Auto(transformatoare) in electroenergetica

Consideratii generale

Transformatorul este un echipament electric destinat sa transforme doi dintre parametrii energiei electrice (tensiunea si curentul), frecventa ramanand aceeasi. Functionarea sa se bazeaza pe principiul inductiei electromagnetice.

Transformatorul la care pe fiecare faza, doua sau mai multe infasurari au o legatura galvanica, in asa fel incat exista o infasurare comuna, se numeste autotransformator.

Intre cele doua echipamente exista foarte multe asemanari si putine deosebiri. Ca urmare, in cele ce urmeaza, toate referirile la transformator vor presupune si referiri la autotransformator, daca nu se fac precizari corespunzatoare.

Transformatorul utilizat pentru tranzitul energiei in cadrul sistemului electroenergetic se numeste transformator de putere sau de forta. Conform standardelor romanesti sunt considerate transformatoare de putere, cele trifazate cu puteri egale sau mai mari de 6,3 kVA si cele monofazate cu puteri egale sau mai mari de 1 kVA.

In functie de numarul fazelor, transformatoarele sunt monofazate sau polifazate. Dintre transformatoarele polifazate cele mai utilizate sunt cele trifazate.

In functie de numarul infasurarilor aflate in cuplaj pe fiecare faza, transformatoarele pot fi cu:

doua infasurari;

trei sau mai multe infasurari.

Infasurarile unei faze pot fi denumite in mai multe moduri. Astfel, dupa tensiunea la borne exista uzanta de a se numi infasurarea cu tensiunea cea mai mare drept infasurare de inalta tensiune, infasurarea de tensiune mica - infasurarea de joasa tensiune si daca exista o a treia infasurare de tensiune intermediara - infasurare de tensiune medie. Astfel de denumiri pot insa crea confuzie cu denumirile retelelor dupa tensiune. De exemplu, la un transformator de 20/6 kV exista riscul de a denumi infasurarea de 6 kV drept infasurarea de medie tensiune, desi transformatorul leaga doua retele de inalta tensiune (conform noilor standarde in vigoare). Pentru a evita astfel de confuzii, in cele ce urmeaza, prin conventie, se vor denumi infasurarile drept infasurare de tensiune superioara, infasurare de tensiune inferioara si, respectiv, de tensiune mijlocie, daca este cazul. Infasurarile unui transformator mai pot fi denumite si in functie de sensul tranzitului de energie drept infasurare primara sau "primar" (prin care se absoarbe energie), infasurare secundara sau "secundar", iar daca exista o a treia infasurare aceasta se va numi infasurare tertiara sau "tertiar".

Marimi caracteristice transformatoarelor

Un transformator este caracterizat de o serie de marimi cu ajutorul carora pot fi determinate schemele echivalente, regimurile de functionare etc. In continuare, sunt prezentate principalele marimi caracteristice si notatiile lor uzuale.

Tensiunile nominale ale infasurarilor: U_1n, U_2n, U_3n etc. Prezentate sub forma U_1n/U_2n sau U_1n/U_2n/U_3n aceste tensiuni reprezinta raportul de transformare.

Curentii nominali ai fiecarei infasurari: I_1n, I_2n, I_3n etc.

Puterea nominala a transformatorului (cand toate infasurarile au aceeasi putere) sau puterile nominale ale infasurarilor (cand nu toate infasurarile au aceeasi putere): S_n sau S_1n/S_2n/S_3n.

Tensiunea de scurtcircuit (cand transformatorul are doua infasurari) sau tensiunile de scurtcircuit cand transformatorul are trei sau mai multe infasurari: u_sc exprimata in procente.

Curentul absorbit la mersul in gol: i_o, exprimat in procente.

Puterile active absorbite la proba de mers in gol, respectiv la proba de mers in scurtcircuit: P_o, respectiv P_sc; atunci cand transformatorul are trei sau mai multe infasurari se precizeaza trei sau mai multe valori ale lui P_sc.

Grupa de conexiuni a transformatorului care indica modul de conectare al fiecarei infasurari precum si defazajul dintre tensiuni.

Conexiunile infasurarilor transformatoarelor

Marcarea bornelor

O infasurare a unui transformator are doua borne. In tara noastra exista urmatoarea conventie de marcare a bornelor pentru transformatoarele trifazate:

pentru infasurarile cu tensiunea cea mai mare se noteaza cu A, B, C bornele de inceput ale infasurarilor si cu X, Y, Z bornele de sfarsit;

pentru infasurarile cu tensiunea cea mai mica se noteaza cu a,b,c, bornele de inceput ale infasurarilor si cu x, y, z bornele de sfarsit;

daca exista si infasurari cu tensiune intermediara, mijlocie, notatiile vor fi A_m, B_m, C_m respectiv X_m, Y_m, Z_m.

Punctul neutru se va nota asemanator cu N, n sau N_m.

In figura 3.1 sunt prezentate modul de amplasare al bornele infasurarilor pe capacul unui transformator.

Fig.3.1. Moduri de amplasare si notare a bornelor la transformatoare:

a - monofazate; b - trifazate cu doua infasurari; c - trifazate cu trei infasurari

Conectarea infasurarilor transformatoarelor trifazate

Conexiunea stea, simbolizata prin litera Y sau y, se obtine prin legarea impreuna a capetelor de inceput sau sfarsit ale celor trei infasurari de aceeasi tensiune, formandu-se astfel punctul neutru sau neutrul conexiunii.

In figura 3.2 este prezentata aceasta conexiune impreuna cu diagrama fazoriala a tensiunilor.

Conexiunea stea are cateva particularitati

Astfel, tensiunea pe fiecare infasurare este tensiunea de faza, respectiv o tensiune mai mica decat in alte cazuri.

In regim echilibrat de functionare potentialul punctului neutru este teoretic zero. Acest lucru face ca tensiunea aplicata izolatiei unei infasurari sa fie mult scazuta spre capatul dinspre neutru al infasurarii. Constructiv, acest lucru se traduce in posibilitatea reducerii izolatiei infasurarii spre punctul neutru, deci reducerea costului transformatorului.

