Fizika | Energetika » Transzformátor az energiarendszerben

Transzformátor az energiarendszerben A transzformátor három világhírű magyar mérnök (Bláthy Ottó, Déry Miksa, Zipernowsky Károly) találmánya, a váltakozó áramú villamosenergia-szállítás nélkülözhetetlen villamos gépe. 1. A transzformátorok szerepe és csoportosítása Az erőművek a villamos energiát generátorfeszültségen állítják elő. A hazai legnagyobb generátorfeszültség 18 kV. Külföldön az igen nagy egységteljesítő-képességű generátorok feszültsége ennél nagyobb, azonban a 25 kV-ot nem haladja meg. A villamos energiát nagy távolságra még a legnagyobb generátorfeszültségen sem gazdaságos szállítani, mivel ehhez nagy keresztmetszetű távvezetékek és így igen jelentős nagyságú beruházások lennének szükségesek. A gazdaságos energiaátvitel és elosztás céljából tehát a gépfeszültségen termelt villamos energiát nagyobb feszültségű, de kisebb áramerősségű villamos energiává kell átalakítani,

amely így kisebb keresztmetszetű vezetékeken szállítható. A fogyasztás helyén a nagyfeszültségű villamos energiát egy, esetleg több lépcsőben kell a fogyasztó igényének megfelelő feszültségű villamos energiává visszaalakítani. Az előtanulmányokból ismeretesen azt a villamos gépet, amely a feszültséget – mint a váltakozó áramú villamos energia egyik fontos jellemzőjét – változatlan frekvencia mellett kisebb vagy nagyobb értékűre változtatja, transzformátornak nevezzük. A transzformátorok a villamosenergia-rendszert feszültségszintekre osztják. A hazai energiarendszer ilyen értelmű tagozódását az 1. ábra mutatja Az ábrából is láthatóan az energia csak többszöri transzformáció után jut el a különböző feszültségszintű fogyasztókhoz Nemzetközi alaphálózat 220 kV 400 kV Országos alaphálózat (120 kV) 220 kV 400 kV Főelosztóhálózat (35 kV) 120 kV Nagyfeszültségű fogyasztók Középfeszültségű

elosztóhálózat 10, 20 kV Középfeszültségű fogyasztók Kisfeszültségű elosztóhálózat 0,4 kV Kisfeszültségű fogyasztók 1. ábra A magyar villamosenergia-rendszer feszültségszintek szerinti tagozódása 1 A transzformátorok az energiarendszerben elfoglalt helyük, ill. szerepük szempontjából a következőképpen csoportosíthatók: – erőművi transzformátorok, – főtranszformátorok (egységkapcsolásban blokk-transzformátornak is nevezik), – segédüzemi transzformátorok, – indító-, tartaléktranszformátorok; – hálózati transzformátorok – alaphálózati-, – főelosztóhálózati-, – elosztóhálózati – transzformátorok; – fogyasztói (ipartelepi, mezőgazdasági, kommunális) transzformátorok; – különleges transzformátorok (pl. nullpontképző; kemencetranszformátorok) A transzformátorok előnyeiként kiemelendő igen jó a hatásfokuk (97 % felett) és viszonylag egyszerű, igénytelen szerkezetük. 2. A

transzformátor helyettesítő vázlatai, reaktanciái A kéttekercselésű transzformátorok közös feszültségszintre számított egyfázisú helyettesítő kapcsolási vázlatát a 2. ábra mutatja jX1 R1 R2 jX2 1 2 I1 U1 I2 Rv jXm U2 2. ábra Kéttekercselésű transzformátor egyfázisú helyettesítő kapcsolási vázlata Egyes, fontos speciális vizsgálatoknál (transzformátorok fázisforgató hatása, zárlatszámítás) megengedhető, hogy az egyszerűsített helyettesítő vázlatot alkalmazzuk, amelyben csupán az X szórási reaktancia szerepel (3. ábra) Az elhanyagolások jogosságának érzékeltetésére tekintsük át egy transzformátor ellenállásainak és reaktanciáinak százalékos (tájékoztató) értékeit. Az Xs1 + Xs2 szórási, vagy dropreaktancia értéke 10 % körüli. A rézveszteséget leképező R1 és R2 primer és szekunder ohmos ellenállás együttes értéke kb. 0,5 % A mágnesező áram által meghatározott Xm reaktancia értéke

