytuacja jest odmienna. Przy podaniu napięcia znamionowego obserwuje się przepływ pełnego prądu kompensacyjnego, a straty pochodzą zarówno od przepływającego prądu, jak i od strumienia przenikającego rdzeń, a ich dokładne rozgraniczenie jest niemożliwe. Można jedynie wyznaczyć straty obciążeniowe podstawowe wynikające z rezystancji wyznaczanej przy prądzie stałym. Zgodnie z normą dotyczącą dławików straty te należy przeliczyć do temperatury referencyjnej, w taki sposób, że straty podstawowe mnożone są przez temperaturowy współczynnik rezystancji, natomiast pozostałe składniki strat, a więc straty w rdzeniu oraz wiroprądowe w uzwojeniu są pozostawiane w wartości wyznaczonej pomiarowo [3].

W przypadku dławików z uzwojeniami potrzeb własnych zaproponowano metodykę wyznaczania i specyfikowania strat łączącą obie powyższe metody. Dla stanu pracy kompensacyjnej wyznacza się składnik reprezentujący straty podstawowe w uzwojeniu i przelicza go zgodnie z wymaganiami normy dla dławików [3].

• P_kcm = I_c²R_GN (5)
• P_o = P_cm – P_kcm (6)
• P_kcn = P_kcm · k_t (7)
• P_c = P_o + P_kcn (8),

gdzie:
• I_c – wartość prądu kompensacyjnego,
• R_GN – rezystancja uzwojenia GN (przy temperaturze otoczenia),
• P_cm – zmierzone straty kompensacyjne (przy temperaturze otoczenia),
• k_t – współczynnik temperaturowy rezystancji.

Przy wyznaczaniu strat obciążeniowych związanych z przepływem prądu od potrzeb własnych można wykorzystać sposób podany w podstawowej normie transformatorowej [2] określając straty podstawowe oraz straty dodatkowe i odpowiednio je przeliczyć do temperatury referencyjnej.

• P_kp = I_DN²R_DN + I_GN²R_GN (9)
• P_kd = P_km – P_kp (10)
• P_kn = P_kp · k_t + P_kd/k_t (11)

W stanie pracy łącznej całkowitą wielkość strat wyznacza się (14) jako sumę podstawowych strat obciążeniowych przy prądzie potrzeb własnych po stronie uzwojenia dolnego napięcia oraz sumarycznym prądzie od potrzeb własnych i kompensacyjnym po stronie górnego napięcia (12), strat dodatkowych odpowiadających sumarycznemu prądowi potrzeb własnych i pracy kompensacyjnej (13) oraz strat kompensacyjnych jałowych (6).

• P_kpt = I_DN²R_DN + (I_GN + I_C)²R_GN (12)
• P_kdt = P_kd((I_GN + I_C) / I_GN)² (13)
• P_tn = P_kpt + P_kdt + P_o (14)

Rodzaje wykonań dławików z uzwojeniami potrzeb własnych

Wybór odpowiedniej wersji dławika podyktowany jest warunkami lokalizacyjnymi, wliczając w to przepisy przeciwpożarowe, przepisy ochrony środowiska, dostępną powierzchnię i narażenie na warunki atmosferyczne oraz klimatyczne. Dobór powinien być poprzedzony odpowiednim rachunkiem ekonomicznym, uwzględniającym kosztu zakupu dławika, planowane koszty użytkowania oraz dodatkowe koszty infrastruktury. Ważnym aspektem wpływającym na wybór wersji jest także przewidywany reżim pracy, w tym sposób sterowania i reagowania na niestandardowe warunki robocze. W przypadku instalacji wnętrzowych można stosować zarówno wykonanie suche, jak i olejowe. W przypadku instalacji napowietrznych konieczny jest wybór wersji olejowej. Te jednak wymagają dodatkowej ochrony przeciwpożarowej oraz środowiskowej, co również wiąże się z adekwatnymi nakładami inwestycyjnymi.

Dławiki kompensacyjne hermetyczne

Konstrukcja hermetyczna transformatora lub też dławika jest w zasadzie bezobsługowa. Olej całkowicie wypełnia zamkniętą szczelnie kadź, a jego zmiany objętości związane z temperaturą kompensowane są elastycznością ścianek falistych. W przypadku większych rozwiązań bardzo często stosowane są zintegrowane zabezpieczenia reagujące na temperaturę, poziom oleju, generowanie się gazów oraz ciśnienie oleju, które standardowo mają zestyki pozwalające na monitorowanie pracy dławika w sposób zdalny i co najważniejsze – niezwłocznie. Dławiki kompensacyjne hermetyczne można montować zarówno w stacjach wnętrzowych, jak i napowietrznych, a ich kompaktowa budowa pozwala na instalowanie w ograniczonej przestrzeni.

Dławiki kompensacyjne z konserwatorem

W wielu wypadkach dławiki są wykonywane z konserwatorem i z przekaźnikiem Buchholza. Ma to na celu wykorzystanie istniejących lub standardowo stosowanych układów zabezpieczeń w oparciu o taki właśnie przekaźnik. Aby ograniczyć negatywny wpływ kontaktu atmosfery z olejem dławiki są wyposażane w odwilżacze. Niemniej należy regularnie sprawdzać stan odwilżacza oraz parametry oleju. Z uwagi na lokalizację Dławiki kompensacyjne z konserwatorem sprawdzą się w instalacjach zewnętrznych i wewnętrznych. Wymagają jednak większej przestrzeni niż analogiczne dławiki hermetyczne.

