Współczesna energetyka stawia zarówno przed projektantami, wytwórcami urządzeń jak i użytkownikami nowe wyzwania. Ma to związek przede wszystkim z coraz powszechniejszą energetyką rozproszoną oraz coraz powszechniejszą w sieci energią bierną pojemnościową. Niniejszy artykuł jest próbą podzielenia się spostrzeżeniami, jakie aspekty począwszy od zamawiania urządzeń, a kończąc na jego eksploatacji doprowadziły lub mogą doprowadzić do obniżenia parametrów eksploatacyjnych lub do skróconej żywotności wyrobu, jakim jest transformator albo dławik. W szczególności poruszone zostaną aspekty przeciążeń i przewzbudzeń, odpowiednie warunki chłodzenia oraz narażenia na stany nieustalone w sieciach rozdzielczych zarówno dla transformatorów, jak i dławików.
Jak eksploatować transformatory i dławiki?
Urządzenia elektryczne i elektroenergetyczne powinny być projektowane oraz budowane tak, aby pracowały niezawodnie i bezawaryjnie w zakładanym okresie życia, przy zakładanym stopniu obciążenia danego urządzenia. Dla transformatorów i dławików o zakresie mocy mieszczącym się w przedziale urządzeń rozdzielczych deklarowany przez producenta czas użytkowania zawiera się między 20 a 40 lat. Właściwe warunki ich eksploatacji z reguły pozwalają na tak zakładaną trwałość. Zdarza się, że warunki i reżim pracy odbiegają od warunków określanych przez normy jako warunki normalne czy standardowe. Może to skutkować redukcją czasu życia, ograniczeniem efektywności a nawet doprowadzić do zniszczenia urządzeń w sposób gwałtowny. Co ważne, istotna dla poprawnej eksploatacji produktu jest także wiedza o aktualnym stanie pracy, szczególnie podczas obciążeń bliskich znamionowym lub w szczególności powyżej znamionowych.
Sprawdź ofertę firmy Trafta, czyli polskiego producenta transformatorów oraz dławików TUTAJ!
Zdefiniowanie parametrów zasilania urządzenia
W odniesieniu do transformatorów i dławików, w świetle uregulowań normatywnych warunki instalacji i zasilania zdefiniowane są poprzez temperatury otoczenia oraz ewentualnie inne aspekty środowiskowe (zapylenie, atmosfera agresywna), wysokość zainstalowania, kształt i symetria napięcia zasilającego oraz obecność harmonicznych w prądzie obciążenia. Z punktu widzenia napięcia zasilania należy przede wszystkim zwrócić uwagę na poprawne zdefiniowanie wartości napięcia znamionowego. Zdarzają się bowiem sytuacje, w których zamawiany jest transformator 20 kV, a faktyczne napięcie w sieci waha się pomiędzy 21 a 21,5 kV. Nawet, jeżeli urządzenie pozwala na regulację zaczepową w standardowym zakresie ± 5%, to faktyczne wartości napięć roboczych w tym przypadku sprawiają, że transformator jest przewzbudzony.
Specyfika współczesnych blach elektrotechnicznych oparta o niskostratne materiały magnetyczne pozwala na dobór odpowiednio wysoko położonego punktu pracy, zapewniając jednocześnie wymagane niskie straty jałowe. To jednak sprawia, że przy niewielkich przewzbudzeniach istnieje ryzyko pracy na stromej części charakterystyki stratności. Na rysunku poniżej pokazano, że przy dziesięcioprocentowym zwiększeniu indukcji (z poziomu 1,70 T do poziomu 1,87 T) stratność materiału może wzrosnąć ponad półtorakrotnie. Skutkiem tego mogą być, oprócz nieco zwiększonych kosztów ponoszonych za energię, lokalne przegrzania rdzenia i uzwojeń dolnego napięcia, zwłaszcza w transformatorach suchych.
Niewłaściwe zdefiniowanie napięcia znamionowego w przypadku dławików niesie za sobą jeszcze bardziej krytyczne skutki. W zakresie napięć roboczych powinny być one elementem w przybliżeniu liniowym. To oznacza, że ich prąd jest proporcjonalny do napięcia, a to z kolei sprawia, że straty generowane w dławikach zmieniają się z kwadratem napięcia. Należy pamiętać, że dla dławików kompensacyjnych definiowane są zwykle co najmniej dwie wartości napięcia – znamionowe oraz maksymalne napięcie robocze. Napięcie znamionowe jest wartością, przy której moc dławika osiąga swoją wartość nominalną. Maksymalne napięcie robocze z kolei jest wartością, która powinna pozwolić na jego długotrwałą pracę bez jego przegrzewania się. Zagadnienia wpływu przewzbudzenia na pracę zarówno transformatorów, jak i dławików zostały szerzej opisane w publikacji [1].
Sprawdź ofertę firmy Trafta, czyli polskiego producenta transformatorów oraz dławików TUTAJ!
