SlideShare a Scribd company logo
12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015
CIGRÉ ŠK A2-01
1
USMERNIŠKI TRANSFORMATORJI ZA OBNOVO SLOVENSKIH
ŽELEZNIC
JUSO IKANOVIĆ, IGOR LUGARIČ
Kolektor Etra d. o. o.
Juso.ikanovic@kolektor.com, Igor.lugaric@kolektor.com
Povzetek: V članku je podan pregled pomembnejših tehničnih karakteristik usmerniških transformatorjev, ki
smo jih izdelali v okviru projektov obnove in modernizacije Slovenskih železnic v obdobju 19932014.
Transformatorji obratujejo v napajalnih postajah: Sava, Črnotiče, Divača, Dekani in sedaj pripravljeni za pogon
v večjih postajah na progi Pragersko- Hodoš. Opisane so glavne posebnosti v zahtevah tovrstnih pogonov;
faktor sklopa, kot geometrična lastnost nizkonapetostnih navitij z različnim številom medsebojnih prepletov,
termične obremenitve z vidika tokovnih cikličnih preobremenitev in zaščita napajalne usmerniške strani proti
prenesenim prenapetostim iz omrežja. V omenjenih projektih je prvič izveden aksialni križni prehod vodnikov
med navitjema zvezde in trikota, nujna tehnološka novost, s katero smo izpolnili zelo stroge kriterije glede
magnetne povezave med nizkonapetostnima navitjema. Na podlagi rezultatov tipskega segrevanja
transformatorja je izdelan termični profil v obremenilnem razredu VI. Med navitij je vgrajen ozemljitveni zaslon
in z eksperimentalnimi meritvami je bila preverjena učinkovitost zaslanjanja z in brez zunanje ozemljitve.
Nekatere rezultate smo ovrednotili s primerjavami SIST EN standardov na tempodročju.
Ključne besede: Usmerniški transformator, faktor sklopa, križno navitje, ozemljitveni zaslon, termični profil
CONVERTER TRANSFORMERS FOR REFURBISHMENT OF
SLOVENIAN RAILWAYS
Abstract: The paper contains an overview of the most significant technical characteristics of converter
transformers manufactured for modernization of Slovenian railways between years 1993 and 2014.
Transformers are in service in the following power stations: Sava, Črnotiče, Divača, Dekani, and will be
soon installed into all major stations on the Pragersko- Hodoš railway line. The main features and
characteristics of this type of traction drives are described; the coupling factor as a geometric property of
low voltage windings with different numbers of mutual axial crossings, the thermal loading as a
consequence of cyclic overload and protection of the converter from transferred overvoltages from the
network. The referenced projects include the first application of axial winding crossing, a technical
innovation resolving the strict magnetic coupling requirement of low voltage windings. On the basis of the
results of the type heat run test, a thermal profile was made corresponding to class VI overloading cycle.
Between the high and low voltage windings an earthed screen was incorporated and the efficiency of the
shielding with and without earthed was tested. The results were compared with the requirements of the
SIST EN standards.
Keywords: Converter Transformer, Coupling factor, Aaxial winding crossing, Eearthed screen, Thermal profile
12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015
CIGRÉ ŠK A2-01
2
UVOD
Usmerniški transformatorji za napajanje železniške enosmerne vleke sodijo v skupino specialnih
transformatorjev, ki jih obravnavajo za to področje posebej izdelani standardi; [1], [2], [3]. Za železniško vleko v
Sloveniji je v uporabi enosmerna sistemska napetost 3000 V. Napetost ob progi ohranjajo z večjimi energetskimi
napajalnimi postajami (ENP), v katerih se opravi transformacija napetosti in napajanje usmernikov za
konverzijo izmenične napetosti v enosmerno. V uporabi so dvanajst pulzni diodni usmerniki, vezani vzporedno
ali zaporedno.
Razvoj usmerniških transformatorjev se je v tovarni začel leta 1993, ko je bil izdelan prvi transformator za
napajalno postajo ENP Sava. Iz preglednice v tabeli 1 je razvidno, da ta transformator napaja mostni tip
usmernika v vzporedni vezavi s sesalno dušilko, vezava št. 9 [2], [3]. Kasnejši transformatorji so bili izdelani za
serijsko mostno vezavo in sicer vezavo št. 12. V preglednici (Tabela 1) so podane osnovne tehnične
karakteristike usmerniških transformatorjev po posameznih napajalnih postajah. Projekt obnove je zajemal
napajalne postaje: Sava, Črnotiče, Dekani in Divača in je, z vidika dobave transformatorjev, zaključen projekt.
Modernizacija železnice na odseku Pragersko– Hodoš je v teku gradnje, vključuje pet napajalnih postaj in deset
enakih usmerniških transformatorjev (ENP: Ptuj, Pavlovci, Ljutomer, M. Sobota, Gornji Petrovci).
Pri izračunu in načrtovanju transformatorja, se projektanti vselej želimo približati tako imenovani optimalni
konstrukciji. Običajno se pot začne z numeričnimi izračuni, ki določajo transformator glede na stroške vgrajenih
materialov. Pri projektiranju specialnih transformatorjev je pot h končni rešitvi podobna, vendar se mora pogosto
uporabiti druga rešitev, ki je odvisna od tehnoloških in izvedbenih omejitev ter faktorja varnosti zaradi
obratovalnih pogojev in okoliščin v katerih bo transformator deloval. Pri tovrstnih projektih se pogosto
ukvarjamo s pojmom izvedljivosti rešitev in ne z optimizacijo v njenem klasičnem pomenu.
Objekt:
ENP
Sava
ENP
Črnotiče
ENP
Dekani, Divača
ENP
Pragersko- Hodoš
Tip transformatorja UNT 3650 UNT 5460 URT 7272 URT 3636
Postavitev Zunanja
Izolacijsko sredstvo Mineralno olje
Število faz 3
Nazivna frekvenca Hz 50
Način hlajenja ONAN
Najvišja temperatura okolice °C 40
Nazivna moč kVA 3650/2 x 1890 5460/2 x 2830 7272/2x3770/50 3636/2x1885
Preobremenitve razred VI
Nazivna napetost kV 35(20,2)/2x2,67 20/2 x 1,335 114/2x1,332/0,4 21/2x1,332
Najvišje obratovalne napetosti kV 36/7,2 24/7,2 123/7,2 24/4,8
Stopnja izolacije LI / AC
VN navitje kV 170/70 125/50 550/230 125/50
NN navitje kV 40/20 40/18,5
Vezalna skupina Yy0d11(Dy1d0) Dy11d0 Yy0d11+ syn0* Dy11d0
Regulacija napetosti
brez napetosti brez napetosti
pod
obremenitvijo
pod
obremenitvijo
± 4 x 2,5 % +1/ - 3 x 2,5 % ± 8 x 1,25 % ± 4 x 2,5 %
Najvišji segretki: olja/navitij K 60/65
Kratkostična napetost VN/NN % 8,3 8,9 10,8 6,2
Mase: Olja/Skupna t 2,3 / 12 2,9 / 14,5 10,5 / 31 3,2 / 13,5
* Vgrajeno navitje za napajanje lastne rabe 50 kVA- 400 V
Tabela 1: Pregled tehničnih karakteristik usmerniških transformatorjev
12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015
CIGRÉ ŠK A2-01
3
I. GLAVNE ZAHTEVE IN OMEJITVE
Usmerniški transformatorji za električno enosmerno vleko, obravnavani v tem članku, spadajo v skupino
specialnih transformatorjev z vrsto posebnosti in zahtev. V obravnavi se bomo omejili na faktor sklopa, toplotne
obremenitve pri cikličnih tokovnih preobremenitvah, tolerančne omejitve in zaščito usmerniške strani od
prenesenih prenapetosti.