Existenta punctului neutru, deci posibilitatea de a utiliza acest punct neutru in diverse scopuri.

Fig.3.2.Conexiunea stea a infasurarilor unui transformator trifazat

Conexiunea triunghi, simbolizata prin litera D sau d, se obtine legand borna de inceput a unei infasurari cu borna de sfarsit a infasurarii de pe alta faza si continuand la fel cu celelalte infasurari. In figura 3.3 este prezentata aceasta conexiune si diagrama ei fazoriala.

Fig. 3.3.Conexiunea triunghi a infasurarilor unui transformator trifazat

Particularitatile acestui mod de conexiune sunt:

tensiunea aplicata unei infasurari este tensiunea intre faze, deci o tensiune mai mare decat in cazul precedent;

izolatia unei infasurari este solicitata la fel in tot lungul ei;

curentii prin fiecare infasurare sunt de ori mai mici decat curentii de linie, care intra sau ies prin bornele infasurarii;

componentele homopolare de curent se inchid pe conturul triunghiului si prin urmare nu trec dincolo de borne; se spune ca triunghiul constituie un sunt pentru componentele homopolare de curent;

acelasi fenomen se intampla cu armonica 3 a curentului.

Conexiunea zig-zag este simbolizata prin litera Z sau z. Pentru a putea obtine o astfel de conexiune, fiecare infasurare se realizeaza din doua parti si se leaga ca in figura 3.4.

Fig.3.4. Conexiunea zig-zag a infasurarilor unui transformator

Conexiunea zig-zag are urmatoarele particularitati

are punct neutru, lucru important in anumite retele;

la fel ca si conexiunea triunghi, zig-zag-ul constituie un sunt pentru componentele homopolare de curent sau pentru armonica de ordinul 3 a curentilor, daca cele doua parti ale infasurarilor sunt identice;

prin faptul ca tensiunea intre bornele a si x ale unei infasurari este rezultatul unei sume vectoriale a doua tensiuni de pe faze diferite, infasurarea zig-zag ajuta la echilibrarea tensiunilor pe faze, atunci cand tensiunile aplicate celeilalte infasurari sunt dezechilibrate.

Conexiunea infasurari deschise simbolizata I I I este de fapt o lipsa de conexiune a infasurarilor, adica cele trei infasurari nu sunt conectate intre ele.

Grupa de conexiuni a transformatoarelor

Este un ansamblu de notatii prin care se precizeaza modul de conexiune al infasurarilor, precum si unghiul de defazaj dintre tensiunile de acelasi nume ale acestora. Grupa de conexiuni este simbolizata printr-un grup de litere, care arata conexiunea fiecarei infasurari urmat de un numar intreg cuprins intre 0 si 11, care este raportul dintre unghiul de defazaj si un unghi de 30⁰. Spre exemplu, transformatorul care are grupa de conexiuni Yd 11:

prima infasurare are conexiunea stea,

infasurarea de tensiune inferioara are conexiunea triunghi,

defazajul dintre tensiunea de acelasi nume superioara si cea inferioara este de 330⁰. Trebuie avut in vedere ca defazajul se stabileste parcurgand in sensul acelor de ceasornic unghiul dintre tensiunea primara si cea secundara.

Grupele de conexiuni pare (0, 2, 4, 6, 8, 10) se pot obtine prin combinatii de tipul Yy, Dd sau Dz, iar grupele de conexiuni impare (1, 3, 5, 7, 9, 11) prin combinatii de tipul Yd, Dy, Yz.

Tabelul 3.1.

Grupele de conexiuni ale transformatoarelor

Cunoasterea grupei de conexiuni este importanta la alegerea transformatoarelor. Astfel, doua transformatoare nu pot functiona in paralel decat daca au aceeasi grupa de conexiuni.

De asemenea, in cazurile in care trebuie puse in paralel cai de alimentare a unei statii, cai care pot forma o bucla in retea, atunci suma defazajelor pe conturul buclei trebuie sa fie zero. Un exemplu este prezentat in figura 3.5, referitor la caile de alimentare ale serviciilor proprii de 6kV ale unei centrale cu grupuri mari. Se observa ca se poate forma o bucla intre caile de alimentare normala si de rezerva ale serviciilor proprii.

Fig. 3.5. Alimentarea unei statii de servicii proprii pentru un grup de mare putere

Transformatorul de bloc va avea tensiunea inferioara defazata cu 330^o fata de tensiunea superioara. Parcurgand in continuare bucla, se constata ca transformatorul de rezerva va avea tensiunea inferioara defazata cu 330^o, dar in sensul invers al parcurgerii buclei, deci suma defazajelor celor doua transformatoare pe bucla va fi zero. Ca urmare, transformatorul de servicii proprii de bloc trebuie sa aiba o grupa de conexiuni 0 (in figura Dd 0). Daca nu se respecta conditia ca suma defazajelor sa fie nula sau 360⁰, nu se pot pune in paralel cele doua cai de alimentare a serviciilor proprii.

Raportul de transformare

Se defineste ca raportul tensiunilor de acelasi nume masurate la mersul in gol al transformatorului. La transformatoarele trifazate, raportul de transformare poate fi diferit de raportul numarului de spire pe fiecare faza al infasurarilor in functie de conexiunile infasurarilor. Astfel, conexiunile de tip Yy si Dd au raportul tensiunilor egal cu raportul numarului de spire:

(3.1.).

In cazul conexiunilor Yd si Zd exista relatia:

(3.2.),

iar in cazul conexiunilor Dy si Dz:

(3.3.).

Daca conexiunea zig-zag nu are numar egal de spire pe cele doua parti ale infasurarii atunci:

(3.4.),

unde C poate lua diverse valori.

Desi transformatorul este un echipament reversibil in exploatare (in sensul ca poate fi parcurs in ambele sensuri de energie), intre doua retele cu aceleasi tensiuni nominale, un transformator ridicator va avea prin constructie un raport de transformare diferit de un transformator coborator.