Praca pod obciążeniem i zapewnienie odpowiednich warunków chłodzenia
Na przegrzewanie się transformatora wpływ ma kilka czynników, takich jak m.in. temperatura otoczenia, właściwe przewietrzanie komory czy stany przeciążenia. W większości przypadków transformatorów i dławików o napięciach do 36 kV występuje naturalne chłodzenie konwekcyjne wymuszane grawitacyjnie. Dla transformatorów wnętrzowych przy ograniczonej kubaturze komory transformatora istotne jest, aby była ona wyposażona w otwory wlotowe oraz wylotowe powietrza opływającego chłodzone urządzenie. W szczególności otwory powinny być umieszczone na przeciwległych ścianach, na różnych wysokościach dla zapewnienia odpowiedniego grawitacyjnego ruchu powietrza i muszą mieć odpowiedni przekrój.
Niejednokrotnie zdarza się, że komora nie zapewnia jednak odpowiedniego przepływu powietrza chłodzącego nawet przy wymuszonym chłodzeniu w komorze, sprawiając, że strumień powietrza przepływa poza transformatorem i w ten sposób pozostaje nieefektywny z punktu widzenia chłodzenia.
Należy też zaznaczyć, że otwory wentylacyjne nie powinny pozwalać na wnikanie opadów atmosferycznych do komory. Dotyczy to zawłaszcza transformatorów suchych. Mimo to niejednokrotnie spotyka się ślady na transformatorach, które świadczą o tym, że na urządzenie kapała woda, stało ono w wodzie albo, że silny wentylator wyciągowy powodował zasysanie śniegu lub pyłu przez dolne otwory wentylacyjne komory.
Rozważając aspekty pracy pod obciążeniem warto zaznaczyć, że z eksploatacyjnego punktu widzenia, przy stratach znamionowych transformatora wynikających z dyrektyw unijnych [2] mniejsze koszty eksploatacji ponoszone są w przypadku większego transformatora mniej obciążonego, niż transformatora mniejszego pracującego w górnym zakresie mocy. Na podobnej zasadzie warto rozważyć, czy dany obiekt zasilać z jednego transformatora czy też z dwóch o mniejszych mocach. To drugie rozwiązanie pozwala na zapewnienie ciągłości zasilania w przypadku, gdy jeden z transformatorów ulegnie awarii.
Brak odpowiedniego chłodzenia może powodować nadmierne przyrosty temperatur, a to z kolei, zgodnie z prawem Montsingera, skrócenie czasu życia urządzenia [3].
Sprawdź ofertę firmy Trafta, czyli polskiego producenta transformatorów oraz dławików TUTAJ!
Przeprowadzanie operacji łączeniowych
Operacje łączeniowe związane są z występowaniem stanów nieustalonych w urządzeniach. Mają one zwykle znacznie bardziej krytyczny charakter niż długotrwała praca ustalona. W przypadku urządzeń o charakterze indukcyjnym, jak transformatory i dławiki należy liczyć się z przepięciami w momencie wyłączania. Z kolei dla urządzeń z rdzeniem ferromagnetycznym dochodzi do przetężeń w momencie załączania. Z uwagi na te narażenia dla normalnych zastosowań, normy ograniczają operacje łączeniowe do 24 na rok [4].
Prąd załączenia jest zależny od geometrii uzwojeń, momentu załączenia, wstępnego stanu magnetycznego rdzenia. Może on osiągać chwilowe wartości kilkunastokrotnie przewyższające wartość prądu znamionowego. Taki prąd może powodować naprężenia porównywalne z wartościami naprężenia w trakcie zwarcia oraz powodować lokalne przegrzewanie uzwojeń. Zakładając, że krotność prądu załączenia wynosi 10, należy wziąć pod uwagę, że w takim stanie przejściowym jego przepływ generuje straty około 100-krotnie przewyższające straty znamionowe.
Zastępcze cieplne obciążenie urządzenia przy obciążeniach dorywczych lub przerywanych można wyrazić formułą:
gdzie:
Ii – wartość skuteczna prądu w okresie i,
ti – czas trwania okresu i.
W takim przypadku, zakładając dodatkowo, że po ustaleniu procesów przejściowych urządzenie jest obciążone mocą znamionową, zastępcze obciążenie urządzenia będzie nie wyższe niż 105% obciążenia znamionowego dopiero po czasie ponad 900-krotnie przewyższającym czas trwania procesów przejściowych. Inne zjawiska towarzyszące gwałtownemu wzrostowi prądów obciążenia, takie jak lokalne i chwilowe pogorszenie parametrów oleju opisane zostało w [5].
Przy wyłączaniu indukcyjności pojawiają się przepięcia zgodnie z zależnością:
gdzie:
L – jest indukcyjnością urządzenia.
