POSTURI DE TRANSFORMARE - Tipuri de posturi de transformare, Structura posturilor de transformare, Dimensionarea posturilor de transformare, Exploatarea economica a transformatoarelor

POSTURI DE TRANSFORMARE

1. Tipuri de posturi de transformare

Posturile de transformare sunt statii electrice de transformare, coboratoare, cu o putere ceruta maxima de 1600 lVA, in care tensiunea energiei electrice este coborata de la o tensiune medie la joasa tensiune, in scopul alimentarii retelelor electrice de utilizare. Posturile de transformare fac astfel legatura intre retelele electrice de medie tensiune si cele de joasa tensiune.

In cadrul instalatiilor electrice la consumator, posturile de transformare reprezinta puncte de alimentare cu energie electrica la tensiunea de utilizare, corespunzatoare receptoarelor si utilajelor, care poate fi:

U_lMT I kV;

U_ln I V.

Principalele criterii de clasificare a posturilor de transformare se refera la solutia constructiva, amplasarea, structura proceselor tehnologice deservite si numarul de transformatoare. Alte criterii de clasificare pot fi: nivelul tensiunii inalte (medii), nevelul tensiunii joase, puterea instalata totala s.a.

Din punct de vedere constructiv, posturile de transformare se realizeaza in urmatoarele variante, prezentate in figura 1:

- posturi de transformare in cabina de zidarie;

- posturi de transformare in dulapuri metalice;

- posturi de transformare montate pe unul sau doi stalpi, S_nT = (20 350) kVA; aceste posturi de transformare pot fi pe platforma sau agatate pe stalp.

Amplasarea se refera atat la pozitia posturi de transformare in raport cu cladirile consumatorilor, cat si la cota de situare in raport cu solul.

a

b

c

Fig. 1. Tipuri constructive de posturi de transformare: a - in cabina de zidarie;

b - in dulapuri metalice; c -. montat pe un stalp

Dupa pozitia posturilor de transformare in raport cu cladirile consumatorilor, se diferentiaza doua tipuri de posturi de transformare:

- independente de cladirile consumatorilor, exterior si interior;

- integrate in cladirile sectiilor productive, cat mai aproape de centrul de greutate al sarcinilor (interioare).

Cota de situare a posturilor de transformare in raport cu solul, determina urmatoarele tipuri de posturi de transformare:

- posturi de transformare subterane;

- posturi de transformare supraterane (terestre);

- posturi de transformare aeriene.

In raport cu structura proceselor tehnologice deservite, se intalnesc urmatoarele doua tipuri de posturi de transformare:

- posturi de transformare bloc proces tehnologic, adica posturi de transformare care alimenteaza utilaje grupate pe procese tehnologice, in cadrul unei singure sectii sau a catorva sectii apropiate. Aceasta situatie conduce la o exploatare economica a posturilor de transformare, in conditiile unei sigurante sporite in functionare;

- posturi de transformare cu consumator eterogen, destinat alimentarii unei diversitati de utilaje, apartinand unor procese tehnologice diferite si prezentand caracteristici electroenergetice diferite.

Astfel de cazuri creeaza probleme in asigurarea selectivitatii protectiei si conduc la o frecventa mai mare a deranjamentelor.

Numarul de unitati de transformator, care poate fi 1, 2 sau 3, este in stransa legatura cu categoriile receptoarelor din punctul de vedere al continuitatii in alimentarea cu energie electrica si determina nemijlocit configuratia schemei electrice a posturilor de transformare si o serie de aspecte functionale.

Structura posturilor de transformare

Instalatia electrica a posturilor de transformare, indiferent de varianta constructiva a acestora, cuprinde doua feluri de circuite:

- circuite primare, incluzand toate elementele care concura la transmiterea si transformarea energiei electrice;

- circuite secundare, cu rol de protectie, comanda, semnalizare, masura, control s.a.

In schemele circuitelor primare, elementele pot fi grupate pe celule functionale, concretizate adesea in unitati constructiv - functionale. Astfel, in MT sunt celule sosire linii, celule cupla, masura si eventual celule ale mijloacelor de compensare a puterii reactive. Celulele transformator leaga partile MT si JT ale posturilor de transformare, iar celulele de JT, mai numeroase, pot fi:

- celule plecari;

- celula mijloacelor de compensare a puterii reactive;

- celule cupla.

