REGULATING DISTRIBUTION TRANSFORMER

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNE ELEKTRODISTRIBUCIJSKE KONFERENCIJE - HO CIRED 4. (10.) savjetovanje Trogir/Seget Donji, 11. - 14. svibnja 2014. SO1-01 Sanela Carević Končar D&ST sanela.carevic@koncar-dst.hr Branimir Ćućić Končar D&ST branimir.cucic@koncar-dst.hr Mario Bakarić Končar D&ST mario.bakaric@koncar-dst.hr Martina Mikulić Končar D&ST martina.mikulic@koncar-dst.hr REGULACIJSKI DISTRIBUTIVNI TRANSFORMATOR SAŽETAK Dok klasični distributivni transformator održava napon niskonaponske mreže ručnom regulacijom napona na srednjenaponskoj mreži pomoću uobičajenih pet položaja regulacije i u beznaponskom stanju, transformator koji treba zadovoljiti zahtjeve naprednih distribucijskih mreža traži drugačiju izvedbu. Povećanje udjela distribuiranih izvora energije uzrokuje porast varijacija napona, koje su teško predvidive, zbog čega izvedba transformatora za takvu mrežu treba imati veći opseg regulacije na srednjenaponskoj strani i mogućnost automatskog održavanja napona na niskoj strani u definiranim granicama, pri čemu u niti jednom trenutku potrošači ne smiju ostati bez električne energije. Zbog toga je razvijen regulacijski distributivni transformator, a kako bi se omogućila instalacija takvih transformatora u postojeće transformatorske stanice, zadržane su tlocrtne dimenzije klasičnog distributivnog transformatora. U referatu je prikazana tehnička izvedba regulacijskog transformatora koji na mjestu preklopke za regulaciju u beznaponskom stanju sadrži sklopku za regulaciju pod teretom te rezultati rutinskih, tipskih i specijalnih ispitivanja. Ključne riječi: regulacija, distributivni transformator, automatsko upravljanje REGULATING DISTRIBUTION TRANSFORMER SUMMARY While standard distribution transformer maintains voltage of low voltage grid with manual voltage regulation usually by using five regulation taps in no load operating state, transformer intended to meet the requirements of smartgrid requires a different design. The increasing number of distributed energy sources causes an increase in unpredictable voltage variations. It makes transformer design for smartgrid with larger regulation range and ability of automatically low voltage maintainence in defined limits. Therefore the regulated distribution transformer is developed, but to allow the installation of such transformers in existing substations, overall dimensions of the classical distribution transformer are retained. This paper describes the technical design of regulated distribution transformer that has on load control switch at the place of classic off load tap changer with the results of routine, type and special transformer tests. Key words: regulation, distribution transformer, self-control 1