I.1 Faktor sklopa usmerniškega transformatorja
Razmerje nadomestnih razsipnih reaktanc ali faktor sklopa po zahtevah standarda [4] mora biti K > 0,9. Faktor
sklopa določamo iz nadomestnega vezja za običajen trinavitni transformator po sliki 1;
𝐾 =
𝑋 𝑝
𝑋 𝑝 +𝑋𝑠
, (1)
Slika 1: Nadomestno vezje usmerniškega transformatorja
kjer je:
𝑋𝑝 =
𝑋 𝑝𝑠1 +𝑋 𝑝𝑠2 −𝑋𝑠1𝑠2
2
; 𝑋𝑠1 =
𝑋 𝑝𝑠1 −𝑋 𝑝𝑠2 +𝑋𝑠1𝑠2
2
≅ 𝑋𝑠 ; 𝑋𝑠2 =
𝑋 𝑝𝑠2 −𝑋 𝑝𝑠1 +𝑋𝑠1𝑠2
2
≅ 𝑋𝑠 (2)
Nadomestne razsipane reaktance so fiktivne računske vrednosti brez pravega fizikalnega pomena, a so kljub
temu dobra podlaga pri analizah različnih stanj v električnih omrežjih. Enako velja za izračun faktorja sklopa, ki
ga določamo prav iz razmerja nadomestnih razsipnih reaktanc. Analize usmerniških pogonov so pokazale, da
ima razmerje K pomemben vpliv na različna obratovalna stanja transformatorja [4]. Izmed pomembnejših je
zunanja karakteristika transformatorja. Značilno obratovalno stanje nastopi, ko je eno nizkonapetostno navitje v
prostem teku, drugo pa polno obremenjeno. Višje kot je razmerje K, manjše so razlike med napetostmi na
sekundarni strani. Nadomestno vezje usmerniškega transformatorja je zaradi obratovalnih zahtev usmerniških
pogonov specifično.
Zaradi dobre geometrične simetrije križnega navitja je razlika med razsipnima reaktancama Xps1 in Xps2 glede na
njihovo srednjo aritmetično vrednost zelo majhna, saj se giblje v mejah 1 % vrednosti kar omogoča, da se
nadomestna reaktanca sekundarnega navitja Xs izračuna preprosto:
𝑋𝑠1 = 𝑋𝑠2 = 𝑋𝑠 =
𝑋𝑠1𝑠2
2
, (Xps1= Xps2). (3)
Faktor sklopa usmerniškega transformatorja (K) je odvisen od popolnosti magnetnega sklopa nizkonapetostnih
navitij. Boljšo predstavo o popolnosti sklopa med navitjema s1 in s2 podaja njuna reaktanca razsipanja v
Xp
Xs1
= Xs
Xs2
= Xs
s1
s2
pUS1
US2
Up
Xp
UpUS1
= US2
= US
s1
,s2
p
𝐾 =
𝑋 𝑝
𝑋 𝑝 + 𝑋𝑠
𝐾 = 1
12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015
CIGRÉ ŠK A2-01
4
odstotkih, ki je v projektantski praksi znana in enostavno določljiva. Pri naravnih konstrukcijah je vedno
izpolnjen pogoj Xs1s2 > 0.
V praksi se problem nizkih razsipanj rešuje z delitvijo navitij na posamezne sekcije, obe navitji razdelimo na
večje število sekcij ter ustvarimo možnosti za čim pogostejšo izmenjavo zasedenih prostorov [8]. Vrednost
razsipanja med nizkonapetostnima navitjema, ki smo ga dosegli z uvedbo šestih delitev in treh križanj po sliki
2d, je znašala Xs1s2 = 0,7 % (ENP Dekani, ENP Divača).
Pri tako nizkih vrednostih razsipanja je že vpliv vezi in povezav med navitji in sekcijami lahko škodljiv. V ta
namen smo že pri navijanju navitij na navijalnem stroju izvedli večkratno obračanje navitij. Postopek obračanja
se izvede po vsakem prehodu, s čimer smo dosegli najkrajše možne povezave s sekcijami in posledično
zmanjšali vpliv vezi na skupno razsipanje. Križni prehod med sekcijama je neprekinjen (slika 3).
Nizkonapetostne povezave imajo precejšen presek in so dimenzionirane za tok enega kilo ampera in več. Krajše
povezave med sekcijami so pripomogle k zmanjšanju izgub v navitjih in kratkostičnih izgub transformatorja.
Slika 2: Križno navitje z enim (b), z dvema (c) in s tremi križanji (d)
Slika 3: NN navitje na navijalnem stroju, aksialni križni prehod (desno)
s1
s
2
a) 𝐾 = 0,1
s
1
s2
b) 𝐾 = 0,8
s
1
s
2
c) 𝐾 = 0,92
s1
s2
d) 𝐾 = 0,967
12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015
CIGRÉ ŠK A2-01
5
I.2 Odstopanja
Dovoljeno odstopanje kratkostične napetosti med pari navitji s1-p in s2-p glede na njihovo aritmetično srednjo
vrednost ne sme preseči tolerančnih meja ±1,5 %. Za primerjavo: dovoljena odstopanja kratkostičnih napetosti za
energetske transformatorje znašajo od ±7,5 % do ±10 %. Iz te zahteve lahko sklepamo, da se pri usmerniških
enotah pričakuje zelo stroga simetrija obeh vzporednih vej, kar je povezano s stabilnostjo v obratovanju
usmernika in transformatorja. Izračuni in končne meritve so pokazali odstopanja kratkostičnih napetosti v
razponu ±1 % in manj. Konstrukcija nizkonapetostnih navitji v križni izvedbi zagotavlja skoraj popolno
geometrično simetrijo obeh nizkonapetostnih vej do napajalnega vira.