kb. 10 000 %, míg az örvényáram- és a hiszterézis veszteségnek megfelelő ellenállás Rv ≈ 100000 %. A tájékoztató adatokból látható, hogy a soros ohmos ellenállás nagyságrenddel kisebb a soros reaktanciánál, míg a párhuzamos ág impedanciája nagyságrendekkel nagyobb a soros ágénál. Ezek alapján kimondhatjuk, hogy a speciális vizsgálatokhoz az egyszerűsített helyettesítő vázlat a gyakorlat számára kielégítő pontossággal (elhanyagolható nagyságú hibával) alkalmazható, ugyanakkor a vizsgálatokat, számításokat lényegesen egyszerűbbé és áttekinthetőbbé teszi. 2 1 2 I U1 U2 X=X1+X2 3. ábra Kéttekercselésű transzformátor egyszerűsített egyfázisú helyettesítő kapcsolási vázlata 3. A transzformátorok kapcsolási jelei A kapcsolási jel alkalmazását és a szabványos kéttekercselésű transzformátorok jelölését, fazorábráját és kapcsolási rajzát az előtanulmányokból ismertnek tételezzük fel.

0(12) 11 120, 220, 400, 750 kV 10, 35 kV 20 kV 6 4. ábra Szabványos feszültségfazor-helyzetek A transzformátorok kapcsolási jelének biztosítania kell, hogy a különböző transzformátorokból származó, azonos szintű feszültségek fazorhelyzete azonos legyen, ami által e feszültségek az üzemvitelben szükség esetén összekapcsolhatók. Az együttműködő villamosenergiarendszerek üzemviteli követelményeit figyelembe véve, előírják az egyes feszültségszintek kötelező viszonylagos fazorhelyzetét. A fázishelyzetet megjelölik az óraszámlap óraértékei Magyarországon az előírt szabványos fazorhelyzetet a 4. ábra mutatja A 4. ábra azt szemlélteti, hogy az erőművek, a transzformátorok és a hálózatok párhuzamos kapcsolásához a kapcsolási jelek többszörösen összefüggő rendszere szükséges. A leggyakoribb kapcsolási jelek a hálózatüzemi alkalmazásban: Yy; Dd ; Yd ; Dy és Yz. (l az 5. ábrán) Általában az Yy 0, Yy 6, Dd

1, Yd 5, Yd 11, Dy 5, Dy 11, Yz 5 és Yz 11 kapcsolási jelű transzformátorokat gyártják. 3 120 kV 220 kV Yd11 Yd11 Yy6 Yy6 Yd11 20 kV 35 kV 10 kV Yd11 Yy0 Yd11 Yd11 Yd5 Dd0 ~ Yd5 ~ 6 kV 3 kV 5. ábra A kapcsolási jelek rendszere egy együttműködő hurkolt hálózaton 4. Hálózati feszültségszabályozás transzformátorokkal A villamosenergia-ellátás egyik fontos minőségi követelménye, hogy a különböző feszültségszintű hálózatokban, valamint a fogyasztóknál a feszültség a megengedhető tűréshatárokon belül maradjon. A feszültségkülönbséget az erőművek generátorainak szabályozásával kiegyenlíteni nem lehet, ezért a feszültségtartást járulékos eszközökkel kell biztosítani Az egyik ilyen eszköz a transzformátorokkal történő feszültségszabályozás, amely az áttétel változtatása révén valósul meg. 4.1 A kisfeszültségű hálózatok feszültségszabályozása +5% Unf -5% 6. ábra Megcsapolási

lehetőség a transzformátor nagyobb feszültségű oldalán (közép/kisfeszültségű transzformátor) A fogyasztókat közvetlenül tápláló kisfeszültségű hálózatokat a középfeszültségű elosztóhálózatra kapcsolt közép/kisfeszültségű transzformátorok táplálják. (Középfeszültségű 4 hálózatot vidéken a 20 kV-os, ritkábban 35 kV-os szabadvezetéki, míg városokban főleg a 10 kV-os kábelhálózat alkotja, míg a kisfeszültségű oldal 0,4 kV-os). Ezek a transzformátorok állandó áttételűek, amelyek primer oldalán azonban megcsapolási lehetőség van. Nagyságuk rendszerint ± 5 %, ill. ± 3 % között változtatható (6 ábra) A megcsapolások közül középállásban kapjuk a névleges feszültséget Változatlan tápfeszültség esetén a primer menetszám növelése (+ megcsapolás) csökkenti a menetfeszültséget, ezáltal a kisebb feszültségű oldal feszültsége csökken. A - megcsapolás (pl – 3 %) beállítása ellenkező