1. UVOD Današnji elektroenergetski sustav projektiran je na način da se električna energija proizvodi u centraliziranim izvorima i prenosi preko visokonaponske prijenosne mreže na veće ili manje udaljenosti, a distribucijska mreža ju usmjerava preko niza distributivnih transformatora kroz srednjenaponsku i niskonaponsku mrežu prema kupcima. Tok energije u distribucijskoj mreži je jednosmjeran, zbog čega je uloga distribucijske mreže u ovakvom sustavu pasivne naravi. Prošlih godina bilježi se porast proizvedene električne energije iz distribuiranih izvora električne energije (u nastavku teksta DIEE) poput fotonaponskih sustava, vjetroelektrana, kogeneracije... Takvi proizvodni objekti priključuju se na distribucijsku srednjenaponsku i niskonaponsku mrežu, a njihova raširenija upotreba značajno utječe na funkcije elektroenergetskog sustava. Promjene koje unosi distribuirana proizvodnja većih razmjera u elektroenergetski sustav mogu u suštini izmijeniti njegov centralizirani koncept. Zbog toga je potrebno unaprijediti elemente elektroenergetskog sustava i tražiti nova rješenja koja će tim promjenama znati odgovoriti. Potrebu prilagodbe tim promjenama ističu svi svjetski trendovi poboljšanja i obnove elektroenergetskih mreža. 2. UTJECAJ DIEE NA DISTRIBUCIJSKU MREŽU Bitne karakteristike koje DIEE razlikuju od klasičnih izvora energije su njihova nepredvidivost i nesrazmjernost kapaciteta proizvodnje. Također im nije lako predvidjeti samo mjesto sljedećeg priključka zbog čega je teža i skuplja priprema mreže takvom priključku. Njihova raširenija upotreba zbog navedenih karakteristika značajno utječe na strujne i naponske prilike u mreži. Ukoliko na nekom području postoji DIEE koji ne prerasta potrošnju svog užeg područja, ne očekuju se veliki problemi u preuzimanju i distribuciji električne energije. Problemi se javljaju pojavom više DIEE na određenom području jer njihova ukupna proizvodnja električne energije privremeno može biti znatno viša od potrošnje tog područja. U tom slučaju ukupna potrošnja električne energije može se namirivati iz vlastite proizvodnje, a višak se može predavati u dubinu mreže. Time tok energije neće više biti jednosmjeran već mijenja smjer tj. energija proizvedena u DIEE-u predaje se prema srednjenaponskoj mreži. Ovime se mijenja narav distribucijske mreže u elektroenergetskom sustavu iz pasivne u aktivnu, utječe se na tokove snaga, opterećenja vodova i naponske prilike. 2.1. Utjecaj na naponske prilike Dozvoljena odstupanja napona definirana su mrežnim pravilima i normom EN 50160 [1] prema kojima se opskrbni napon u normalnim uvjetima rada mreže smije razlikovati od nazivnog napona za maksimalno ±10%. No ta tolerancija od ukupno 20% opskrbnog napona prostire se preko cijele distribucijske mreže što ne ostavlja puno opsega za dodatne varijacije napona unošene DIEE-ima. Naponske su se razine do sada automatski regulirale u mrežnim izvorima prijenosne mreže tj. u napojnim trafostanicama 110/x kv pomoću regulacijske sklopke transformatora dok su se u beznaponskom stanju mogle korigirati i u distribucijskoj mreži što je u slučaju jednosmjernog toka energije u distribucijskoj mreži bilo dostatno. U slučaju obrnutog toka energije, gornja granica porasta napona ograničena je kapacitetom grane mreže koji mora biti dovoljan da preuzme svu tu energiju. Iako je mjesto priključka DIEE-a obično bliže potrošačima, treba voditi računa i o potrošačima koji se nalaze dalje od mjesta na kojima prestaje lokalna automatska regulacija samog izvora. Za potrebe ovog referata nisu studioznije istraživani ostali uzroci naponskih varijacija u distribucijskoj mreži jer je i sama promjena tokova energije u dubini vodova distribucijske mreže dovoljan razlog da se traže nova rješenja koja će znati automatski upravljati naponskim varijacijama. Posljedice ne upravljanja očitovale bi se u povećanju opasnosti od uništenja uređaja i opreme u sustavu i narušavanja kvalitete opskrbe potrošača. Ovakve prilike u mreži s DIEE-ima postavile su na distributivne transformatore nekoliko novih zahtjeva koji mijenjaju dizajn klasičnog distributivnog transformatora i pridaju mu nove karakteristike i funkcije. 2

2.2. Napredni distributivni transformatori s automatskom regulacijom Poznato je da klasičnim distributivnim transformatorima nije moguće mijenjati prijenosni omjer pod opterećenjem te da takvi transformatori održavaju napon niskonaponske mreže ručnom regulacijom napona pomoću nekoliko položaja regulacije (obično tri, pet ili sedam). Ta ručna regulacija odvija se pomoću preklopke koja je ugrađena na višenaponski namot. Glavna funkcija tzv. naprednog distributivnog transformatora s automatskom regulacijom koja ga ujedno i razlikuje od klasičnog distributivnog transformatora je u mogućnosti dinamičkog prilagođavanja napona distribucijske mreže tj. u pružanju cjelokupne funkcionalnosti potrebne za samostalnu regulaciju napona niskonaponske mreže pod opterećenjem. U proteklih nekoliko godina osmišljeno je nekoliko rješenja naprednih distributivnih transformatora s automatskom regulacijom s ciljem zadovoljenja zahtjeva distribucijske mreže obilježene povećanjem udjela DIEE. U zemljama zapadne Europe u zadnjih su nekoliko godina ugrađivani u mrežu prototipovi s različitim tehničkim rješenjima i proizvedeni od različitih proizvođača. Bitne razlike među njihovim karakteristikama i funkcijama su u: - mogućnosti promjene prijenosnog omjera pod opterećenjem - vanjskim dimenzijama - jednostavnosti instalacije u postojeću mrežu - mogućnostima automatske regulacije - mogućnostima daljinskog vođenja - ugrađenim komunikacijskim uređajima. 3. PROJEKTNO RJEŠENJE REGULACIJSKOG DISTRIBUTIVNOG TRANSFORMATORA Za izradu prototipa naprednog distributivnog transformatora s automatskom regulacijom u Končar D&ST-u odabran je koncept izveden iz načina rada dvonamotnog energetskog transformatora koji za promjenu prijenosnog omjera pod opterećenjem koristi sklopku ugrađenu na jedan namot, te bez obzira na iznos opterećenja održava napon na drugom namotu unutar određenih granica. Zbog toga je transformator nazvan regulacijski distributivni transformator (u nastavku teksta RDT). Više je razloga zbog kojih je odabrana ovakva izvedba za izradu prototipa: - omogućeno dinamičko održavanje napona bez prekida opskrbe - kompenzacija varijacija napona uzrokovanih DIEE-ima i dodatnim opterećenjima - zadržavanje tlocrtnih dimenzija transformatora u odnosu na klasični distributivni transformator - dostupnost potrebnih materijala i opreme na tržištu - primjenjivost na asortimanu od 250 do 800 kva s najvišim naponom opreme od 24 kv - mogućnost korištenja postojeće tehnologije koja se koristi za proizvodnju klasičnog distributivnog transformatora - bez dodatnih zahtjeva za održavanjem u pogonu u odnosu na klasični distributivni transformator. 3.1. Sustav Gridcon itap Sustav koji ispunjava sve pobrojane karakteristike iz prethodnog poglavlja naziva se Gridcon itap proizvođača Maschinenfabrik Reinhausen iz Regensburga. Tehničke karakteristike standardne izvedbe sustava prikazane su u tablici I. [2] 3