Se considera ca exemplu transformatoarele care leaga o retea de 110 kV si o retea de 6 kV. In cazul unei statii de 6 kV de centrala, prin transformatorul de legatura cu statia de 110 kV energia va circula de la 6 kV la 110 kV si transformatorul ridicator va avea raportul de transformare k=6/121 kV. Daca statia de 6 kV este una de distributie alimentata printr-un transformator de la statia de 110 kV (energia va circula de la 110 kV spre 6 kV), atunci transformatorul coborator va avea raportul de transformare k=110/6,6 kV.

Prin urmare, in astfel de cazuri se tine seama de posibilele pierderi de tensiune prin retele si, deci, tensiunea trebuie sa fie mai mare spre zona prin care energia intra intr-o retea de distributie, respectiv prin statia alimentata de transformatoare.

O parte dintre transformatoare permit modificarea raportului de transformare in scopul reglarii tensiunii la bornele transformatoarelor, pentru a asigura astfel consumatorilor o alimentare cu tensiune cat mai constanta.

Marea majoritate a transformatoarelor la care se poate modifica raportul de transformare sunt prevazute cu prize de reglaj pe infasurarea de tensiune superioara. Prizele se prevad, de preferinta, la mijlocul infasurarii (figura 3.6,a) sau la capatul infasurarii (figura 3.6,b). In cazul altor transformatoare, mai ales in cazul autotransformatoarelor de mare putere, se pot prevedea (auto)transformatoare speciale de reglaj, amplasate, de regula, in paralel cu unitatile principale.

a b

Fig.3.6. Infasurari cu prize pentru reglajul tensiunii

a - prize de reglaj la capatul infasurarii; b - prize de reglaj la mijlocul infasurarii

Pentru o parte dintre transformatoare (in special transformatoarele din posturi) reglajul tensiunii (trecerea de pe o priza pe alta) nu se poate face decat in absenta tensiunii, prin intermediul unor comutatoare cilindrice sau liniare, actionate manual sau cu motor electric. De regula, aceste transformatoare au trei sau cinci prize: 0 si 5%, respectiv 0 si 2x2,5%.

Pentru transformatoarele de tensiuni inalte si puteri mari, reglajul tensiunii se poate face sub tensiune, in sarcina. Astfel de transformatoare sunt prevazute cu un numar mai mare de prize. De exemplu, exista la transformatoarele cu tensiunea superioara de 110 kV un numar de 19 prize (0 si 9x1 %) sau la transformatoare cu tensiunea superioara de 220 kV un numar de 27 prize (0 si 13x1,25%). La aceasta categorie de transformatoare, reglajul tensiunii, respectiv comutarea de pe o priza pe alta, se face prin intermediul unor comutatoare speciale, care constituie un punct slab al transformatorului, deoarece se defecteaza des. Aceste comutatoare trebuie sa asigure trecerea de pe o priza pe alta fara intreruperea sarcinii si fara scurtcircuitarea infasurarilor.

Autotransformatorul (AT)

Autotransformatorul, spre deosebire de transformator, are cele doua infasurari legate atat magnetic cat si galvanic. In figura 3.7 sunt prezentate alaturat, pentru comparatie, un transformator si un autotransformator.

a b

Fig.3.7. Comparatie intre transformator (a) si autotransformator (b)

Atat in cazul transformatorului cat si al autotransformatorului raportul de transformare se poate nota cu k = N₁/N₂ = U₁/U₂ I /I . Cu erorile de rigoare, pentru autotransformator, se poate scrie:

I I₁ + I_c    (3.5.),

unde prin I_c s-a notat curentul prin infasurarea comuna a autotransformatorului. Multiplicand cu U₂ ambii termeni se obtine:

U I₂ U I + U₂ I_c (3.6.).

Analizand termenii relatiei de mai sus se poate arata ca, daca se considera (cu neglijarea pierderilor) U₂ I₂ = S₂ puterea totala tranzitata prin autotransformator de la infasurarea 1 spre infasurarea 2, atunci termenul U₂ I₁ va reprezenta puterea tranzitata prin legatura galvanica, iar termenul U₂ I_c va reprezenta puterea tranzitata prin miezul magnetic. Rezulta ca din toata puterea tranzitata printr-un autotransformator, pe cale magnetica se va tranzita numai o parte (notata cu k_mag):

k_mag = U₂ I_c/U₂ I₂ = I_c/I₂ = (I₂-I₁)/I₂ = 1 - I₁/I₂ = 1- U₂/U₁ = 1- 1/k (3.7.).

Comparativ cu transformatorul, autotransformatorul are cateva avantaje:

deoarece prin miezul magnetic se tranziteaza numai o parte din puterea totala, atat masa de fier, cat si pierderile in fier vor fi mai mici (raportul dintre masa de fier a autotransformatorului si cea a unui transformator de aceeasi putere este de ordinul k_mag).

Masa de metal conductor si pierderile in bobinaje sunt mai mici in cazul autotransformatorului, raportul de reducere fiind tot de ordinul k_mag. De exemplu, daca se compara infasurarile N₂, la autotransformator, aceasta infasurare este parcursa de curentul I_c, mai mic decat I₂; deci poate avea o sectiune mai mica si, de asemenea, pierderile mai mici.

Concluzia este ca, la aceeasi putere nominala, autotransformatorul are (comparativ cu un transformator) atat masele de metal activ, cat si pierderile de putere electrica mai mici, raportul dintre acestea fiind de ordinul k_mag. Deci un autotransformator va fi cu atat mai avantajos cu cat k_mag este mai mic, adica cu cat tensiunile U₁ si U₂ sunt mai apropiate, respectiv cu cat raportul de transformare este mai apropiat de 1. Mai exista si un alt motiv pentru care este bine ca cele doua tensiuni sa nu fie prea departate ca valoare: in cazul intreruperii accidentale a infasurarii comune, tensiunea la bornele infasurarii 2 devine egala cu U₁.