I.3 Kratkostična napetost
Kratkostična napetost med nizkonapetostnima navitjema s1 in s2 ne sme preseči vrednosti 2 %. Zahteva se sicer
zdi precej enostavna, vendar, če upoštevamo, da je lahko že ohmska komponenta kratkostične napetosti 1 % in
več, ostane za induktivno komponento na voljo le še 1,7 %. Pri transformatorjih z velikimi izgubami se razmere
še dodatno poslabšajo. Da bi dosegli zahteve, je bilo potrebno razviti nov način navijanja navitij z nizko stopnjo
razsipanja. Hkrati je bilo treba doseči geometrijsko simetrijo obeh nizkonapetostnih navitij do
visokonapetostnega navitja. Izvedba 2a je brez prepleta navitij in je tukaj podana kot simbolna izvedba,
najpreprostejša, a z najslabšim sklopom reda 0,1. Z enim prepletom navitij zvezde in trikota (slika 2b),
zahtevanih pogojev prav tako ni mogoče izpolniti. Če upoštevamo, da sta nizkonapetostni navitji različnih vezav,
eno mora biti vezano v zvezdo drugo pa v trikot, je medsebojni preplet zelo težaven, včasih celo neizvedljiv.
Različno število ovojev v nizkonapetostnih navitjih ter njihova delitev na štiri ali celo šes t sekcij pri nizkem
številu ovojev pomeni resno izvedbeno omejitev zlasti pri transformatorjih večjih moči, kjer se število ovojev z
večanjem moči manjša. Dodatne težave povzroča še notranja izolacija, kjer je treba vse sekcije med seboj
izolirati za polno preizkusno napetost.
V tabeli 2 so podani rezultati meritev pomembnejših parametrov za vezavo s slike 2d. Doseženi rezultati so
primerjani z zahtevami SIST EN [2]. Vsi tukaj uporabljeni podatki so povzeti iz rezultatov zaključnih meritev
projekta ENP Dekani in ENP Pragersko- Hodoš.
Zahteva [4] Merjeno (Dekani) Merjeno (Pragersko- Hodoš)
K > 0,9 K = 0,967 K = 0,957
ukps = ± 1,5 % ukps= ± 0,2 % ukps= ± 1,0 %
uks1s2  2 % uks1s2= 1,2 % uks1s2= 0,9 %
Tabela 2: Primerjava merjenih rezultatov z zahtevami
II. TERMIČNI PROFIL
Temperatura v navitju vpliva na življenjsko dobo transformatorja, če jo želimo določiti projektant mora
upoštevati vse zahteve pogona. Največje zanimanje s strani uporabnikov je za t.i. najtoplejšo točko v navitju.
Usmerniški transformator za železnico, ima drugačne pričakovane pogonske obremenitve kot močnostni
transformator, ki obratuje v razdelilnih omrežjih. Značilni so tudi višji harmoniki, ki spremljajo usmerniške
pogone in povzročajo dodatne izgube v navitjih [2]. Možne dinamike pogona transformatorjev za vleko določa
SIST EN standard [2] (Annex A). Vsi usmerniški transformatorji so projektirani za obratovalni režim razreda VI
v skladu z zahtevami Slovenskih železnic z dovoljeno obremenitvijo; 150 % (čas trajanja 120 min.) in 300 %
(čas trajanja 1 min).
Segrevanje transformatorja skupaj z usmernikom in simulacija obratovalnega razreda VI v praksi ni izvedljiva.
Standardi opisujejo več različnih postopkov segrevanja, vsi so kombinacija meritev in izračunov in vsi poskušajo
12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015
CIGRÉ ŠK A2-01
6
zajeti vpliv višjih harmonikov in specifiko različnih obratovalnih režimov. Pri transformatorjih, ki so namenjeni
za železniški odsek Pragersko-Hodoš, smo opravili tipski preizkus segrevanja v skladu s standardom IEC [6].
Rezultati preizkusa segrevanja so bili podlaga za izračun temperature najtoplejše točke v najbolj neugodnem
delu bremenilnega cikla. Pri tem smo za izračun koristili enačbe in priporočila standarda IEC [4] (Annex A) za
ciklične obremenitve in zahtevani obremenilni profil VI.
Transformator smo segrevali z maksimalnimi izgubami, ki nastopijo pri obratovanju transformatorja z
usmernikom pri nazivni moči. Izgube so izračunane po empirični enačbi podani v standardu [3] (Table 2 za
serijsko vezavo usmernika 12) na podlagi rezultatov meritev izgub med posameznimi pari navitij v treh možnih
kombinacijah obremenitev. Na ta način je simulirano termično breme v obratovalnem režimu transformatorja in
usmernika in najbolj neugodni obratovalni pogoji. Kot je razvidno iz slike 4, nastopi največja izračunana
temperatura po izteku cikla s 150 % bremenom in znaša 107 °C. Najvišja dovoljena temperatura na papirni
izolaciji termičnega razreda A, pri temperaturi okolice 40 °C, znaša 118 °C. Razlika med dovoljeno in merjeno
temperaturo 11 K je termična rezerva primerna za tovrstne pogone, ki imajo običajno višjo stopnjo izgube
življenjske dobe.
Slika 4: Termični profil transformatorjev Pragersko- Hodoš
III. PRENESENE PRENAPETOSTI
Usmerniška tehnika je občutljiva na prenapetosti, ki se iz omrežja lahko prenesejo preko transformatorja na
napajalno usmerniško stran. To pokaže preprosta relacija za približen izračun kapacitivno prenesene napetosti
(uLC) med dvema navitjema brez vgrajenega zaslona [7].
𝑢 𝐿𝐶 =
𝐶 𝐻𝐿
𝐶 𝐻𝐿+𝐶 𝐿𝐶
𝑈 𝐻 , (4)
kjer CHL predstavlja kapacitivnost med navitji VN- NN, CLC je kapacitivnost med jedrom in NN navitjem,
napetost UH je preizkusna udarna napetost visokonapetostnega navitja.
Razmerje kapacitivnosti po tej enačbi predstavlja relativni delež prenesene udarne napetosti. Tipične vrednosti v
odstotkih preizkusne udarne napetosti znašajo 30 % in več. Največji vpliv na preneseno napetost ima izolacijski
nivo visokonapetostne strani (UH), čim je višja preizkusna udarna napetost napajalne visokonapetostne strani
transformatorja višja je prenesena napetost na usmerniško stran. Če znaša nazivna napajalna napetost
transformatorja 20 kV pri ustrezni preizkusni udarni napetosti 125 kV (LI), se na usmerniško stran prenese
prenapetost reda 37,5 kV (LI), kar je zelo blizu izolacijskemu razredu usmerniške strani (40 kV LI).
0 ° C
20 ° C
40 ° C
60 ° C
80 ° C
100 ° C
120 ° C
0 %
50 %
100 %
150 %
200 %
250 %
300 %
350 %
0 min 50 min 100 min 150 min 200 min 250 min 300 min 350 min
Bazni tok Temp. najtoplejše točke
12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015
CIGRÉ ŠK A2-01
7
Pri 110 kV transformatorjih je prenesena prenapetost enaka 170 kV (LI) in je mnogokratnik izolacijskega
razreda usmerniške strani. Vgradnja ozemljitvenega zaslona pri 110 kV transformatorjih je bila nujna.