Tablica I. Tehničke karakteristike sustava Gridcon itap Izvedba transformatora S konzervatorom illi hermetički zatvoren Broj faza 3 Maksimalna nazivna prolazna struja 30 A Nazivna struja kratkog spoja 600 A Vrijeme trajanja kratkog spoja 3 s Nazivna podnosiva vršna struja 1500 A Maksimalni korak regulacije 600 V Maksimalni korak regulacije u namotu 1200 V Kapacitet koraka regulacije 9000 VA Maksimalni broj položaja regulacije 9 Najviši napon opreme U m 24 kv Nazivna frekvencija 50 Hz Temperaturni raspon transformatorskog ulja -25 C do 105 C Dozvoljeni nadtlak u pogonu minimalno 0,7 bar, maksimalno 1,3 bar Maksimalna razlika u tlaku između 0,4 bar unutrašnjosti transformatora i okoline Maksimalni broj operacija sklapanja 700000 Mehanička zaštita IP 54 Način montaže unutarnja Na slici 1. detaljnije su prikazana ograničenja u nazivnom koraku regulacije i nazivnoj prolaznoj struji te maksimalni kapacitet koraka regulacije od 9000 VA. Slika 1. Maksimalni kapacitet koraka regulacije Sustav Gridcon itap sastoji se od četiri glavne jedinice prikazane na slici 2.: sklopke, motorne jedinice, upravljačke jedinice i pomoćnih prigušnica. U nastavku će se ukratko opisati uloga svake od njih. 4

Slika 2. Dijelovi sustava Gridcon itap : sklopka (1), motorna jedinica (2), upravljačka jedinica (3), pomoćna prigušnica (4) 3.1.1. Sklopka Glavna uloga sklopke u sustavu Gridcon itap je da svojim mehanizmom omogućava promjenu prijenosnog omjera transformatora pod opterećenjem. Sklopka je izrađena na vakuumskoj tehnologiji pa u transformatoru nije potreban posebni odjeljak za ulje sklopke zbog čega je moguća i hermetička izvedba kotla transformatora. Sklopka je modelirana na način da ju je moguće ugraditi na mjesto preklopke klasičnog distributivnog transformatora tj. u raspoloživom prostoru iznad aktivnog dijela. Zbog toga je na RDT-u moguće zadržati tlocrtne dimenzije klasičnog distributivnog transformatora. Isto tako sva znanja i tehnologiju potrebnu za izradu klasičnog distributivnog transformatora moguće je primijeniti i za proizvodnju RDT-a. Glavne tehničke osobitosti sklopke pobrojane su u nastavku: - kompaktne dimenzije - automatsko podešavanje pozicija u regulaciji - automatska provjera elektroničkih i mehaničkih elemenata prije svake promjene pozicije - ugrađen sustav zaključavanja zbog struja uklapanja - nemogućnost pojave iskrenja u transformatorskom ulju. 3.1.2. Upravljačka i motorna jedinica Uloga upravljačke jedinice je da na osnovu informacija dobivenih od senzora da nalog motornoj jedinici za potrebnu promjenu prijenosnog omjera čime se omogućuje automatska regulacija napona. Senzori mogu biti ugrađeni na same sabirnice transformatora ili na nekoj udaljenosti od trafostanice tj. na nekim kritičnim točkama u mreži, a svi potrebni parametri mogu se podešavati putem postojećeg komunikacijskog sučelja kojeg čine RS232 (SUB-D priključak) i RJ45 (internetsko sučelje). Glavne tehničke karakteristike upravljačke i motorne jedinice prikazane su u tablici II. Tablica II. Tehničke karakteristike upravljačke i motorne jedinice Napon napajanja 3 AC 230 V Struja napajanja 1 A Frekvencija 50 Hz Vrijeme promjene položaja regulacije ~ 2 s Minimalni razmak između promjena 3 s položaja regulacije Dozvoljena temperatura okoline -20 C do 60 C tijekom pogona Dozvoljena temperatura okoline van -20 C do 85 C pogona Mehanička zaštita IP 54 Način montaže unutarnja 5