Autotransformatorul are si tensiunea de scurtcircuit mai mica decat cea a unui transformator, ceea ce face ca in caz de scurtcircuit autotransformatorul sa nu prezinte o reactanta prea mare. Un scurtcircuit la bornele autotransformatorului va conduce deci la curenti de scurtcircuit mari. Este unul dintre motivele pentru care, in sistemul nostru electroenergetic, in statiile de 400/110kV se folosesc transformatoare si nu autotransformatoare.

Principala restrictie in utilizarea autotransformatoarelor este legata de modul in care este tratat punctul neutru al retelelor intre care se instaleaza autotransformatoare.

In primul rand, intrucat autotransformatorul (care are intotdeauna conexiunea stea) are un singur punct neutru, comun ambelor infasurari, cele doua retele legate trebuie sa aiba acelasi mod de tratare a punctului neutru.

In al doilea rand, autotransformatorul nu poate fi folosit intre retele cu neutrul izolat sau tratat prin bobina de stingere, deoarece in cazul unei puneri monofazate la pamant in reteaua de tensiune mai mare (faza A, de exemplu), prin deplasarea potentialului punctului neutru comun, cresterea tensiunii aplicate izolatiei fazelor sanatoase in reteaua de tensiune mai mica ar fi foarte mare (figura 3.8). Prin P s-a notat potentialul pamantului. In regim normal de functionare, punctul neutru comun va avea acest potential si, ca urmare, in fiecare dintre cele doua retele, tensiunile aplicate izolatiei fazelor vor fi egale cu tensiunile de faza ale fiecarei retele : U_Pb = U_nb= U_b, respectiv U_PB = U_NB = U_{B .}

a b

Fig.3.8. Efectele folosirii autotransformatorului intre retele cu neutrul izolat

a - regim normal; b - punere monofazata la pamant a fazei A

Se observa din figura 3.8,b ca la punerea monofazata la pamant a fazei A din reteaua cu tensiunea mai mare, tensiunea dintre faza b, de exemplu, si pamant devine mult mai mare decat obisnuitul 1,73 U_b.

In afara celor doua infasurari legate atat magnetic cat si galvanic, autotransformatorul mai poate avea si o a treia infasurare, cuplata numai magnetic cu celelalte doua (figura 3.9). Intrucat schimbul de energie cu aceasta infasurare tertiara se face doar prin miezul magnetic, dimensionat pentru o putere mai mica decat puterea nominala a autotransformatorului (k_mag S_nAT), puterea nominala a acestei infasurari tertiare va fi mai mica decat puterea nominala a autotransformatorului. Valoarea sa maxima poate fi egala cu k_mag S_nAT.

Fig.3.9. Autotransformator cu tertiar

Marea majoritate a autotransformatoarelor sunt prevazute cu o infasurare tertiara, conectata in triunghi, avand ca tensiunea nominala o tensiune medie.

Transformatorul cu infasurare divizata (TID)

Transformatorul cu infasurare divizata este un transformator cu trei infasurari pe faza. De fapt, comparativ cu un transformator obisnuit cu doua infasurari, transformatorul cu infasurare divizata, apare ca avand una dintre infasurari, divizata in doua infasurari identice ca putere si tensiune, fiecare avand o putere nominala egala cu jumatate din puterea nominala a transformatorului. Daca se functioneaza cu cele doua infasurari identice in paralel atunci transformatorul are caracteristici identice cu un transformator obisnuit cu doua infasurari.

Principala utilizare a transformatorului cu infasurare divizata este legata    de limitarea curentilor de scurtcircuit. Cele doua infasurari identice, avand putere nominala mai mica, egala cu jumatate din puterea transformatorului, vor avea o reactanta mai mare, practic dubla fata de transformatorul cu doua infasurari. Ca urmare, daca cele doua infasurari nu functioneaza in paralel, curentii de scurtcircuit prin transformator vor fi redusi practic la jumatate, comparativ cu un transformator cu doua infasurari.

In figura 3.10 este prezentat simbolul acestui transformator si schema sa echivalenta, simplificata utilizata in calculele curentilor de scurtcircuit.

		a

Fig.3.10. Schema echivalenta a transformatorului cu infasurare divizata

a - transformator cu doua infasurari b - transformator cu infasurare divizata

Transformatorul cu infasurare divizata este mai scump decat un transformator cu doua infasurari, dar folosirea sa pentru limitarea curentilor de scurtcircuit este mai ieftina decat inlocuirea transformatorului obisnuit cu doua transformatoare, tot cu doua infasurari, dar de putere mai mica (solutie alternativa de limitare).

In anumite scheme (figura 3.11), transformatorul cu infasurare divizata mai poate fi folosit, tot din motive economice, pentru a racorda la o tensiune inalta doua generatoare de putere relativ mica (de regula hidrogeneratoare).

Exista TID-uri la care divizarea infasurarii este realizata in trei sau chiar patru infasurari identice de puteri corespunzator mai mici.

	Fig.3.11. Folosirea TID la racordarea a doua generatoare

Racirea transformatoarelor

In timpul functionarii (auto)transformatoarelor de putere se produce caldura, din cauza pierderilor de putere care au loc in regim normal de functionare, a suprasarcinilor, precum si ca urmare a curentilor de scurtcircuit. Caldura produsa in timpul functionarii afecteaza durata de viata a transformatoarelor, in special ca urmare a uzurii premature a izolatiei (circa 10% din totalul cauzelor care determina defectarea transformatoarelor de 110/MT sunt provocate de imbatranirea izolatiei). In afara efectelor pe termen lung, transformatorul devine astfel mai vulnerabil la incidente, cum ar fi supratensiunile si scurtcircuitele. Transformatoarele de mare putere au sistemul de izolare compus din materiale organice (ulei mineral, hartie si carton comprimat). In general, se considera ca durata de viata a transformatoarelor poate fi descrisa aproape exclusiv in functie de deteriorarea sub influenta caldurii a proprietatilor mecanice ale hartiei izolante dintre spirele infasurarilor. Imbatranirea izolatiei (in mod particular, a hartiei) este in mod normal asociata pirolizei, oxidarii si hidrolizei, aceste reactii fiind accelerate de cresterea temperaturii, a umiditatii si a concentratiei de oxigen. Uleiul izolant este, de asemenea, supus deteriorarii chimice. Oxidarea poate provoca formarea unor componente acide si a unor derivate noroioase care pot reduce rigiditatea dielectrica si impiedica racirea.