Problematiko prenosa prenapetosti v obliki priporočil obravnava IEC standard [2] in sicer obravnava več
možnih poti; da se prenesene napetosti preverijo z meritvami na končani konstrukciji, med navitja vgradi zaslon
ali vgradijo kondenzatorske baterije na nizkonapetostni strani zunaj transformatorja. V vse usmerniške
transformatorje smo vgradili nizko induktivne zaslone, ki preprečujejo kapacitivni prenos prenapetosti na
napajalno enosmerno stran. Zaslon je izdelan je iz tenke folije z izolacijo v sendvič izvedbi z enim samim
odprtim ovojem [7]. Zaslon je izveden in ozemljen na kotlu transformatorja s posebnim skoznjikom. Z vgradnjo
zaslona smo sicer zgubili nekaj prostora v transformatorju in podražili konstrukcijo, a je vendar rešitev z vidika
varnosti najboljša saj izključuje preverjanja in dvome kot tudi vse dodatne ukrepe zunaj transformatorja.
V razvojne namene smo izgotovljen transformator preizkusili s t.i. repeticijskim generatorjem nizke napetosti
300 V tako, da smo simulirali atmosferski val standardne oblike 1,2/50 µs, pritisnjen v visokonapetostni linijski
izvod in na nizkonapetostnem navitju merili preneseno napetost. Preverili smo tudi kakšna je razlika v preneseni
napetosti, če je zaslon ozemljen in če zunanje ozemljitve zaslona ni. Ko je bil zaslon ozemljen, je meritev
pokazala preneseno napetost 5,3 V (1,8 % udarnega vala) brez ozemljitve pa 6,1 V (2 % udarnega vala). Iz
prehodnega pojava je odčitana prva najvišja amplituda prenesene napetosti.
Popolnega zaslona ni, prepuščanje napetosti v mejah 2 % gre pripisati izvodom in vezem, ki jih zaslon ne
zaslanja, a kljub temu, tudi pri višjih izolacijskih nivojih visokonapetostnega navitja, prenesene napetosti niso
prenapetosti in ne predstavljajo resen problem za izolacijo usmernika. Vgradnja dodatnih kondenzatorjev ni bila
potrebna.
Pomembna je tudi kakovostna ozemljitev zaslona (kot je to običajno za vse ozemljitve) saj smo ugotovili, da se
pri ozemljenem zaslonu prenese približno 13 % manj napetosti.
Slika 5: Prenesena napetost na NN navitje
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
-7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13
Napetost[V]
Čas [µs]
Potek prenesene napetosti uLC
Udarni val
zaslon neozemljen
zaslon ozemljen
12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015
CIGRÉ ŠK A2-01
8
Slika 6: Usmerniški transformator v postroju (ENP Gornji Petrovci)
IV. ZAKLJUČKI
Pri obnovi in modernizaciji Slovenskih železnic smo izdelali usmerniške transformatorje, ki ustrezajo zahtevam
za napajanje usmernikov v dveh različnih vezavah usmernikov 9 in 12. Za dosego zahtevanih karakteristik smo
razvili tehnologijo navijanja nizkonapetostnih navitij po postopku večkratnega medsebojnega prepleta z
minimalnim številom medsebojnih povezav. Faktor sklopa usmerniškega transformatorja, kot razmerje
nadomestnih razsipanih reaktanc, določajo konstrukcijske lastnosti in prostorske razporeditve navitij. Razmerje
je pomembna lastnost usmerniškega transformatorja, ki vpliva na stabilno obratovanje usmernika. Določa
zunanjo karakteristiko usmernika in delno duši kratkostične toke v sistemu, kar je za usmerniške pogone s
pogostimi kratkimi stiki in preobremenitvami pomemben dejavnik [3]. Izboljšan faktor sklopa iz zahtevanih 0,9
na 0,967 in 0,957 presega zahteve, določene s standardom SIST EN. Izboljšava zagotavlja transformatorjem
stabilnejšo zunanjo karakteristiko usmernika in zmanjšanje kratkostičnih tokov v navitjih in usmerniku.
Na enem izmed desetih transformatorjev, vgrajenih na progi Pragersko- Hodoš, smo opravili tipski preizkus
segrevanja in na podlagi rezultatov meritev in priporočil veljavnih standardov izdelali termični profil za zahtevan
bremenilni režim VI. Izračunana temperatura najtoplejše točke v najbolj neugodnem območju preobremenitev,
ne presega s standardom predpisanih vrednosti za termični razred papirne izolacije A. Termični varnostni limit
znaša 11 K, kar je zadostna rezerva primerna tovrstnim pogonom.
Prenos prenapetosti iz omrežja na napajalno stran usmernika je rešen enotno za vse transformatorje, z vgradnjo
ozemljitvenih zaslonov med napajalnimi navitji transformatorja in usmernika. Z izračuni smo potrdili
upravičenost vgradnje ter z meritvami preverili učinkovitost zaslanjanja.
REFERENCE
[1] SIST EN 50327, 2003: Railway applications- Fixed instalations-Harmonisation of the rated values for
converter groups and tests on convertergroups.
[2] SIST EN 50329:2003, Railway applications- Fixed instalations-Traction transformers.
[3] SIST EN 146-1-3, 2001: Semiconductor converters.
[4] IEC 60076-7, 2005: Loading guide for oil-immersed power transformers.
[5] IEC 60076-3, 2013: Insulation levels, dielectric tests and external clearances in air.
[6] IEC 60076- 2 , 2011: Temperature rise for liquid- immersed transformer.
[7] H.P. Moser/ V. Dahinden:Transformerboard II, Rapperswil 1999.
[8] J. Ikanović, Usmerniški transformatorji za Slovenske železnice, Elektrotehniški vestnik 79 (1- 2), 2012.

More Related Content

More from Juso Ikanovic

More from Juso Ikanovic (7)

DVOHODNO VIJACNO NAVITJE S PRAVOKOTNO ZICO Z UCINKI TRANSPONIRANEGA VODNIKA
DVOHODNO VIJACNO NAVITJE S PRAVOKOTNO ZICO Z UCINKI TRANSPONIRANEGA VODNIKADVOHODNO VIJACNO NAVITJE S PRAVOKOTNO ZICO Z UCINKI TRANSPONIRANEGA VODNIKA
DVOHODNO VIJACNO NAVITJE S PRAVOKOTNO ZICO Z UCINKI TRANSPONIRANEGA VODNIKA
 
Problems in Design and Construction of High Power Transformers for Electric А...
Problems in Design and Construction of High Power Transformers for Electric А...Problems in Design and Construction of High Power Transformers for Electric А...
Problems in Design and Construction of High Power Transformers for Electric А...