In figura 2 sunt prezentate variante ale celulelor sosire linii.

a b c d

Fig.  Configuratii ale celulelor sosire linii MT: a - cu separator( Q1A) de rupere in sarcina;

b - cu separator simplu (Q1B); c - pentru sistem dublu de bare; d - cu siguranta si separator

Variantele cu un singur dispozitiv de separare a cailor de curent, fie acesta separator cu rupere sub sarcina (Q1A), fie separator simplu (Q1B), sunt destinate unor sisteme simple de bare WI (figura 2, a si b). Cand sistemul de bare este dublu, introducerea separatorului de bare Q2C devine necesara.

Separatoarele de pamantare (Q2A, Q2B si Q3C) permit punerea capatului liniei LE la pamant, atunci cand sunt prevazute lucrari de reparatii, intretinere sau revizii. Schema cu siguranta-separator, avand eventual si descarcator cu rezistenta variabila (F2D in fig. 2, d), se intalneste la posturile de transformare cu o singura unitate, de puteri relativ mici (sub 250 kVA), montate pe stalp sau in constructie metalica.

Celulele de baza ale posturilor de transformare sunt cele care contin transformatoarele de putere si aparatura de protectie, comutatie si masura aferenta. In figura 3, este indicata o structura generala a celulei transformator, cu prezentarea unor alternative pentru unele dintre aparatele din schema de distributie. Aceasta evidentiaza faptul ca aparatul de protectie pe partea de MT, marcat prin Q2 (figura 3), poate fi de unul din urmatoarele tipuri:

- intreruptor automat;

- separator cu rupere sub sarcina;

- siguranta de MT.

Pe partea de JT, protectia se asigura prin intreruptor automat (Q3 - figura 3) sau, la posturile de transformare de puteri mai mici, prin siguranta fuzibila. Separatorul Q4 este reprezentat in schema de baza ca pentru un sistem dublu de bare pe partea de JT, existand si alternativa (fig. 4, b), ca sistemul de bare sa fie simplu. Cu linie intrerupta s-a redat in figura conductorul de nul, prezent sistemul de bare WJ si legat la pamant prin rezistenta Ro a prizei de pamant. Transformatoarele de masura de curent TC1 si TC2 furnizeaza aparatelor de masura ca ampermetre, voltmetre, contoare etc., semnale proportionale cu curentii din partile de MT, respectiv JT.

a b

Fig. 4. Structura generala a celulei transformator a - schema monofilara; b - variante de echipare.

Celula masura (MT), prezentata in figura 5, cuprinde transformatoarele de masura de tensiune TU; de obicei, se utilizeaza doua transformatoare, legate in V. Acestea furnizeaza aparatelor de masura ca voltmetre, wattmetre, cosfimetre etc. semnale proportionale cu tensiunea de serviciu, de MT.

Fig. 4. Celula masura (MT)

Celulele de MT sunt interconectate prin intermediul barelor de MT, iar celulele de JT - prin barele de JT. Barele de MT pot lipsi la posturile de transformare cu o singura linie MT si un singur transformator. Sistemele de bare pot fi simple, sectionate sau duble, asa cum se prezinta in figura 5.

a b c

Fig. 5. Sisteme de bare: a - simplu; b - dublu; c - sectionate.

In cazul unui sistem de bare sectionate (figura 5, a), o celula poate fi conectata numai la una dintre sectiuni, in timp ce in cazul unui sistem dublu de bare, majoritatea celulelor pot fi racordate la oricare dintre sistemele de bare componente (figura 5, b).

Existenta sistemelor de bare sectionate si duble face necesara prevederea unor celula de cupla, care sa faca legatura intre cele doua sisteme de bare, componente. Schemele celulelor de cupla, prezentate in figura 6, sunt valabile atat in MT cat si in JT; W1 si W2 reprezinta doua sisteme de bare distincte, rezultate prin sectionare sau dublare. Cupla simpla (figura 6, a),

a b

Fig. 6. Schemele celulelor de cupla: a - simpla; b - automata.

cuprinde un singur separator, Q1A, fara posibilitatea de comutare sub sarcina. Cupla automata (figura 6, b) este mai dezvoltata, cuprinzand in afara intreruptorului automat Q2B si separatoarele de bare Q1B si Q3B. Cupla longitudinala leaga sectiunile distincte ale unui sistem de bare sectionate; cupla transversala leaga sistemul dublu de bare.

