Stacja-transformator

Dobór klasy obudowy wnętrzowych stacji transformatorowych SN/nn

W Polsce coraz częściej doświadczamy ekstremalnych zjawisk pogodowych. Trąby powietrzne, wichury, gwałtowne burze oraz upały są nieodłączną cechą naszej aury. Zmieniający się klimat stawia nowe wyzwania przed projektantami sieci SN.

Przyjęcie właściwej średniej temperatury skutkuje koniecznością uwzględnienia współczynnika obciążenia transformatora i w konsekwencji pozwala na dobór stacji o właściwej klasie obudowy [2]. Ma to duże znaczenie przy projektowaniu nowych rozwiązań technicznych, np. wnętrzowych stacji transformatorowych SN/nn, w których zastąpiono transformator dławikiem kompensacyjnym średniego napięcia z uzwojeniem potrzeb własnych, którego profil obciążenia jest całkowicie odmienny od transformatora rozdzielczego. Ma to również ogromne znaczenie przy projektowaniu stacji transformatorowej dla potrzeb fotowoltaiki, w której występuje przepływ energii elektrycznej odmienny od tradycyjnej stacji sieciowej [2]. Dla typowych sieciowych stacji wnętrzowych SN/nn ma to mniejsze znaczenie, ponieważ w większości przypadków są one projektowane z dużym zapasem obciążenia. Współczynnika obciążenia transformatora wynikającego z klasy obudowy nie uwzględniono w żadnym z projektów przeglądanych do tej pory przez autora, co świadczy, że parametr ten nie jest uwzględniany zarówno przez projektantów, jak i przez inwestorów. Ostatnio dochodziło do pierwszych awarii w stacjach transformatorowych SN/nn, w których znajdował się dławik kompensacyjny SN z uzwojeniem potrzeb własnych. Pojawia się konieczność dokonania jeszcze głębszej weryfikacji wytycznych oraz założeń do ich projektowania [2].

Klasa obudowy

W prawidłowo wykonanym projekcie sieci SN konieczny jest dobór lub weryfikacja klasy obudowy projektowanej wnętrzowej stacji transformatorowej SN/nn. Klasę obudowy zdefiniowano w punkcie 3.112 normy PN-EN 62271-202:2014-12 Wysokonapięciowa aparatura rozdzielcza i sterownicza – Część 202: Stacje transformatorowe prefabrykowane wysokiego napięcia na niskie napięcie [3] jako różnicę przyrostu temperatury między transformatorem w obudowie i tym samym transformatorem na zewnątrz obudowy w normalnych warunkach pracy określonych w normie. Dodatkowo w definicji zapisano, że wartości znamionowe transformatora (moc i straty) odpowiadają maksymalnym wartościom znamionowym stacji transformatorowej prefabrykowanej [3]. Należy pamiętać, że moc znamionowa maksymalna stacji transformatorowej prefabrykowanej jest określona przez maksymalną moc znamionową i straty znamionowe całkowite transformatora lub transformatorów, wyznaczone zgodnie z normą PN-EN 60076-1:2011 Transformatory – Część 1: Wymagania ogólne [4] lub z normą PN-EN IEC 60076-11:2019‑01 Transformatory – Część 11: Transformatory suche [5], dla których stacja wnętrzowa jest zaprojektowana.
Z kolei klasa znamionowa obudowy jest klasą obudowy właściwą dla mocy znamionowej maksymalnej prefabrykowanej wnętrzowej stacji transformatorowej SN/nn [3]. Dość powszechny wśród kadry inżynieryjno-technicznej spółek dystrybucyjnych jest pogląd, że wnętrzową stację transformatorową SN/nn o danej mocy znamionowej można obciążyć do takiego poziomu mocy, jaki wynika z mocy znamionowej stacji, a nawet dopuszczalne jest jej przeciążenie. Taki pogląd nie ma potwierdzenia w przedmiotowych normach. To właśnie klasa obudowy jest używana do określenia współczynnika obciążenia transformatora zapewniającego nieprzekroczenie granicznych zakresów temperatur podanych w normach PN‑EN 60076-1:2011 [4] lub PN‑EN IEC 60076-11:2019-01 [5] i opisanych w załączniku DD do normy PN-EN 62271-202:2014‑12 [3]. Zgodnie z treścią załącznika DD, wynikającą z zapisów normy [4] i [5], znamionowa moc transformatora odnosi się do średniej rocznej temperatury wynoszącej 20oC, co odpowiada marginesowi 20 oC do maksymalnej temperatury otoczenia 40oC. Przyjęcie innych rocznych temperatur i różnych klas obudów wnętrzowych stacji transformatorowych SN/nn wymusza zastosowanie różnych współczynników obciążenia, które należy odczytać z wykresów przedstawionych na rysunkach od DD.1 do DD.9 [3].
Ponieważ w sieciach dystrybucyjnych najczęściej stosowane są transformatory olejowe, na nich skupiono rozważania w dalszej części artykułu. Na rysunku 1 przedstawiono krzywe obciążenia transformatorów olejowych.