Circulatia agentului de racire se poate face natural (N) sau fortat, cu agentul de racire nedirijat (F) sau dirijat (D). La transformatoarele cu circulatie fortata si dirijata a agentului de racire, o anumita parte a fluxului fortat al agentului de racire este canalizata prin infasurari.

Ca agent de racire, fabricantii de transformatoare utilizeaza diferite fluide. Daca in cazul (auto)transformatoarelor de mare putere cel mai folosit agent de racire este uleiul, pentru transformatoarele destinate posturilor de transformare se aplica si alte solutii. In continuare se face o scurta prezentare a variantelor de racire folosite in constructia transformatoarelor.

Transformatoarele imersate. Dielectricul lichid se dilata in functie de incarcarea transformatorului si de temperatura ambianta. Fabricantii utilizeaza doua tehnologii de compensare a variatiilor corespunzatoare de volum:

dilatarea lichidului se face intr-un rezervor de expansiune (conservator); suprafata lichidului poate intra in contact direct cu aerul ambiant sau poate fi separata de acesta printr-un perete etans din material sintetic deformabil; in ambele cazuri, patrunderea umiditatii in interiorul rezervorului trebuie combatuta prin prevederea unui produs desicator;

introducerea transformatorului intr-o cuva etansa (orice oxidare a dielectricului lichid in contact cu aerul ambiant este evitata), dilatarea lichidului fiind compensata prin deformarea elastica a peretilor cuvei; sub capacul cuvei se lasa o perna de aer, care preia variatiile de volum; prin eliminarea conservatorului si a pericolului patrunderii umezelii, constructia transformatorului este simplificata, ceea ce conduce la un pret si cheltuieli de intretinere mai reduse (simpla supraveghere), economie de spatiu pentru instalare, facilitati in modul de dispunere a bornelor si deci de racordare la retea.

Circulatia lichidului de racire prin (auto)transformator se poate face natural (prin efect de termosifon), cu racire libera in aer sau cu racire prin suflare a aerului printre radiatoarele cu tevi ale cuvei. In acest ultim caz sunt necesare baterii de ventilatoare amplasate printre tevi, de ambele parti ale transformatorului. La transformatoarele de putere mai mare, circulatia lichidului de racire se face fortat, uleiul fiind vehiculat prin radiatoare cu ajutorul unor pompe, iar caldura uleiului este preluata prin suflaj de aer sau de catre apa de racire. Aceste instalatii anexe sunt relativ voluminoase si contribuie la cresterea consumului de energie, precum si a nivelului de zgomot in vecinatatea transformatorului.

Lichidul cel mai des utilizat in constructia transformatoarelor (atat ca dielectric, cat si ca mediu de racire) este uleiul mineral. Acesta este biodegradabil si nu contine substante toxice. Este insa un material inflamabil (punctul de inflamabilitate al uleiului se afla sub 300 C), de cele mai multe ori fiind necesare masuri specifice de paza/stingere a unor potentiale incendii. Pentru transformatoarele de MT/JT, uleiul mineral poate fi inlocuit printr-un alt dielectric lichid, adaptand constructia transformatorului si luand eventuale precautii complementare.

Din punct de vedere al agentului de racire utilizat de fabricant, STAS 1703 include transformatoarele cu miezul si infasurarile complet introduse in ulei mineral sau in alt lichid sintetic inflamabil echivalent in grupa O.

Daca pentru racire se utilizeaza lichide izolante sintetice neinflamabile (cu punct de inflamabilitate peste 300 C), transformatorul apartine grupei L. Lichidele neinflamabile utilizate in constructia transformatoarelor sunt amestecuri de triclorbenzen si hexa-, penta- sau triclordifenili, precum si uleiuri siliconice. In ultima vreme, utilizarea policlordifenililor este mult limitata, din cauza problemelor ecologice pe care le ridica (atat difenilii clorurati, cat si vaporii lor sunt toxici).

Vascozitatea dielectricului lichid constituie unul dintre indicatorii cu ajutorul carora poate fi apreciata capacitatea de cedare a caldurii. Vascozitatea lichidelor neinflamabile este de regula putin mai mica decat a uleiului, deci cedarea caldurii catre mediul ambiant se face in conditii foarte bune si, pentru dimensiuni si incarcari egale, transformatoarele cu lichide neinflamabile functioneaza la o temperatura inferioara cu cateva grade celei corespunzatoare transformatoarelor cu ulei. Datorita faptului ca lichidele neinflamabile pot suporta temperaturi ridicate fara a-si modifica proprietatile (temperatura de oxidare este de peste 1100 C), capacitatea de supraincarcare a transformatoarelor din grupa L este in orice caz comparabila cu cea corespunzatoare folosirii uleiului.

Densitatea lichidelor neinflamabile este mai mare decat cea corespunzatoare uleiului mineral si ca urmare, masa transformatorului cu lichid neinflamabil este superioara celei corespunzatoare unui transformator cu ulei, la aceleasi performante tehnice.

Datorita rigiditatii dielectrice comparabile, transformatoarele cu lichide neinflamabile au in general aceleasi distante de izolare ca pentru ulei, deci un volum comparabil.

Transformatoarele uscate.

In cazul transformatoarelor apartinand conform STAS 1703 grupei A, infasurarile (impregnate sau nu cu rasina) se afla in aer; la aceste transformatoare, pierderile prin incalzire sunt disipate direct in aer, de unde rezulta necesitatea de a se adopta densitati mici de curent    si suprafete mai mari de cedare a caldurii. Daca agentul de racire este un gaz oarecare (azot, hexafluorura de sulf, hexafluoretan, perfluorpropan), transformatoarele apartin grupei G.