Cele mai dezvoltate, ca numar, sunt celulele plecarilor JT, datorita rolului de distributie pe care il joaca posturile de transformare, pe langa cel de transformare a energiei electrice. Acestea sunt destul de diverse, asa cum se poate observa in figura 7, in raport cu puterile transportate de liniile JT si cu aparatura folosita. La curentii mai mari, liniile JT se protejeaza prin intreruptor automat (Q2A), ceea ce face necesara prevederea si a unui separator de bare (Q1A).

a b c d

Fig. 7. Configuratii ale celulelor plecari JT: a - cu intreruptor automat;

b - cu separator si siguranta fuzibila; c - cu separator unic pentru

mai multe linii JT; d - numai cu siguranta fuzibila.

Varianta separator-siguranta, prevazuta si cu masura (fig. 7, b), acopera o gama larga de plecari JT; din economie, exista solutia montarii unui singur separator (Q1C) pentru cateva linii JT (figura 7, c). Cea mai simpla si frecvent utilizata schema este cea cu protectia asigurata prin sigurante fuzibile (figura 7, d); linia de JT, dupa ce s-a decuplat sarcina de la capatul acesteia, poate fi separata de la sistemul de bare (WJ), prin extragerea patroanelor fuzibile, astfel ca sigurantele F1D joaca si rol de separator, in caz de separatii-revizii.

Compensarea centralizata, la posturile de transformare, a puterii reactive se realizeaza prin prevederea unor celule de compensare, in JT sau MT. O configuratie posibila pentru aceste celule este prezentata in figura 8, in optiunea JT. Circuitul comun (coloana) se prevede cu protectie, comutatie si masura, iar circuitele individuale ale treptelor bateriei de condensatoare se prevad cu protectie si comutatie. De obicei, o treapta (ex, C0) este fixa, iar celelalte sunt comutabile, manual sau automat.

Fig. 8. Celula de compensare a puterii reactive.

3. Dimensionarea posturilor de transformare

Problema dimensionarii PT este relativ complexa, deoarece presupune parcurgerea urmatoarelor etape mai importante:

- stabilirea numarului de PT si a puterilor cerute pe fiecare PT;

- determinarea locurilor de amplasare a PT;

- determinarea puterilor activa si aparenta pe fiecare PT;

- stabilirea numarului si a puterilor transformatoarelor dintr-un PT;

- organizarea regimului de functionare in paralel a transformatoarelor din fiecare PT.

A. Stabilirea numarului de PT

Modalitatea de grupare a receptoarelor si utilajelor pe puncte de alimentare in joasa tensiune este subordonata unor criterii ca:

- amplasarea invecinata;

- apartenenta la acelasi proces tehnologic;

- puterile aparente cerute sa se incadreze in domeniul (16 1600) kVA;

- puterile cerute pe fiecare PT sa aiba valori apropiate.

Organizarea energetica a consumatorilor, in ceea ce priveste numarul de PT, se face pe planul de situatie al acestuia, cu luarea in considerare a puterilor cerute de receptoare si utilaje. Se procedeaza la gruparea sarcinilor plasate in vecinatate, astfel incat un ansamblu de sarcini sa nu depaseasca puterea aparenta ceruta de 1600 kVA si sa se obtina puteri aparente apropiate pe posturi, pentru ca numarul de tipuri de PT sa fie cat mai mic.

Numarul de ansambluri de sarcini astfel delimitat reprezinta numarul de PT, notat in continuare - n_PT Pentru fiecare PT, se calculeaza apoi puterile cerute, pe baza metodelor de estimare cunoscute (scap. 1.3).

B. Determinarea locurilor de amplasare a PT

Se considera toate utilajele si receptoarele, aferente unui PT, reprezentate pe planul de amplasamente, asa cum se prezinta in figura 9; in plus, s-a asociat arealului dreptunghiular, in care sunt situate utilajele si receptoarele, un sistem de axe de coordonate xOy, pentru a se putea referi in acest plan fiecare punct de consum. Puterile cerute de utilaje si receptoare se considera determinate corespunzator numarului echivalent de receptoare, pentru PT in discutie.