współczynnik-obciążenia-transformatorów-olejowych
Rys. 1 Współczynnik obciążenia transformatorów olejowych [3]

Współczynnik obciążenia transformatora z rysunku 1 wyznacza się w następujący sposób [3]:
– najpierw należy wybrać właściwą krzywą dla dobranej klasy obudowy stacji SN/nn,
– następnie na osi pionowej – właściwą średnią temperaturę otoczenia w danym okresie dla konkretnej lokalizacji stacji SN/nn,
– punkt przecięcia linii temperatury otoczenia z krzywą dla dobranej klasy obudowy stacji wyznacza dopuszczalny współczynnik obciążenia transformatora odpowiadający maksymalnej górnej granicy przyrostu temperatury oleju transformatora.

Jako przykład wyznaczony zostanie współczynnik obciążenia olejowego transformatora rozdzielczego dla dwóch pór roku: zimy i lata dla wnętrzowej prefabrykowanej stacji transformatorowej o klasie obudowy 20.
Projektanci do tej pory najczęściej przyjmowali, bezkrytycznie opierając się na zapisach normy [3], średnie roczne temperatury otoczenia: w zimie 0 oC, w lecie 20 oC.
Obliczenia wykonywane dla dwóch pór roku wynikały z przyjętego założenia, że maksymalne obciążenie stacji wnętrzowych SN/nn występowało zimą. Dzięki temu, że wówczas panowała niższa średnia temperatura, stację można było bardziej obciążyć niż w lecie. Od wielu już lat maksymalne obciążenie stacji wnętrzowych SN/nn występuje nie zimą, ale latem. W związku z tym należy się zastanowić, czy w ogóle nie zrezygnować z projektowania obciążenia stacji dla tej pory roku, poza szczególnymi przypadkami, dla których obciążenie zimą jest większe niż latem.
Powszechnie stosowane w naszym kraju olejowe transformatory dystrybucyjne mają dopuszczalny przyrost temperatury oleju-uzwojenia 60-65 K. Spośród czterech osi pionowych należy wybrać oś dla takiego przyrostu temperatury. Na tej osi znaleźć przyjętą do projektowania średnią temperaturę otoczenia w zimie i poprowadzić poziomą linię aż do przecięcia z krzywą dla obudowy o klasie 20 (na rysunku 1 kolor niebieski). W podobny sposób poprowadzić poziomą linię dla przyjętej do projektowania średniej temperatury w lecie (na rysunku1 kolor żółty).