Transformatoarele uscate au o buna rezistenta la foc, fiind uneori autoextinctibile. Riscul poluarii chimice a mediului ambiant este foarte redus, in cele mai multe cazuri fiind eliminat total, prin absenta oricaror subproduse toxice sau corozive. Nu sunt necesare amenajari speciale la instalare pentru colectarea lichidului izolant (obligatorii la transformatoarele imersate).

Pe de alta parte, transformatoarele inglobate in rasina sintetica se comporta foarte bine in atmosfera industriala, fiind insensibile la agenti exteriori (praf, umiditate etc.). Prin urmare, fiabilitatea transformatoarelor inglobate in rasina este mai buna, iar intretinerea este mult simplificata. Volumul acestor transformatoare este mai mic decat la cele cu ulei.

Transformatoarele uscate prezinta insa un cost ridicat (de circa 5 ori mai mare) si pierderi ceva mai mari decat cele cu ulei (de circa 1,3 ori mai mari), ceea ce face ca deocamdata utilizarea lor sa fie limitata in cazuri bine justificate, ca de exemplu, in posturi de transformare amplasate chiar in centrele de consum cu aglomerari de persoane (blocuri de locuinte, spitale, metrou etc.).

Transportul (auto)transformatoarelor

Ca urmare a faptului ca pretul specific de realizare a transformatoarelor creste degresiv in raport cu puterea nominala a acestora, consideratii economice dau in general prioritate cresterii puterii unitare pentru tranzitarea unei anumite puteri, comparativ cu numarul instalat de transformatoare. Astfel, din cauza cresterii puterii nominale a generatoarelor electrice s-a ajuns la puteri unitare foarte mari ale transformatoarelor destinate evacuarii puterii produse in centrale. Pe de alta parte, in cazul (auto)transformatoarelor amplasate in statiile de retea, din cauza celor doua infasurari de foarte inalta tensiune, la care se adauga infasurarea tertiara si sistemul de reglare a tensiunii, aceste unitati de transformare depasesc uneori transformatoarele de centrala de aceeasi putere nominala, in ceea ce priveste masa si gabaritul. In astfel de cazuri, problema prioritara care trebuie solutionata este cea a transportului unitatilor de (auto)transformare din fabrica si pana la locul de montare.

Transportul (auto)transformatoarelor la statiile de transformare se face de regula pe drumuri de acces pentru autovehicule. Trebuie verificate insa posibilitatile de transport, in ceea ce priveste gabaritele si sarcinile admise pe poduri si drumuri.

La etapa actuala se poate considera ca tehnologia de fabricatie a transformatoarelor nu ridica probleme deosebit de dificile, chiar in cazul unor unitati trifazate de puteri unitare foarte ridicate (1500 MVA si chiar mai mult), cu exceptia faptului ca incepand de la tensiunea nominala de 750 kV, construirea unitatilor trifazate este conditionata de posibilitatile de realizare a unor distante de izolatie corespunzatoare intre bornele de inalta tensiune.

In scopul eliminarii acestei restrictii, bornele de tensiune superioara ale (auto)transformatoarelor se pot realiza capsulat in hexafluorura de sulf (SF₆) si apoi pot fi scoase prin peretii cuvei. Raman de rezolvat insa dificultatile legate de transportul unor unitati de mare putere de la fabrica si pana la locul de amplasare. Se pot considera ca fiind posibile doua directii pentru rezolvarea acestei probleme.

Marirea capacitatii de transport. Cresterea capacitatii de transport (prin realizarea unor transportoare de mare tonaj) este una din directiile posibile de solutionare a problemei transportului unitatilor de transformare de mare putere din fabrica pana la locul de montare. Totusi, atata timp cat pentru transportul unitatilor de transformare se vor folosi culoare la nivelul solului, gabaritele admisibile vor conditiona in continuare constructia acestor unitati, mai ales in cazul transportului pe cale ferata, optim pentru distante mari. In cazul transportului pe sosele, existenta unor mijloace de transport corespunzatoare ca tonaj, cat si gasirea sau amenajarea (chiar si partiala) a unor rute adecvate, ridica in mod analog probleme care conditioneaza realizarea unitatilor de transformare trifazate.

Micsorarea masei de transport Pe aceasta directie se inscrie solutia clasica de realizare a unitatilor de (auto)transformatoare monofazate, prin care se reduce atat masa de transportat, cat si gabaritul. In plus, este solutionata problema distantelor de izolatie necesar a fi asigurate intre bornele de foarte inalta tensiune. In afara de aceasta, se poate vorbi de solutii noi, cum ar fi: asamblarea si incercarea unitatilor de transformare la locul de montaj si utilizarea fenomenului supraconductibilitatii in constructia transformatoarelor de putere.

La nivelul anilor '70, in Franta s-a realizat asamblarea unor transformatoare mai mici la locul de instalare, in vederea studierii si obtinerii de experienta pentru montarea in acest fel a transformatoarelor de mare putere si foarte inalta tensiune. Se pare insa ca, pana in prezent, aceasta metoda nu s-a generalizat.

Folosirea criogeniei pentru realizarea transformatoarelor cu infasurari supraconductoare este inca limitata la puteri mici. Recent, cercetatori din Suedia, Norvegia, Germania si Elvetia au construit un transformator supraconductor monofazat de 330 kVA.

Aspecte tehnice si economice privind utilizarea (auto)transformatoarelor

Pentru constructorul de transformatoare problema care se pune este aceea de a realiza un echipament cu anumite caracteristici garantate, la niste costuri de fabricatie cat mai mici. Pentru utilizator problema se pune diferit. Pe langa faptul ca trebuie sa cumpere un echipament relativ scump, el trebuie sa aiba in vedere si faptul ca, in exploatare, transformatorul va consuma sub forma de pierderi o anumita cantitate de energie, an de an. Ca urmare, pentru energetician se pune problema alegerii transformatorului astfel incat, tinand seama de conditiile in care acesta va functiona, sa rezulte o utilizare cat mai buna a echipamentului, evident, cu respectarea tuturor acelor conditii (restrictii) tehnice care asigura functionarea in siguranta a transformatoarelor.