Dławiki kompensacyjne suche (żywiczne)

Dławiki kompensacyjne suche mogą być stosowane w lokalizacjach o bardziej restrykcyjnych wymaganiach środowiskowych i przeciwpożarowych. Są także w najwyższym stopniu bezobsługowe. Wymagają jednak instalacji wnętrzowych. Standardowo stosuje się w nich dwustopniowe zabezpieczenia temperaturowe chroniące urządzenie przed przegrzaniem.

Szczególne wersje dławików z uzwojeniem potrzeb własnych

Szczególnym przypadkiem dławika z uzwojeniem potrzeb własnych jest dławik, którego uzwojenie po stronie średniego napięcia jest skojarzone w zygzak, co umożliwia również kompensację prądu składowej zerowej po stronie SN. W tym przypadku dławik charakteryzował się następującymi parametrami:
• napięcie znamionowe – 15 750 V,
• moc kompensacyjna – 100 kVAr,
• moc potrzeb własnych – 100 kVA,
• napięcie zwarcia – 4,5%,
• moc kompensacyjna składowej 0 – 160 kVA,
• prąd składowej 0 – 18 A,
• impedancja dla składowej 0 – 31 Ω/fazę,
• grupa połączeń – ZNyn11,
• straty kompensacyjne – 1064 W,
• straty potrzeb własnych – 1043 W,
• straty całkowite – 2697 W.

Inne wersje dławików kompensacyjnych

Sposobem regulacji indukcyjności dławika może być regulacja zaczepowa. Można ją zrealizować z wykorzystaniem przełącznika beznapięciowego lub podobciążeniowego. W obu przypadkach regulacja jest skokowa, ale przy odpowiedniej liczbie zaczepów możliwe jest wykonanie regulacji dość głębokiej – od mocy znamionowej do ½ lub ⅓ tej wartości. W przypadku przełącznika podobciążeniowego regulacja może być stosunkowo szybka, natomiast koszt dławika i jego gabaryty oraz masa są znacznie powiększone. W przypadku przełącznika beznapięciowego do zmiany indukcyjności wymagane jest z kolei wyłączenia dławika spod napięcia. To praktycznie uniemożliwia zastosowanie ich w sieciach, w których zachodzą dynamiczne zmiany charakteru obciążenia.

Szczególne warunki łączeniowe dławików kompensacyjnych

Zwykle dławiki pracują w stanach quasi-ustalonych i na taki stan pracy są zwykle projektowane. Z uwagi na fakt występowania w sieciach zakłóceń (zwarcia, doziemienia, przepięcia łączeniowe oraz atmosferyczne) dławiki kompensacyjne w pewnym stopniu muszą być na nie odporne. Jednym z takich zjawisk jest prąd związany z załączeniem transformatora czy dławika do sieci. Prąd załączenia zależy od geometrii uzwojenia załączanego, wstępnego stanu magnetycznego rdzenia, znamionowej indukcji w rdzeniu oraz chwilowej wartości napięcia, przy której dokonywane jest załączenie. W przypadku transformatorów rozdzielczych wartości prądu załączenia mogą osiągać wartości kilkunastokrotnie większe od prądu znamionowego. Wynika stąd, że załączane uzwojenie może podlegać porównywalnym naprężeniom, jak w przypadku zwarcia. Z uwagi na niższy poziom indukcji znamionowej w dławikach zjawisko to jest nieco mniejsze, jednak krotność prądu załączenia nie jest mniejsza niż 10. Z tego powodu norma [5] wymaga poinformowania dostawcy, jeśli spodziewana liczba załączeń przekracza 24/rok.

Specyfika energetyki rozproszonej, a w szczególności tryb pracy farm wiatrowych lub fotowoltaicznych, który jest bardzo nierównomierny sprawiają, że pracujące w tej sieci dławiki kompensacyjne są wyłączane i załączane ponownie znacznie częściej, a fakt ten podczas procesu zamawiania zwykle jest pomijany. Zaobserwowane zostało również, że częste rozruchy transformatora od stanu zimnego przy obciążeniu znamionowym mogą prowadzić do znacznie szybszej degradacji izolacji niż długotrwała praca przy znamionowym obciążeniu. Zjawisko to jest związane z pewną bezwładnością izolacji olejowej. Zimny olej (z uwagi na jego wyższą lepkość) gorzej krąży wewnątrz transformatora, a to sprawia, że w początkowej fazie pracy nagrzewanie się uzwojeń jest znacznie intensywniejsze [6].

Dławiki kompensacyjne w podsumowaniu

Opisywane wersje dławików z uzwojeniami potrzeb własnych pozwalają poprzez zmianę charakteru obwodu przyłączonego do uzwojenia potrzeb własnych regulację indukcyjności. Połączenie funkcji dławika i transformatora potrzeb własnych pozwala na zainstalowanie go w stacjach, w miejsce transformatora potrzeb własnych, bez konieczności rozbudowy stacji. Również koncepcja połączenia funkcji dławika regulowanego, transformatora potrzeb własnych oraz transformatora uziemiającego pozwoli na efektywniejsze zarządzanie stacjami w których przewidywany jest punkt uziemiający sieci średniego napięcia.

Literatura
1. E. Jezierski, „Transformatory”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1983.
2. PN-EN 50588-1, „Transformatory średniej mocy 50 Hz, o najwyższym napięciu urządzenia nieprzekraczającym 36 kV. Część 1: Wymagania ogólne”, PKN, 04 2016.
3. PN-EN 60076-6:2008, „Transformatory. Część 6: Dławiki”, PKN, 10.2008.
4. www.wikipedia.org.
5. EN-60076-1, „POWER TRANSFORMERS – Part 1: General”, IEC, Ed.3 2011.
6. T. Breckenridge, „Specification of transformers for required service”, Międzynarodowa Konferencja Transformatorowa TRANSFORMATOR’17.

Polski producent transformatorów oraz dławików!

www.trafta.pl