Fig. 9. Centrul de sarcina si definitivarea amplasarii PT.

Coordonatele centrului de sarcina echivalenta se calculeaza cu relatiile:

; (1)

, (2)

in care x_j si y_k reprezinta coordonatele caracteristice curente, intelegand prin coordonate caracteristice acele abscise sau ordonate, la care este situat cel putin un receptor sau utilaj;

S_cxj, S_cyk - suma puterilor aparente cerute, la coordonatele caracteristice respective, incluse in indice.

Evident sumele de la numitorii relatiilor (1) si (2) sunt identice, reprezentand sarcina 'echivalenta', adica suma aritmetica a puterilor aparente cerute. Pentru moment, semnificatia fizica a sarcinii echivalente este ascunsa, dar dupa introducerea ulterioara a marimilor denumite curent cerut si moment al curentilor ceruti, aceasta va putea fi explicitata.

Dupa calcularea coordonatelor (x_C,y_C) ale centrului de sarcina echivalenta si reprezentarea acestuia pe planul de amplasamente, se trece la luarea deciziei privitoare la pozitia finala a PT, in functie de tipul constructiv al acestuia si de spatiul disponibil din interiorul sau exteriorul cladirii (halei). Daca, de exemplu, se decide ca amplasarea PT se face in afara spatiului ocupat de utilaje si receptoare, centrul de sarcina va fi deplasat din punctul C (fig.9), de coordonate (x_C,y_C), pe distanta cea mai scurta.

C. Definitivarea puterilor aparente pe fiecare PT

Luand ca punct de referinta determinarea puterilor cerute P_ct si Q_ct, din reteaua de medie tensiune (par. 1.4.1, metoda coeficientilor de cerere), se pune problema determinarii puterii aparente, pe baza careia sa se aleaga puterea nominala a transformatoarelor din PT. Mai intai, se impune remarca referitoare la calculul puterii reactive, totale - Q_ct: la estimarea acestei marimi, puterea reactiva a mijloacelor de compensare ar trebui neglijata, Q_bc= 0 (rel. 1.28), pentru a conferi un nivel sporit de fiabilitate postului de transformare.

Deoarece echipamentele electrice, cum sunt si transformatoarele, admit anumite regimuri de suprasarcina, rationamentul care se aplica la determinarea puterii de calcul, pentru alegerea puterii nominale S_nT a transformatoarelor este urmatorul: puterea ceruta totala, cu semnificatia acesteia de putere maxima absorbita, sa fie suportata de catre transformatoarele electrice din PT in regim de suprasarcina. In acest fel, transformatoarele nu se supradimensioneaza si, din punct de vedere economic, PT revine la un cost mai scazut.

Notand cu a coeficientul care exprima capacitatea totala de suprasarcina a transformatoarelor, conditia enuntata anterior se transpune pentru puterea activa sub forma

, (3)

in care s-a notat cu P_PT puterea activa, de calcul, a PT. Capacitatea de suprasarcina totala a transformatoarelor rezulta datorita variatiilor zilnice si anuale a sarcinii, cand, datorita functionarii unor intervale importante de timp la sarcini mai mici, regimul termic al transformatoarelor este mai putin solicitant si deci fenomenul imbatranirii izolatiei este diminuat.

Suprasarcina admisa pe baza variatiilor zilnice ale sarcinii, conform curbei de sarcina zilnica, este definita prin regula celor trei procente, astfel: pentru fiecare 10 de reducere a coeficientului de aplatizare K_PM fata de 100 , se admite o suprasarcina de 3 . Expresia analitica a suprasarcinii relative admise, notata a₃, este in baza regulii enuntate:

. (4)

Suprasarcina admisa pe baza variatiilor anuale ale sarcinii, notata prin a_p, se defineste pe baza regulii celor p procente, avand urmatorul enunt: pentru fiecare p% de subincarcare vara, se poate admite iarna o suprasarcina echivalenta ca marime, dar nu mai mare de 15%. Cu alte cuvinte, suprasarcina admisa iarna este egala cu subincarcarea din timpul verii, ceea ce se scrie analitic sub forma:

; (5)

din ultimii doi membrii ai egalitatii se poate obtine relatia

, (6)

care exprima sub alta forma regula celor p%.