3.1.3. Pomoćne prigušnice Uz opisane dijelove sustava trenutno su za njegovu funkcionalnost potrebne i pomoćne prigušnice po svakoj fazi. Njihova primarna zadaća je ograničenje struje koja se javlja pri promjeni položaja regulacije. Tendencija daljnjeg razvoja je da njihovu ulogu u potpunosti preuzme sklopka. Na slici 3. prikazan je model prigušnice ugrađene u RDT, a u tablici III. nazivni podaci [3]. Tablica III. Nazivni podaci pomoćne prigušnice Duljina x širina x visina 148 x 161 x 170 mm Masa 14 kg Gubici praznog hoda 63 W Gubici tereta 39 W Slika 3. Model pomoćne prigušnice 3.2. Nazivni podaci regulacijskog distributivnog transformatora Regulacijski distributivni transformator projektiran je prema nazivnim podacima prikazanim u tablici IV. u kojoj su za usporedbu prikazani i nazivni podaci usporedivog klasičnog distributivnog transformatora: Tablica IV. Usporedba nazivnih podataka transformatora Regulacijski distributivni transformator Klasični distributivni transformator Nazivna snaga 630 kva 630 kva Tip transformatora 5TRNO630-24/AB 5TBNO630-24/AB Prijenosni omjer 20kV ± 4x2,5% / 0,4kV 20kV ± 2x2,5% / 0,4kV Promjena prijenosnog omjera U naponskom stanju U beznaponskom stanju Napon kratkog spoja 4% 4% Gubici praznog hoda 600 W 600 W Gubici tereta 5400 W 5400 W Duljina x širina x visina 1355 x 900 x 1710 mm 1355 x 900 x 1400 mm Masa ulja 555 kg 350 kg Ukupna masa 2450 kg 2050 kg Za razliku od klasičnog distributivnog transformatora, RDT može imati opseg regulacije i do ±10% nazivnog napona. Kao što je prikazano u tablici IV., na prototipu RDT-a izvedena je regulacija u koracima od 2.5% višenaponskog namota u 9 položaja i to 4 položaja iznad i 4 položaja ispod nazivnog napona (20kV ± 4x2,5%). Uz ovakvu moguće su i drukčije izvedbe ovisno o zahtjevima mreže poput +6/-2 (šest položaja iznad i 2 položaja ispod nazivnog napona) ili +5/-3 (pet položaja iznad i 3 položaja ispod nazivnog napona). 3.3. Konstrukcija regulacijskog distributivnog transformatora Na slici 4. prikazan je model RDT-a. Transformator je izrađen u hermetičkoj izvedbi, a tehnologija izrade jezgre i steznog sustava te namota i rashladnog sustava preuzeta je od klasičnog distributivnog transformatora. 6