 
NOVOSTI V RAZVOJU NAVITIJ ENERGETSKIH TRANSFORMATORJEV Z LAK IZOLACIJO
NOVOSTI V RAZVOJU NAVITIJ ENERGETSKIH TRANSFORMATORJEV Z LAK IZOLACIJONOVOSTI V RAZVOJU NAVITIJ ENERGETSKIH TRANSFORMATORJEV Z LAK IZOLACIJO
NOVOSTI V RAZVOJU NAVITIJ ENERGETSKIH TRANSFORMATORJEV Z LAK IZOLACIJO
 
POWER TRANSFORMER WINDINGS WITHOUT PAPER INSULATION
POWER TRANSFORMER WINDINGS WITHOUT PAPER INSULATIONPOWER TRANSFORMER WINDINGS WITHOUT PAPER INSULATION
POWER TRANSFORMER WINDINGS WITHOUT PAPER INSULATION
 
BOOSTER REGULACIJA NAPONA NA NISKONAPONSKOJ SТRANI ENERGEТSКIН TRANSFORМATORA
BOOSTER REGULACIJA NAPONA NA NISKONAPONSKOJ SТRANI ENERGEТSКIН TRANSFORМATORABOOSTER REGULACIJA NAPONA NA NISKONAPONSKOJ SТRANI ENERGEТSКIН TRANSFORМATORA
BOOSTER REGULACIJA NAPONA NA NISKONAPONSKOJ SТRANI ENERGEТSКIН TRANSFORМATORA
 
EKSPERIMENTALNI REZULTATI MJERENJA ODZIVA NAMOTAJA TRANSFORMATORA PRI OSCILAT...
EKSPERIMENTALNI REZULTATI MJERENJA ODZIVA NAMOTAJA TRANSFORMATORA PRI OSCILAT...EKSPERIMENTALNI REZULTATI MJERENJA ODZIVA NAMOTAJA TRANSFORMATORA PRI OSCILAT...
EKSPERIMENTALNI REZULTATI MJERENJA ODZIVA NAMOTAJA TRANSFORMATORA PRI OSCILAT...
 
Semi - hybrid thermal insulation system
Semi - hybrid thermal insulation systemSemi - hybrid thermal insulation system
Semi - hybrid thermal insulation system
 

CONVERTER TRANSFORMERS FOR REFURBISHMENT OF SLOVENIAN RAILWAYS

  • 1. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK A2-01 1 USMERNIŠKI TRANSFORMATORJI ZA OBNOVO SLOVENSKIH ŽELEZNIC JUSO IKANOVIĆ, IGOR LUGARIČ Kolektor Etra d. o. o. Juso.ikanovic@kolektor.com, Igor.lugaric@kolektor.com Povzetek: V članku je podan pregled pomembnejših tehničnih karakteristik usmerniških transformatorjev, ki smo jih izdelali v okviru projektov obnove in modernizacije Slovenskih železnic v obdobju 19932014. Transformatorji obratujejo v napajalnih postajah: Sava, Črnotiče, Divača, Dekani in sedaj pripravljeni za pogon v večjih postajah na progi Pragersko- Hodoš. Opisane so glavne posebnosti v zahtevah tovrstnih pogonov; faktor sklopa, kot geometrična lastnost nizkonapetostnih navitij z različnim številom medsebojnih prepletov, termične obremenitve z vidika tokovnih cikličnih preobremenitev in zaščita napajalne usmerniške strani proti prenesenim prenapetostim iz omrežja. V omenjenih projektih je prvič izveden aksialni križni prehod vodnikov med navitjema zvezde in trikota, nujna tehnološka novost, s katero smo izpolnili zelo stroge kriterije glede magnetne povezave med nizkonapetostnima navitjema. Na podlagi rezultatov tipskega segrevanja transformatorja je izdelan termični profil v obremenilnem razredu VI. Med navitij je vgrajen ozemljitveni zaslon in z eksperimentalnimi meritvami je bila preverjena učinkovitost zaslanjanja z in brez zunanje ozemljitve. Nekatere rezultate smo ovrednotili s primerjavami SIST EN standardov na tempodročju. Ključne besede: Usmerniški transformator, faktor sklopa, križno navitje, ozemljitveni zaslon, termični profil CONVERTER TRANSFORMERS FOR REFURBISHMENT OF SLOVENIAN RAILWAYS Abstract: The paper contains an overview of the most significant technical characteristics of converter transformers manufactured for modernization of Slovenian railways between years 1993 and 2014. Transformers are in service in the following power stations: Sava, Črnotiče, Divača, Dekani, and will be soon installed into all major stations on the Pragersko- Hodoš railway line. The main features and characteristics of this type of traction drives are described; the coupling factor as a geometric property of low voltage windings with different numbers of mutual axial crossings, the thermal loading as a consequence of cyclic overload and protection of the converter from transferred overvoltages from the network. The referenced projects include the first application of axial winding crossing, a technical innovation resolving the strict magnetic coupling requirement of low voltage windings. On the basis of the results of the type heat run test, a thermal profile was made corresponding to class VI overloading cycle. Between the high and low voltage windings an earthed screen was incorporated and the efficiency of the shielding with and without earthed was tested. The results were compared with the requirements of the SIST EN standards. Keywords: Converter Transformer, Coupling factor, Aaxial winding crossing, Eearthed screen, Thermal profile
  • 2. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK A2-01 2 UVOD Usmerniški transformatorji za napajanje železniške enosmerne vleke sodijo v skupino specialnih transformatorjev, ki jih obravnavajo za to področje posebej izdelani standardi; [1], [2], [3]. Za železniško vleko v Sloveniji je v uporabi enosmerna sistemska napetost 3000 V. Napetost ob progi ohranjajo z večjimi energetskimi napajalnimi postajami (ENP), v katerih se opravi transformacija napetosti in napajanje usmernikov za konverzijo izmenične napetosti v enosmerno. V uporabi so dvanajst pulzni diodni usmerniki, vezani vzporedno ali zaporedno. Razvoj usmerniških transformatorjev se je v tovarni začel leta 1993, ko je bil izdelan prvi transformator za napajalno postajo ENP Sava. Iz preglednice v tabeli 1 je razvidno, da ta transformator napaja mostni tip usmernika v vzporedni vezavi s sesalno dušilko, vezava št. 9 [2], [3]. Kasnejši transformatorji so bili izdelani za serijsko mostno vezavo in sicer vezavo št. 12. V preglednici (Tabela 1) so podane osnovne tehnične karakteristike usmerniških transformatorjev po posameznih napajalnih postajah. Projekt obnove je zajemal napajalne postaje: Sava, Črnotiče, Dekani in Divača in je, z vidika dobave transformatorjev, zaključen projekt. Modernizacija železnice na odseku Pragersko– Hodoš je v teku gradnje, vključuje pet napajalnih