Avand definite cele doua componente ale suprasarcinilor admise, se determina capacitatea totala de suprasarcina cu relatia

, (7)

care nu trebuie sa depaseasca valoarea maxima a_M= 0,2 pentru transformatoare instalate in interior si a_M=0,3 pentru transformatoare montate in exterior.

Puterea activa, de calcul, pentru PT se deduce din relatia (3), pentru conditia de egalitate, mai intai sub forma

, (8)

in care se introduc expresiile (4), (5) si (7) ale suprasarcinilor admise, obtinandu-se relatia finala

, (9)

unde a fost pus in evidenta raportul P_Mv/P_Mi, ca indicator al curbelor de sarcina (par. 1.5.2).

In acelasi timp, puterea activa a PT trebuie sa corespunda valorilor maxim admise pentru capacitatea totala de suprasarcina, conform celor de mai sus, astfel ca se impune conditia suplimentara

. (10)

Daca se are in vedere faptul ca, pentru consumatorul racordat la PT se cunoaste factorul de putere natural cosj, se calculeaza in continuare puterea aparenta, de calcul, a PT cu relatia:

, (11)

pe baza careia se poate trece la determinarea puterii nominale a transformatoarelor din PT.

D. Stabilirea numarului si a puterii nominale a transformatoarelor

Intr-un PT se monteaza, de obicei, transformatoare de aceeasi putere nominala, din acelasi considerent, pentru care se evita diversificarea tipurilor de PT, la acelasi consumator: criteriul economic. In plus, este important de subliniat faptul ca toate transformatoarele de putere, care urmeaza sa lucreze in paralel, trebuie sa aiba aceleasi grupe de conexiuni. Numarul de transformatoare identice dintr-un PT este in functie de categoriile receptoarelor, din punct de vedere al continuitatii in alimentarea cu energie electrica, recomandarile fiind expuse in continuare, in raport cu incadrarea pe categorii.

Pentru PT alimentand receptoare din categoria zero, se prevad doua transformatoare, fiecare dintre acestea putand suporta intreaga sarcina:

n_T=2;

, (12)

prin aceasta asigurandu-se o rezerva de 100% in surse.

Daca consumatorul are receptoare de categoria I-a si puterea aparenta, totala a acestora, S_cI, este mai mica decat 0,5S_PT, atunci se recomanda tot doua unitati de transformator, a caror putere nominala sa poata acoperi cel putin puterea receptoarelor mai exigente, conform conditiei:

, n_T= (13)

Ponderea mai mare a receptoarelor de categoria I-a, evidentiata prin inegalitatea

S_cI> 0,5 S_PT,

se rezolva cu recomandarea de a se utiliza, in acest caz, trei unitati de transformator, ale caror puteri nominale sa satisfaca conditiile:

(14)

n_T= 3.

Pentru cazul in care consumatorul este alcatuit din receptoare de categoria a II-a, conditiile de determinare a transformatoarelor din PT sunt dupa cum urmeaza:

n_T=2;

. (15)

In sfarsit, daca in compunerea consumatorului se afla numai receptoare de categoria a III-a, se prevede o singura unitate, determinata astfel:

n_T=1;

. (16)

4. Exploatarea economica a transformatoarelor

Posturile de transformare, care alimenteaza receptoare mai exigente din punctul de vedere al continuitatii in alimentarea cu energie electrica (categoriile 0, I si II), pot fi prevazute cu doua sau chiar trei unitati identice de transformare. In raport cu sarcina variabila, tranzitata, regimul economic al posturilor de transformare se considera corespunzator pierderilor de putere minime in transformatoarele conectate, deci randamentului maxim de transformare a energiei.

Conform datelor furnizate de catre producatori, pentru fiecare transformator cu puterea nominala S_nT se cunosc urmatoarele marimi:

- pierderile active la mers in gol DP_o

- pierderile active la mersul in scurtcircuit DP_sc

- curentul de mers in gol i_o%;

- tensiunea relativa de scurtcircuit u_sc%.