Slika 4. Model regulacijskog distributivnog transformatora Na poklopcu transformatora postavljen je stakleni prozor promjera 2.5 cm kako bi se položaj regulacije u kojem se nalazi sklopka mogao i fizički provjeriti. Stakleni prozor prikazan je na slici 5. Slika 5. Stakleni prozor na poklopcu RDT-a Procesi sušenja, punjenja ulja i vakuumiranja RDT-a provedeni su LFH (engl. low frequency heating) procesom koji se koristi i kod klasičnog transformatora. Vizualnim pregledom nakon LFH procesa ustanovljeno je da nema curenja ulja ili oštećenja opreme na poklopcu nakon čega je transformator podvrgnut rutinskim, tipskim i specijalnim ispitivanjima. 3.4. Ispitivanja regulacijskog distributivnog transformatora Budući da još nije objavljena norma za ispitivanje regulacijskog distributivnog transformatora, na transformatoru su provedena ispitivanja prema normi IEC 60076. Ispitivanjem prijenosnog omjera, grupe spoja i otpora namota izmjerene su očekivane vrijednosti. Dielektričnim ispitivanjima provjerena je ispravnost projektiranog izolacijskog sustava i pokazalo se da je rješenje izolacijskog sustava klasičnog distributivnog transformatora primjenjivo i na regulacijskom distributivnom transformatoru. Otpornost izolacijskog sustava RDT-a prema atmosferskim prenaponima provjerena je ispitivanjem udarnim naponom propisanog oblika i trajanja. Ispitivanje višenaponskog namota provedeno je u nazivnom tj. petom te u krajnjim položajima regulacije tj. prvom i devetom. Mjerenjem parcijalnih izbijanja utvrđeno je da u transformatoru ne postoje štetni izvori koji bi ih uzrokovali. Ukoliko se mjerene vrijednosti parcijalnih izbijanja na RDT-u usporede s mjerenim vrijednostima na klasičnom distributivnom transformatoru ne uočavaju se razlike u mjerenim razinama. Pokusom zagrijavanja i mjerenjem buke pokazalo se da sustav Gridcon itap transformatoru ne pogoršava odvođenje topline i ne povećava buku. Na regulacijskom distributivnom transformatoru provjerena je i otpornost na kratki spoj. Na slici 6. prikazan je aktivni dio RDT-a nakon kratkospojnog ispitivanja. 7

Slika 6. Aktivni dio RDT-a nakon kratkospojnog ispitivanja Ispitivanje je pokazalo da projekt regulacijskog distributivnog transformatora zadovoljava mehanička naprezanja uzrokovana elektromagnetskim silama kratkog spoja. 4. UPOTREBA REGULACIJSKOG DISTRIBUTIVNOG TRANSFORMATORA U DISTRIBUCIJSKOJ MREŽI Na slici 7. prikazan je shematski prikaz trafostanice s regulacijskim distributivnim transformatorom i distribuiranim izvorima električne energije spojenima na niskonaponsku distribucijsku mrežu. Slika 7. Shematski prikaz uloge RDT-a u distribucijskoj mreži 8

Regulacijski distributivni transformator u takvom sustavu razdvaja srednjenaponsku od niskonaponske mreže jer ima mogućnost dinamičkog prilagođavanja napona. Osnovni algoritam automatske regulacije RDT-a prikazuje slika 8. Slika 8. Osnovni algoritam automatske regulacije RDT-a Na slici 8. prikazani su sljedeći parametri: referentni napon (U ref ), korak regulacije (U r ), vrijeme mirovanja (t 1 ) i granična vrijednost za brzi povrat (B o ). Sve veličine moguće je parametrirati. Na slici 8. prikazana su tri slučaja automatske regulacije RDT-a: 1. ukoliko napon poraste za iznos veći od U r te za vrijeme t 1 zadrži iznos veći od U ref + U r, automatska promjena položaja regulacije na RDT-u smanjit će iznos napona 2. ukoliko se zbog brzih varijacija napona zabilježi iznos napona B o, automatska promjena položaja regulacije na RDT-u smanjit će iznos napona 3. ukoliko napon pada za iznos veći od U r te za vrijeme t 1 zadrži iznos veći od U ref - U r, automatska promjena položaja regulacije na RDT-u povećat će iznos napona Ovakvim načinom održavanja stabilne razine napona niskonaponske mreže povećava se mogući opseg varijacija niskog napona koje bi mogli uzrokovati DIEE. 5. ZAKLJUČAK U referatu su prikazani razlozi zbog kojih se javila potreba za naprednim distributivnim transformatorima s mogućnošću automatske regulacije. Njihova primjena je već nekoliko godina prisutna u zemljama koje bilježe značajan porast distribuirane proizvodnje električne energije, osobito u Njemačkoj u kojoj je više različitih izvedbi već testirano u mreži. Najveće zadovoljstvo korisnika bilježi transformator s ugrađenim sustavom Gridcon itap. Prototip takvog transformatora proizveden je u Končar D&ST-u i nazvan je regulacijski distributivni transformator. Provedbom rutinskih, tipskih i specijalnih ispitivanja pokazalo se da je usvojeno znanje za njegovu daljnju proizvodnju. Važnost projekta regulacijskog distributivnog transformatora očituje se u tome što takav proizvod predstavlja jedno novo rješenje koje omogućava iskorištavanje potencijala distribuiranih izvora električne energije održavanjem napona unutar propisanih granica. 6. LITERATURA [1] EN 50160 Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems, 1999. [2] Upute za uporabu, On-Load Tap-Changer Gridcon itap, Maschinenfabrik Reinhausen, 2013. [3] Upute za uporabu, Überschalttransformator, J. Schneider Elektrotechnik, 2012. 9