postaj in deset enakih usmerniških transformatorjev (ENP: Ptuj, Pavlovci, Ljutomer, M. Sobota, Gornji Petrovci). Pri izračunu in načrtovanju transformatorja, se projektanti vselej želimo približati tako imenovani optimalni konstrukciji. Običajno se pot začne z numeričnimi izračuni, ki določajo transformator glede na stroške vgrajenih materialov. Pri projektiranju specialnih transformatorjev je pot h končni rešitvi podobna, vendar se mora pogosto uporabiti druga rešitev, ki je odvisna od tehnoloških in izvedbenih omejitev ter faktorja varnosti zaradi obratovalnih pogojev in okoliščin v katerih bo transformator deloval. Pri tovrstnih projektih se pogosto ukvarjamo s pojmom izvedljivosti rešitev in ne z optimizacijo v njenem klasičnem pomenu. Objekt: ENP Sava ENP Črnotiče ENP Dekani, Divača ENP Pragersko- Hodoš Tip transformatorja UNT 3650 UNT 5460 URT 7272 URT 3636 Postavitev Zunanja Izolacijsko sredstvo Mineralno olje Število faz 3 Nazivna frekvenca Hz 50 Način hlajenja ONAN Najvišja temperatura okolice °C 40 Nazivna moč kVA 3650/2 x 1890 5460/2 x 2830 7272/2x3770/50 3636/2x1885 Preobremenitve razred VI Nazivna napetost kV 35(20,2)/2x2,67 20/2 x 1,335 114/2x1,332/0,4 21/2x1,332 Najvišje obratovalne napetosti kV 36/7,2 24/7,2 123/7,2 24/4,8 Stopnja izolacije LI / AC VN navitje kV 170/70 125/50 550/230 125/50 NN navitje kV 40/20 40/18,5 Vezalna skupina Yy0d11(Dy1d0) Dy11d0 Yy0d11+ syn0* Dy11d0 Regulacija napetosti brez napetosti brez napetosti pod obremenitvijo pod obremenitvijo ± 4 x 2,5 % +1/ - 3 x 2,5 % ± 8 x 1,25 % ± 4 x 2,5 % Najvišji segretki: olja/navitij K 60/65 Kratkostična napetost VN/NN % 8,3 8,9 10,8 6,2 Mase: Olja/Skupna t 2,3 / 12 2,9 / 14,5 10,5 / 31 3,2 / 13,5 * Vgrajeno navitje za napajanje lastne rabe 50 kVA- 400 V Tabela 1: Pregled tehničnih karakteristik usmerniških transformatorjev
  • 3. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK A2-01 3 I. GLAVNE ZAHTEVE IN OMEJITVE Usmerniški transformatorji za električno enosmerno vleko, obravnavani v tem članku, spadajo v skupino specialnih transformatorjev z vrsto posebnosti in zahtev. V obravnavi se bomo omejili na faktor sklopa, toplotne obremenitve pri cikličnih tokovnih preobremenitvah, tolerančne omejitve in zaščito usmerniške strani od prenesenih prenapetosti. I.1 Faktor sklopa usmerniškega transformatorja Razmerje nadomestnih razsipnih reaktanc ali faktor sklopa po zahtevah standarda [4] mora biti K > 0,9. Faktor sklopa določamo iz nadomestnega vezja za običajen trinavitni transformator po sliki 1; 𝐾 = 𝑋 𝑝 𝑋 𝑝 +𝑋𝑠 , (1) Slika 1: Nadomestno vezje usmerniškega transformatorja kjer je: 𝑋𝑝 = 𝑋 𝑝𝑠1 +𝑋 𝑝𝑠2 −𝑋𝑠1𝑠2 2 ; 𝑋𝑠1 = 𝑋 𝑝𝑠1 −𝑋 𝑝𝑠2 +𝑋𝑠1𝑠2 2 ≅ 𝑋𝑠 ; 𝑋𝑠2 = 𝑋 𝑝𝑠2 −𝑋 𝑝𝑠1 +𝑋𝑠1𝑠2 2 ≅ 𝑋𝑠 (2) Nadomestne razsipane reaktance so fiktivne računske vrednosti brez pravega fizikalnega pomena, a so kljub temu dobra podlaga pri analizah različnih stanj v električnih omrežjih. Enako velja za izračun faktorja sklopa, ki ga določamo prav iz razmerja nadomestnih razsipnih reaktanc. Analize usmerniških pogonov so pokazale, da ima razmerje K pomemben vpliv na različna obratovalna stanja transformatorja [4]. Izmed pomembnejših je zunanja karakteristika transformatorja. Značilno obratovalno stanje nastopi, ko je eno nizkonapetostno navitje v prostem teku, drugo pa polno obremenjeno. Višje kot je razmerje K, manjše so razlike med napetostmi na sekundarni strani. Nadomestno vezje usmerniškega transformatorja je zaradi obratovalnih zahtev usmerniških pogonov specifično. Zaradi dobre geometrične simetrije križnega navitja je razlika med razsipnima reaktancama Xps1 in Xps2 glede na njihovo srednjo aritmetično vrednost zelo majhna, saj se giblje v mejah 1 % vrednosti kar omogoča, da se nadomestna reaktanca sekundarnega navitja Xs izračuna preprosto: 𝑋𝑠1 = 𝑋𝑠2 = 𝑋𝑠 = 𝑋𝑠1𝑠2 2 , (Xps1= Xps2). (3) Faktor sklopa usmerniškega transformatorja (K) je odvisen od popolnosti magnetnega sklopa nizkonapetostnih navitij. Boljšo predstavo o popolnosti sklopa med navitjema s1 in s2 podaja njuna reaktanca razsipanja v Xp Xs1 = Xs Xs2 = Xs s1 s2 pUS1 US2 Up Xp UpUS1 = US2 = US s1 ,s2 p 𝐾 = 𝑋 𝑝 𝑋 𝑝 + 𝑋𝑠 𝐾 = 1
  • 4. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK A2-01 4 odstotkih, ki je v projektantski praksi znana in enostavno določljiva. Pri naravnih konstrukcijah je vedno izpolnjen pogoj Xs1s2 > 0. V praksi se problem nizkih razsipanj rešuje z delitvijo navitij na posamezne sekcije, obe navitji razdelimo na večje število sekcij ter ustvarimo možnosti za čim pogostejšo izmenjavo zasedenih prostorov [8]. Vrednost razsipanja med nizkonapetostnima navitjema, ki smo ga dosegli z uvedbo šestih delitev in treh križanj po sliki 2d, je znašala Xs1s2 = 0,7 % (ENP Dekani, ENP Divača). Pri tako nizkih vrednostih razsipanja je že vpliv vezi in povezav med navitji in sekcijami lahko škodljiv. V ta namen smo že pri navijanju navitij na navijalnem stroju izvedli večkratno obračanje navitij. Postopek obračanja se izvede po vsakem prehodu, s čimer smo dosegli najkrajše možne povezave s sekcijami in posledično zmanjšali vpliv vezi na skupno razsipanje. Križni prehod med sekcijama je neprekinjen (slika 3). Nizkonapetostne povezave imajo precejšen presek in so dimenzionirane za tok enega kilo ampera in več. Krajše povezave med sekcijami so pripomogle k zmanjšanju izgub v navitjih in kratkostičnih izgub transformatorja. Slika 2: Križno navitje z enim (b), z dvema (c) in s tremi križanji (d) Slika 3: NN navitje na navijalnem stroju, aksialni križni prehod (desno) s1 s 2 a) 𝐾 = 0,1 s 1 s2 b) 𝐾 = 0,8 s 1 s 2 c) 𝐾 = 0,92 s1 s2 d) 𝐾 = 0,967