Restrictiile tehnice

La stabilirea numarului si puterii nominale ale transformatoarelor trebuie luate in considerare solutiile care satisfac urmatoarele conditii (restrictii) tehnice.

R1, Puterea totala instalata in transformatoare trebuie sa asigure tranzitul de putere estimat pentru varful de sarcina pe intreaga durata de studiu. Daca se noteaza cu S_M sarcina maxima de durata care va trebui tranzitata prin transformatoare, atunci solutiile care satisfac restrictia de mai sus trebuie sa respecte conditia:

(3.8.

unde cu N s-a notat numarul de transformatoare instalate, iar cu S_nT - puterea nominala a unui transformator.

Observatie: in cele ce urmeaza se vor lua in considerare numai solutiile care folosesc transformatoare identice.

R2, Valorile curentilor de scurtcircuit pentru statia alimentata de catre transformatoare trebuie sa fie sub plafonul economic admisibil pentru echipamentele statiei si pentru liniile electrice alimentate din aceasta statie. In lipsa unui calcul al curentilor de scurtcircuit mai amanuntit, puterea nominala a transformatoarelor utilizate trebuie sa respecte urmatoarea conditie:

(3.9.

in care prin I_sc,ad s-a notat plafonul de scurtcircuit admisibil pentru statia alimentata de transformatoare.

R3, Necesitatea asigurarii pornirii celui mai mare motor sau autopornirii unui grup de motoare racordate la statia alimentata de transformatoare, in cazul unei pauze de tensiune. Pentru cazurile in care la barele statiei alimentate de transformatoare sunt racordate motoare, respectarea conditiilor de pornire a celui mai mare motor sau a conditiilor de autopornire dupa o pauza de tensiune a unui grup de motoare (statii de MT sau JT) se pot verifica cu relatia:

(3.10.

in care:

S_p este puterea electrica absorbita de motor la pornire sau puterea absorbita de grupul de motoare la autopornire;

S_sc - puterea de scurtcircuit pe barele statiei alimentate de transformatoare si la care sunt racordate motoarele (aceasta putere este proportionala cu puterea nominala a transformatoarelor S_nT);

U_{* admisibil} - valoarea relativa a tensiunii admisa la pornire sau autopornire (in lipsa unor valori precizate, se pot considera valorile 0,85 pentru cazul pornirii celui mai mare motor si 0,70 pentru cazul autopornirii unui grup de motoare dupa o pauza de tensiune).

Stabilirea unor solutii optime privind numarul si puterea transformatoarelor utilizate in statii

Pierderile de putere si energie electrica in transformator

Intr-un transformator se produc doua categorii de pierderi:

pierderile in fier (miezul magnetic): sunt pierderi independente de sarcina (S sau I) care trece prin transformator; ele sunt insa proportionale cu patratul tensiunii aplicate transformatorului;

pierderile in bobinaje: sunt pierderi proportionale cu patratul sarcinii care trece prin transformator.

In cele ce urmeaza, se vor face referiri numai la pierderile de putere electrica activa, deoarece acestea costa efectiv cel mai mult.

Relatia de calcul a pierderilor in fier este :

(3.11.)

in care P_o este puterea electrica activa masurata la proba de mers in gol (este o data de catalog).

Relatia de calcul a pierderilor in bobinaje este :

(3.12.)

in care:

P_sc este puterea electrica activa masurata la proba de mers in scurtcircuit (este de asemenea o data de catalog);

S_nT - puterea nominala a transformatorului;

S - sarcina care trece la un moment dat prin transformator.

Pentru pierderile in bobinaje este interesant de calculat valoarea lor pentru cazul in care prin transformator trece sarcina maxima anuala (notata S_M sau I_M). Ca urmare, se va obtine valoarea maxima a acestor pierderi de putere:

(3.13

Mai trebuie remarcat faptul ca raportul este coeficientul de incarcare al transformatorului la sarcina maxima anuala.

Cu ajutorul celor prezentate anterior se poate scrie expresia pierderilor totale de putere electrica activa intr-un transformator tranzitat de sarcina maxima anuala:

(3.14

Pierderile de energie electrica activa se calculeaza cu ajutorul pierderilor de putere tinand insa cont de caracterul lor. Daca intr-un an un transformator are un timp de functionare t_f (care poate fi maxim 8760 h/an) atunci:

(3.15

(3.16

In relatia (3.16) t este timpul de calcul al pierderilor de energie care se poate estima in functie de durata de utilizare anuala a sarcinii maxime T_M (daca energia electrica activa tranzitata prin transformator intr-un an este W_P, atunci durata de utilizare a sarcinii maxime active P_M este, prin definitie, ).

Deci, pierderile totale anuale de energie electrica activa intr-un transformator pot fi determinate cu relatia:

(3.17

Costul actualizat al pierderilor de putere si energie

Daca se noteaza cu c_p costul unui kilowatt instalat intr-o centrala (de fapt o investitie specifica) si cu c_w costul unei kilowattore livrate la treapta de tensiune respectiva, atunci costul actualizat al pierderilor de putere si energie din transformatoare se calculeaza cu relatiile:

costul anual al pierderilor de putere si energie electrica activa in fier:

(3.18

in care:

(3.19

unde DNU este durata normala de utilizare a unei centrale, iar a este rata de actualizare;

costul anual al pierderilor de putere si energie electrica activa in bobinaje:

Alegerea puterii nominale optime

Se recomanda utilizarea criteriul cheltuielilor totale minime. Acesta este un criteriu economic care tine seama atat de investitia initiala in transformatorator, cat si de faptul ca in exploatare pierderile in transformator costa. Daca se noteaza cu C_T costul transformatorului si daca se face calculul economic in sistem actualizat, atunci cheltuielile totale actualizate pe o durata de studiu t_s vor avea urmatoarea expresie:

(3.21

in care a este rata de actualizare.