Z krzywych na rysunku 1 wyznaczono współczynniki obciążenia olejowych transformatorów rozdzielczych o wartościach:
1 dla zimy, przy założeniu średniej temperatury otoczenia 0oC;
0,766 dla lata, przy założeniu średniej temperatury otoczenia 20oC.
Na przykład dla olejowego transformatora rozdzielczego o mocy znamionowej 630 kVA wyznaczono maksymalne obciążenie przy założonych średnich temperaturach otoczenia dla poszczególnych pór roku: 630 kVA dla zimy, 482,6 kVA dla lata.
Warto zastanowić się, czy bezkrytyczne przyjmowanie z normy średniej temperatury otoczenia 200C dla lata, bez weryfikacji rzeczywistych temperatur, jest właściwe. Do wyznaczenia średniej temperatury dobowej przeanalizowano najgorętszy dzień w 2019 roku i w 2020. Rekord ciepła padł w 2019 roku 29 czerwca w Głogowie, a w 2020 – 8 sierpnia w Trzebieży. Zarejestrowaną temperaturę dla Głogowa 29 czerwca 2019 roku przedstawiono na rysunku 2, a dla Trzebieży 8 sierpnia 2020 roku zaprezentowano na rysunku 3.
Dla rekordowego 29 czerwca 2019 roku średnia temperatura dobowa w Głogowie wynosiła aż 27,42oC, a dla tej średniej temperatury dobowej maksymalny współczynnik obciążenia wynosi już tylko 0,65. Zatem wnętrzową prefabrykowaną stację transformatorową o mocy znamionowej 630 kVA z olejowym transformatorem rozdzielczym o mocy znamionowej 630 kVA można obciążyć latem dla średniej temperatury dobowej około 27,5oC maksymalną mocą jedynie 410 kVA. Z kolei dla rekordowego 8 sierpnia 2020 roku średnia temperatura dobowa w Trzebieży to aż 26,58 oC, a dla tej średniej temperatury dobowej maksymalny współczynnik obciążenia wynosi już tylko 0,67. Zatem wnętrzową prefabrykowaną stację transformatorową o mocy znamionowej 630 kVA z olejowym transformatorem rozdzielczym o mocy znamionowej 630 kVA można obciążyć latem dla średniej temperatury dobowej wynoszącej około 26,6oC maksymalną mocą jedynie 422 kVA.

Rys. 2. Temperatura 29 czerwca 2019 roku w Głogowie [6]

Rys. 3. Temperatura 8 sierpnia 2020 roku w Trzebieży [6]

Wyliczone średnie temperatury dla wybranych najgorętszych dni w 2019 i 2020 roku znacząco przekraczają temperatury proponowane w normie dla lata. Ze względu na nieodwracalne zmiany w klimacie należy zweryfikować dotychczasowe założenia w zakresie średnich temperatur do projektowania wnętrzowych prefabrykowanych stacji transformatorowych SN/nn. Jako właściwe uważa się przyjmowanie dla lata średniej temperatury co najmniej 25oC. Dla indywidualnych przypadków z ostrożności warto założyć średnią temperaturę dla tej pory roku nawet 30oC, biorąc pod uwagę fakt, że maksymalne obciążenie stacji występuje obecnie właśnie latem. Należy poddać pod dyskusję, czy nie ograniczyć projektowania obciążenia stacji jedynie dla lata, poza szczególnymi przypadkami, dla których obciążenie zimą jest większe niż latem.

Mirosław Schwann, KENTIA Firma Konsultingowa

Literatura

[1] Dziura J., Nowoczesne warianty dławików kompensacyjnych w sieciach średnich napięć, ,,Maszyny Elektryczne – Zeszyty Problemowe’’ nr 1/2019 (121), s. 49-54.
[2] Schwann M., Projektowanie wnętrzowych stacji transformatorowych SN/nn dedykowanych do kompensacji prądów pojemnościowych w głębi sieci i dla fotowoltaiki, Konferencja Naukowo-Techniczna ,,Linie i stacje elektroenergetyczne’’, 5-6 listopada 2020 roku; konferencja on-line.
[3] PN-EN 62271-202:2014‑12 Wysokonapięciowa aparatura rozdzielcza i sterownicza – Część 202: Stacje transformatorowe prefabrykowane wysokiego napięcia na niskie napięcie.
[4] PN-EN 60076-1:2011 Transformatory – Część 1: Wymagania ogólne.
[5] PN-EN IEC 60076-11:2019-01 Transformatory – Część 11: Transformatory suche.

Czytaj dalej