  • 5. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK A2-01 5 I.2 Odstopanja Dovoljeno odstopanje kratkostične napetosti med pari navitji s1-p in s2-p glede na njihovo aritmetično srednjo vrednost ne sme preseči tolerančnih meja ±1,5 %. Za primerjavo: dovoljena odstopanja kratkostičnih napetosti za energetske transformatorje znašajo od ±7,5 % do ±10 %. Iz te zahteve lahko sklepamo, da se pri usmerniških enotah pričakuje zelo stroga simetrija obeh vzporednih vej, kar je povezano s stabilnostjo v obratovanju usmernika in transformatorja. Izračuni in končne meritve so pokazali odstopanja kratkostičnih napetosti v razponu ±1 % in manj. Konstrukcija nizkonapetostnih navitji v križni izvedbi zagotavlja skoraj popolno geometrično simetrijo obeh nizkonapetostnih vej do napajalnega vira. I.3 Kratkostična napetost Kratkostična napetost med nizkonapetostnima navitjema s1 in s2 ne sme preseči vrednosti 2 %. Zahteva se sicer zdi precej enostavna, vendar, če upoštevamo, da je lahko že ohmska komponenta kratkostične napetosti 1 % in več, ostane za induktivno komponento na voljo le še 1,7 %. Pri transformatorjih z velikimi izgubami se razmere še dodatno poslabšajo. Da bi dosegli zahteve, je bilo potrebno razviti nov način navijanja navitij z nizko stopnjo razsipanja. Hkrati je bilo treba doseči geometrijsko simetrijo obeh nizkonapetostnih navitij do visokonapetostnega navitja. Izvedba 2a je brez prepleta navitij in je tukaj podana kot simbolna izvedba, najpreprostejša, a z najslabšim sklopom reda 0,1. Z enim prepletom navitij zvezde in trikota (slika 2b), zahtevanih pogojev prav tako ni mogoče izpolniti. Če upoštevamo, da sta nizkonapetostni navitji različnih vezav, eno mora biti vezano v zvezdo drugo pa v trikot, je medsebojni preplet zelo težaven, včasih celo neizvedljiv. Različno število ovojev v nizkonapetostnih navitjih ter njihova delitev na štiri ali celo šes t sekcij pri nizkem številu ovojev pomeni resno izvedbeno omejitev zlasti pri transformatorjih večjih moči, kjer se število ovojev z večanjem moči manjša. Dodatne težave povzroča še notranja izolacija, kjer je treba vse sekcije med seboj izolirati za polno preizkusno napetost. V tabeli 2 so podani rezultati meritev pomembnejših parametrov za vezavo s slike 2d. Doseženi rezultati so primerjani z zahtevami SIST EN [2]. Vsi tukaj uporabljeni podatki so povzeti iz rezultatov zaključnih meritev projekta ENP Dekani in ENP Pragersko- Hodoš. Zahteva [4] Merjeno (Dekani) Merjeno (Pragersko- Hodoš) K > 0,9 K = 0,967 K = 0,957 ukps = ± 1,5 % ukps= ± 0,2 % ukps= ± 1,0 % uks1s2  2 % uks1s2= 1,2 % uks1s2= 0,9 % Tabela 2: Primerjava merjenih rezultatov z zahtevami II. TERMIČNI PROFIL Temperatura v navitju vpliva na življenjsko dobo transformatorja, če jo želimo določiti projektant mora upoštevati vse zahteve pogona. Največje zanimanje s strani uporabnikov je za t.i. najtoplejšo točko v navitju. Usmerniški transformator za železnico, ima drugačne pričakovane pogonske obremenitve kot močnostni transformator, ki obratuje v razdelilnih omrežjih. Značilni so tudi višji harmoniki, ki spremljajo usmerniške pogone in povzročajo dodatne izgube v navitjih [2]. Možne dinamike pogona transformatorjev za vleko določa SIST EN standard [2] (Annex A). Vsi usmerniški transformatorji so projektirani za obratovalni režim razreda VI v skladu z zahtevami Slovenskih železnic z dovoljeno obremenitvijo; 150 % (čas trajanja 120 min.) in 300 % (čas trajanja 1 min). Segrevanje transformatorja skupaj z usmernikom in simulacija obratovalnega razreda VI v praksi ni izvedljiva. Standardi opisujejo več različnih postopkov segrevanja, vsi so kombinacija meritev in izračunov in vsi poskušajo
  • 6. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK A2-01 6 zajeti vpliv višjih harmonikov in specifiko različnih obratovalnih režimov. Pri transformatorjih, ki so namenjeni za železniški odsek Pragersko-Hodoš, smo opravili tipski preizkus segrevanja v skladu s standardom IEC [6]. Rezultati preizkusa segrevanja so bili podlaga za izračun temperature najtoplejše točke v najbolj neugodnem delu bremenilnega cikla. Pri tem smo za izračun koristili enačbe in priporočila standarda IEC [4] (Annex A) za ciklične obremenitve in zahtevani obremenilni profil VI. Transformator smo segrevali z maksimalnimi izgubami, ki nastopijo pri obratovanju transformatorja z usmernikom pri nazivni moči. Izgube so izračunane po empirični enačbi podani v standardu [3] (Table 2 za serijsko vezavo usmernika 12) na podlagi rezultatov meritev izgub med posameznimi pari navitij v treh možnih kombinacijah obremenitev. Na ta način je simulirano termično breme v obratovalnem režimu transformatorja in usmernika in najbolj neugodni obratovalni pogoji. Kot je razvidno iz slike 4, nastopi največja izračunana temperatura po izteku cikla s 150 % bremenom in znaša 107 °C. Najvišja dovoljena temperatura na papirni izolaciji termičnega razreda A, pri temperaturi okolice 40 °C, znaša 118 °C. Razlika med dovoljeno in merjeno temperaturo 11 K je termična rezerva primerna za tovrstne pogone, ki imajo običajno višjo stopnjo izgube življenjske dobe. Slika 4: Termični profil transformatorjev Pragersko- Hodoš III. PRENESENE PRENAPETOSTI Usmerniška tehnika je občutljiva na prenapetosti, ki se iz omrežja lahko prenesejo preko transformatorja na napajalno usmerniško stran. To pokaže preprosta relacija za približen izračun kapacitivno prenesene napetosti (uLC) med dvema navitjema brez vgrajenega zaslona [7]. 𝑢 𝐿𝐶 = 𝐶 𝐻𝐿 𝐶 𝐻𝐿+𝐶 𝐿𝐶 𝑈 𝐻 , (4) kjer CHL predstavlja kapacitivnost med navitji VN- NN, CLC je kapacitivnost med jedrom in NN navitjem, napetost UH je preizkusna udarna napetost visokonapetostnega navitja. Razmerje kapacitivnosti po tej enačbi predstavlja relativni delež prenesene udarne napetosti. Tipične vrednosti v odstotkih preizkusne udarne napetosti znašajo 30 % in več. Največji vpliv na preneseno napetost ima izolacijski nivo visokonapetostne strani (UH), čim je višja preizkusna udarna napetost napajalne visokonapetostne strani transformatorja višja je prenesena napetost na usmerniško stran. Če znaša nazivna napajalna napetost transformatorja 20 kV pri ustrezni preizkusni udarni napetosti 125 kV (LI), se na usmerniško stran prenese prenapetost reda 37,5 kV (LI), kar je zelo blizu izolacijskemu razredu usmerniške strani (40 kV LI). 0 ° C 20 ° C 40 ° C 60 ° C 80 ° C 100 ° C 120 ° C 0 % 50 % 100 % 150 % 200 % 250 % 300 % 350 % 0 min 50 min 100 min 150 min 200 min 250 min 300 min 350 min Bazni tok Temp. najtoplejše točke