Daca se foloseste notatia si daca se tine seama de relatiile (3.18) si (3.20) pentru si atunci se obtine:

(3.22

Grupand termenii dupa puterile lui S_M se obtine o relatie de forma:

(3.23

in care prin s-au notat cheltuielile independente de sarcina, iar prin s-a notat coeficientul lui .

Cu ajutorul acestei relatii se poate obtine raspunsul la urmatoarea intrebare: fiind data o sarcina S_M , ce putere nominala ar trebui sa aiba transformatorul ales, astfel incat cheltuielile sa fie minime?

Fie, de exemplu, doua transformatoare de puteri S_nT1 si S_nT2 . In cazul unei sarcini S_M se va alege puterea S_nT1 daca:

Rezulta:

(3.24

Se observa ca se alege S_nT1 daca:

(3.25

S-a notat prin S_Mfr1/2 sarcina frontiera sub care trebuie ales transformatorul S_nT1 si peste care trebuie ales transformatorul S_nT2 . De mentionat ca alegerea depinde, prin (S_Mfr)_, de caracteristicile transformatoarelor (P_sc, S_nT,P_o), de parametrii economici (C_T, c_p, c_w) si de curba de sarcina (prin t

Consideratii privind alegerea optima a numarului de transformatoare

Problema alegerii numarului de transformatoare instalate intr-o statie este puternic legata de continuitatea in alimentarea cu energie electrica, cu alte cuvinte intervin daunele datorate intreruperilor cauzate de prezenta unui anumit numar de transformatoare. Instalarea numai a unui singur transformator va duce la intreruperi in alimentare pe durata reviziilor sau a reparatiilor. Instalarea mai multor transformatoare va asigura rezerva necesara eliminarii unor astfel de intreruperi.

In cele ce urmeaza problema numarului de transformatoare se va analiza in doua ipoteze.

Ipoteza unor daune neglijabile in caz de intrerupere a functionarii transformatoarelor. Pentru astfel de situatii sunt doua posibilitati:

consumatorii racordati la statia alimentata de transformatoare nu sunt afectati de intreruperi si nu solicita daune;

consumatorii racordati la statia alimentata de transformatoare mai au si o alta cale de alimentare cu energie electrica.

In astfel de cazuri, numarul de transformatoare poate fi stabilit atat tehnic cat si economic. Din punct de vedere economic, este de preferat sa se instaleze numarul minim posibil de transformatoare cu respectarea restrictiei R1, respectiv .

Evident, ori de cate ori este posibil, economic ar fi indicat sa se instaleze un singur transformator. Acest lucru se justifica prin aceea ca, costul specific (lei/kVA) al unui transformator scade odata cu cresterea puterii nominale a transformatorului (doua transformatoare de putere vor fi mai scumpe decat un transformator de putere S_nT , desi puterea totala instalata este aceeasi). In al doilea rand intervine si costul celulelor prin care transformatoarele se racordeaza la statii. In al treilea rand, pierderile si costul pierderilor pe kVA instalat scad, de asemenea, odata cu cresterea puterii nominale a transformatoarelor.

Din punct de vedere tehnic este posibil ca, limitarea superioara a puterii nominale a transformatoarelor, fie din cauza gamei construite, fie de catre restrictia R2 (plafonul de scurtcircuit), sa conduca la necesitatea utilizarii unui numar de transformatoare mai mare decat cel rezultat pe considerente economice.

Ipoteza existentei unor daune in caz de intrerupere a functionarii transformatoarelor. In astfel de situatii, calculele arata ca, incepand chiar cu daune specifice destul de reduse, este economic sa se instaleze rezerve in transformatoare care sa evite intreruperile in alimentarea consumatorilor. Ca urmare, este de preferat instalarea a mai multor transformatoare care sa respecte regula numita (N-1). Adica (N-1) transformatoare sa fie capabile sa tranziteze sarcina maxima de durata (eventual cu o usoara supraincarcare). Deci in aceste cazuri restrictia R1 ar trebui sa fie aplicata sub forma:

Este usor de demonstrat ca si in aceste cazuri este de preferat ca N sa fie cat mai mic posibil, adica N=2. Considerentele de ordin economic sunt aceleasi ca in paragraful anterior. Un numar de transformatoare mai mare decat 2 poate sa rezulte prin aplicarea restrictiei R2 privind plafonul de scurtcircuit admisibil.

Desigur este posibil ca decizia de trecere de la un transformator la doua transformatoare rezervate reciproc sa se bazeze pe un calcul economic. Spre exemplu, fie o statie care alimenteaza consumatori care cer o putere maxima de durata S_M , la o durata de utilizare a acestei puteri T_SM. Dauna specifica in caz de nelivrare este d_sp. Cheltuielile totale actualizate in cazul instalarii unui singur transformator vor fi :

(3.26.)

in care:

este puterea medie tranzitata prin statie;

t_intrerupere - durata probabila de intrerupere intr-un an ca urmare a reviziilor si reparatiilor la transformator si celule.

In cazul instalarii a doua transformatoare care se rezerveaza reciproc, daca se considera neglijabila probabilitatea ca cele doua transformatoare sa se defecteze simultan, atunci cheltuielile totale actualizate vor fi:

(3.27.).

Doua transformatoare se vor justifica daca:

,

respectiv daca daunele totale exced surplusul de investitii si cheltuieli cu pierderile in fier pentru cel de al doilea transformator (la instalarea celui de al doilea transformator pierderile in bobinaje se reduc la jumatate):

(3.28

Puterea instalata si densitatea statiilor de transformare este influentata de criterii de planificare si de conceptie a retelelor electrice, precum si de mai multe aspecte tehnice si economice, cum ar fi densitatea de sarcina, terenul disponibil si costul acestuia, dreptul de trecere pentru linii. Puterea unitara si numarul transformatoarelor dintr-o statie electrica sunt mai mult sau mai putin legate de aceste aspecte, cu toate ca anumite limite tehnice cum ar fi gabaritul si masa sau nivelul puterii de scurtcircuit admisibil la tensiunea inferioara, pot fi foarte importante in cazuri concrete.