In tabelul 1 sunt indicate caracteristicile tehnice ale transformatoarelor de putere pentru posturi de transformare, din fabricatia Electroputere-Craiova. Pierderile de putere activa si de putere reactiva prezinta o variatie specifica la functionarea individuala, in sarcina, a unui tip de transformator, variatie ilustrata in figura 10. Curba pierderilor de putere activa corespunde relatiei:

, kW, (17)

in care k_T = S_T/S_nT reprezinta gradul de incarcare al transformatorului, cand este tranzitat de puterea aparenta S_T.

Curba pierderilor de putere reactiva este descrisa de relatia

, kvar,       (18)

in care DQ_o reprezinta pierderile de putere reactiva la mersul in gol, iar DQ_sc - pierderile de putere reactiva la mersul in scurtcircuit, date respectiv de relatiile:

(19)

(20)

Pierderea totala de putere activa se echivaleaza cu relatia

                         (21)

in care m_e reprezinta echivalentul energetic al puterii reactive la bara de racordare a transformatorului, adica pierderea de putere activa ca urmare a cresterii cu o unitate a puterii reactive tranzitate din sistem spre nodul amonte al postului de transformare (m_emed = 0,03 kW/kvar, informativ).

(Fig. 36 - pag. 89, PIEI)

Fig. 10. Variatiile pierderilor de putere activa (a) si reactiva

intr-un transformator de putere MT/JT (S_nT = 160 kVA)

Tratarea generala a functionarii economice a transformatoarelor impune considerarea cuplarii in paralel cu doua transformatoare cu puteri nominale diferite S_nT1 < S_nT2, avand pierderile identificate prin indicii numerici, corespunzatori. Prin manevrarea aparatelor de comutatie, la sarcini mai mici se cupleaza transformatorul de putere mai mica, iar la sarcini mai mari va fi mai economic sa se conecteze numai transformatorul de putere mai mare. Sarcina limita la care s-ar impune comutarea de pe un transformator pe celalalt se determina din conditia

(22)

care se expliciteaza mai intai folosind relatiile (17) (21) sub forma

(23)

Separand termenii dependenti de sarcina (in membrul stang) de cei independenti de sarcina, relatia devine

(24)

din care se deduce sarcina limita S_l, explicitand gradele de incarcare

(25)

sub forma expresiei generale

                           (26)

Relatia (26) poate fi particularizata pentru orice situatie concreta, inclusiv prin considerarea transformatorului 1 ca fiind un sistem de n_T transformatoare identice, in paralel, iar a transformatorului 2 ca fiind un sistem de (n_T + 1) transformatoare identice, in paralel. Sarcina limita la care se impune trecerea de la n_T la (n_T + 1) transformatoare se obtine explicitand pierderile sistemelor de transformare considerate si puterile nominale astfel:

DP₀₁ = n_TDP₀; DQ₀₁ = n_TDQ₀

DP₀₂ = (n_T + 1) DP₀; DQ₀₂ = (n_T + 1)DQ₀                                 (27)

S_nT1 = n_TS_nT; S_nT2 = (n_T + 1)Sn_T

Notand cu S_l (n_T, n_T +1) sarcina limita, se determina relatia generala pentru aceasta sub forma:

                    (28)

care poate fi particularizata pentru trecerea de la un transformator la doua in paralel si de la doua la trei in paralel, daca unitatile sunt identice.

In figura       se prezinta curbele pierderilor totale de putere activa pentru un post de transformare avand trei unitati de transformator identice. Functionarea economica a postului de transformare este evidentiata de infasuratoarea curbelor de pierderi, trasata pe figura cu linie intrerupta.

Relatia (26) poate fi utilizata si pentru aprecierea regimului economic de functionare a unor transformatoare de puteri diferite. Se subliniaza conditia ca, pentru a putea functiona in paralel, transformatoarele trebuie sa aiba aceeasi grupa de conexiuni. Graficul pierderilor active totale pentru un sistem de doua transformatoare diferite este redat in figura .

O forma simplificata a relatiei (28) se obtine prin neglijarea pierderilor active suplimentare in reteaua de alimentare, datorate tranzitului de putere reactiva consumate de transformator (m_e = 0):

(29)

care conduce la valori cu (810)% mai mici decat relatia exacta.