  • 7. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK A2-01 7 Pri 110 kV transformatorjih je prenesena prenapetost enaka 170 kV (LI) in je mnogokratnik izolacijskega razreda usmerniške strani. Vgradnja ozemljitvenega zaslona pri 110 kV transformatorjih je bila nujna. Problematiko prenosa prenapetosti v obliki priporočil obravnava IEC standard [2] in sicer obravnava več možnih poti; da se prenesene napetosti preverijo z meritvami na končani konstrukciji, med navitja vgradi zaslon ali vgradijo kondenzatorske baterije na nizkonapetostni strani zunaj transformatorja. V vse usmerniške transformatorje smo vgradili nizko induktivne zaslone, ki preprečujejo kapacitivni prenos prenapetosti na napajalno enosmerno stran. Zaslon je izdelan je iz tenke folije z izolacijo v sendvič izvedbi z enim samim odprtim ovojem [7]. Zaslon je izveden in ozemljen na kotlu transformatorja s posebnim skoznjikom. Z vgradnjo zaslona smo sicer zgubili nekaj prostora v transformatorju in podražili konstrukcijo, a je vendar rešitev z vidika varnosti najboljša saj izključuje preverjanja in dvome kot tudi vse dodatne ukrepe zunaj transformatorja. V razvojne namene smo izgotovljen transformator preizkusili s t.i. repeticijskim generatorjem nizke napetosti 300 V tako, da smo simulirali atmosferski val standardne oblike 1,2/50 µs, pritisnjen v visokonapetostni linijski izvod in na nizkonapetostnem navitju merili preneseno napetost. Preverili smo tudi kakšna je razlika v preneseni napetosti, če je zaslon ozemljen in če zunanje ozemljitve zaslona ni. Ko je bil zaslon ozemljen, je meritev pokazala preneseno napetost 5,3 V (1,8 % udarnega vala) brez ozemljitve pa 6,1 V (2 % udarnega vala). Iz prehodnega pojava je odčitana prva najvišja amplituda prenesene napetosti. Popolnega zaslona ni, prepuščanje napetosti v mejah 2 % gre pripisati izvodom in vezem, ki jih zaslon ne zaslanja, a kljub temu, tudi pri višjih izolacijskih nivojih visokonapetostnega navitja, prenesene napetosti niso prenapetosti in ne predstavljajo resen problem za izolacijo usmernika. Vgradnja dodatnih kondenzatorjev ni bila potrebna. Pomembna je tudi kakovostna ozemljitev zaslona (kot je to običajno za vse ozemljitve) saj smo ugotovili, da se pri ozemljenem zaslonu prenese približno 13 % manj napetosti. Slika 5: Prenesena napetost na NN navitje -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 Napetost[V] Čas [µs] Potek prenesene napetosti uLC Udarni val zaslon neozemljen zaslon ozemljen
  • 8. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK A2-01 8 Slika 6: Usmerniški transformator v postroju (ENP Gornji Petrovci) IV. ZAKLJUČKI Pri obnovi in modernizaciji Slovenskih železnic smo izdelali usmerniške transformatorje, ki ustrezajo zahtevam za napajanje usmernikov v dveh različnih vezavah usmernikov 9 in 12. Za dosego zahtevanih karakteristik smo razvili tehnologijo navijanja nizkonapetostnih navitij po postopku večkratnega medsebojnega prepleta z minimalnim številom medsebojnih povezav. Faktor sklopa usmerniškega transformatorja, kot razmerje nadomestnih razsipanih reaktanc, določajo konstrukcijske lastnosti in prostorske razporeditve navitij. Razmerje je pomembna lastnost usmerniškega transformatorja, ki vpliva na stabilno obratovanje usmernika. Določa zunanjo karakteristiko usmernika in delno duši kratkostične toke v sistemu, kar je za usmerniške pogone s pogostimi kratkimi stiki in preobremenitvami pomemben dejavnik [3]. Izboljšan faktor sklopa iz zahtevanih 0,9 na 0,967 in 0,957 presega zahteve, določene s standardom SIST EN. Izboljšava zagotavlja transformatorjem stabilnejšo zunanjo karakteristiko usmernika in zmanjšanje kratkostičnih tokov v navitjih in usmerniku. Na enem izmed desetih transformatorjev, vgrajenih na progi Pragersko- Hodoš, smo opravili tipski preizkus segrevanja in na podlagi rezultatov meritev in priporočil veljavnih standardov izdelali termični profil za zahtevan bremenilni režim VI. Izračunana temperatura najtoplejše točke v najbolj neugodnem območju preobremenitev, ne presega s standardom predpisanih vrednosti za termični razred papirne izolacije A. Termični varnostni limit znaša 11 K, kar je zadostna rezerva primerna tovrstnim pogonom. Prenos prenapetosti iz omrežja na napajalno stran usmernika je rešen enotno za vse transformatorje, z vgradnjo ozemljitvenih zaslonov med napajalnimi navitji transformatorja in usmernika. Z izračuni smo potrdili upravičenost vgradnje ter z meritvami preverili učinkovitost zaslanjanja. REFERENCE [1] SIST EN 50327, 2003: Railway applications- Fixed instalations-Harmonisation of the rated values for converter groups and tests on convertergroups. [2] SIST EN 50329:2003, Railway applications- Fixed instalations-Traction transformers. [3] SIST EN 146-1-3, 2001: Semiconductor converters. [4] IEC 60076-7, 2005: Loading guide for oil-immersed power transformers. [5] IEC 60076-3, 2013: Insulation levels, dielectric tests and external clearances in air. [6] IEC 60076- 2 , 2011: Temperature rise for liquid- immersed transformer. [7] H.P. Moser/ V. Dahinden:Transformerboard II, Rapperswil 1999. [8] J. Ikanović, Usmerniški transformatorji za Slovenske železnice, Elektrotehniški vestnik 79 (1- 2), 2012.