W przypadku zastosowania do operacji łączeniowych wyłączników próżniowych, które umożliwiają praktycznie wyłączenie prądu podczas pierwszego przejścia przez zero, jego wartości chwilowej można się spodziewać przepięć rzędu 65% wartości szczytowej napięcia sinusoidalnego. Zatem istotne jest, aby dławiki, a w szczególności te przeznaczone do częstych operacji łączeniowych, wyposażone były w ograniczniki przepięć zamontowane bezpośrednio przy nich. Dla dławików zaleca się też stosowanie ograniczników przepięć dobranych na napięcie fazowe i przyłączonych pomiędzy izolatorem liniowym, a izolatorem punktu gwiazdowego, jeżeli mają one taki punkt wyprowadzony.
Wewnętrzna energia pola magnetycznego wyraża się następującym wzorem:
gdzie:
L – indukcyjność urządzenia,
I – wartość skuteczna prądu.
Przekształcając powyższy wzór można stwierdzić, że energia wewnętrzna pola jest proporcjonalna do mocy dławika.
Z uwagi na zjawiska przepięć oraz konieczność rozładowania energii wewnętrznej dla dławików wyposażonych w regulację podobciążeniową zaleca się, aby załączenie oraz wyłączenie odbywało się na zaczepie o minimalnej wartości prądu. Przy typowej głębokości regulacji takich dławików osiągającej 50% pozwala to na dwukrotną redukcję energii rozładowania, ok. 30-procentową redukcję wewnętrznych naprężeń elektrycznych. Ponadto załączanie dławika na zaczepie o minimalnym prądzie wiąże się z około 4-krotnie mniejszym obciążeniem cieplnym uzwojeń w momencie załączania.
Negatywne skutki zbyt częstego manewrowania dławikiem zostały przedstawione za zdjęciach poniżej. Przedmiotowy dławik charakteryzował się mocą 5 Mvar i napięciem 30 kV. W trakcie prób ruchowych został on poddany cyklowi operacji łączeniowych polegających na jego wielokrotnym załączaniu i wyłączaniu w krótkich interwałach czasowych (ok. 600 cykli łączeniowych załącz–wyłącz w okresie ok. 5 h, czyli średnio 1 cykl na 30 s). Energię pola elektromagnetycznego tego dławika można oszacować na 3800 J. W momencie wyłączenia na skutek przepięcia energia ta rozładowuje się przez warystorowy ogranicznik przepięć. Dla zobrazowania zjawiska, porównując tę wartość z wartością ciepła właściwego tlenku cynku będącego zwykle głównym składnikiem ograniczników przepięć wynoszącą 495 J/kgK, można stwierdzić, że rozładowanie energii dławika powoduje kilkustopniowe podwyższenie temperatury ogranicznika. Wielokrotne operacje wyłączania w krótkim czasie spowodowały, że skumulowana energia przekroczyła wartość wytrzymałości warystora. Z kolei na eksplozję przepustu złożyły się obciążenia cieplne związane z częstymi rozruchami, a następnie przepływ prądu zwarciowego powstałego po destrukcji ogranicznika przepięć. Warto zaznaczyć, że z uwagi na fakt zainstalowania ograniczników przepięć część aktywna przedmiotowego dławika nie doznała większego uszczerbku. Potwierdza to sens stosowania odpowiednich zabezpieczeń.
W pewnych przypadkach, szczególnie dotyczy to dławików, istotny jest dobór odpowiedniej aparatury łączeniowej. Ważnym parametrem jest tutaj zdolność łączeniowa w obwodzie indukcyjnym. Przykładem może być rozłącznik o napięciu znamionowym 17,5 kV i prądzie znamionowym 400 A, którego zdolność łączeniowa w obwodzie indukcyjnym wynosi tylko 16 A.
Podsumowanie
Eksploatując transformatory i dławiki należy mieć świadomość, jakie następstwa towarzyszą określonym reżimom pracy, np. przy podwyższonym napięciu, okresowej przy przeciążeniach czy częstych operacjach łączeniowych. Świadomość takich następstw pozwoli z jednej strony na zamawianie urządzenia dostosowanego do wymaganej specyfiki eksploatacyjnej i w szczególności na wyspecyfikowanie istotnych cech mających wpływ na jego trwałość w tych konkretnych warunkach. Z drugiej strony natomiast wiedza o tych zjawiskach pozwoli na właściwe. zaprojektowanie obiektów elektroenergetycznych, z uwzględnieniem odpowiednich układów monitoringu i zabezpieczeń
Literatura
1. J. Dziura, „Wybrane aspekty poprawnej eksploatacji transformatorów rozdzielczych i dławików”, Urządzenia dla energetyki 6/2017.
2. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 548/2014 (21 maja 2014) w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do transformatorów elektroenergetycznych małej, średniej i dużej mocy.
3. IEC 60076-7, „Power transformers – Part 7: Loading guide for mineral-oil-immersed power transformers”.
4. EN-60076-1, „POWER TRANSFORMERS – Part 1: General”, IEC, Ed.3 2011.
5. T. Breckenridge, „Specification of transformers for required service”, Międzynarodowa Konferencja Transformatorowa TRANSFORMATOR’17.
Sprawdź ofertę firmy Trafta, czyli polskiego producenta transformatorów oraz dławików!
Publikacja artykułu: wrzesień 2026 r.