hatásban jelentkezik A megcsapolásokat az ún. megcsapolás-átkapcsolóval lehet átállítani, de csakis a transzformátor feszültségmentes állapotában Ez a körülmény, valamint a megcsapolás kis értékei felhívják a figyelmet arra, hogy a kisfeszültségű hálózatok tulajdonképpeni feszültségszabályozását a középfeszültségű elosztóhálózat táppontján kell biztosítani, a 120 kV/középfeszültségű transzformátorok áttételének terhelés alatti szabályozásával. A fogyasztói transzformátorok megcsapolásainak megfelelő átállítása csupán a transzformátoroknak a hálózaton való eltérő elhelyezkedését egyenlíti ki. A hosszú középfeszültségű távvezeték elején kapcsolódó közép/kisfeszültségű transzformátorokat áttételnövelő, azaz feszültségcsökkentő „+” állásba, míg a távvezeték végén kapcsolódó transzformátorokat feszültségnövelő „–” állásba kell kapcsolni. A vezeték közepén a

transzformátorok középállásúak. Ez a szabályozás a távvezetéken a terhelőáram keltette feszültségesés hatását hivatott kompenzálni. Az egész középfeszültségű hálózat terheléstől függő feszültségszabályozását a tápponti nagy/középfeszültségű transzformátorok végzik! 4.2 Elosztóhálózat feszültségszabályozása terhelés alatti változtatásával a transzformátor-áttétel Azokat a transzformátorokat, amelyek áttételét terhelés (üzem) alatt lehet változtatni, feszültségszabályozós transzformátoroknak nevezik. A gyakorlati megoldáshoz szabályozó tekercs és fokozatátkapcsoló berendezés szükséges. A feszültségszabályozós transzformátorokat a nagy/középfeszültségű és a nagy/nagyfeszültségű hálózatokban alkalmazzák. A megcsapolásokkal ellátott szabályozó tekercs és a főtekercs kapcsolata alapján megkülönböztetünk szabályozós, valamint szabályozó transzformátort. A szabályozós

transzformátornál a szabályozó tekercselés a főtekerccsel közös vasmagoszlopon helyezkedik el. Különálló szabályzó esetében a transzformátor csoport két egységből áll: a merev áttételű főtranszformátorból és a változtatható áttételű feszültségszabályozó egységből. Mindkét esetben az ún. csillagponti szabályozást alkalmazzák A két eset elvi megoldását 120/középfeszültségű transzformátorra a 7. és a 8 ábrák mutatják Az ábrákból látható, hogy a feszültség a transzformátor áttételének változtatásával, ill. a transzformátorhoz csatlakozó változtatható áttételű szabályozóegységgel, a tekercselés megcsapolásainak átkapcsolásával szabályozható. A fokozatátkapcsoló berendezés, amely választókapcsolóból, irányváltó kapcsolóból, terhelésátkapcsolóból, áramkorlátozóból és a hajtásból tevődik össze, a csillagpontban helyezkedik el, miáltal megtakarítás és fokozott üzembiztonság

érhető el. A 120/középfeszültségű transzformátorok szabályozós kivitelben készülnek, bár a hazai hálózaton megtalálhatók még a régebbi gyártású szabályozó transzformátorok is. A feszültség szabályozásával sugaras hálózat esetén a nagyobb feszültségű oldali feszültség változásaitól gyakorlatilag függetlenül optimális kisebb feszültségű oldali középfeszültség biztosítható. A transzformátorok feszültségének szabályozását a telepítési hely kezelőszemélyzete, vagy 5 automatika végzi a középfeszültségű hálózat terhelési viszonyainak megfelelően. A fokozatátkapcsoló távvezérléssel működtethető Napjaink korszerű törekvése a 120/középfeszültségű állomások személyzet nélküli üzemeltetése, így a szabályozás automatizálása egyre elterjedtebbé válik 7. ábra Szabályozós transzformátor csillagponti szabályozása (egy nagy/középfeszültségű szabályozós transzformátor példáján)

A Nagyobb feszültségű oldal Szabályozott kisebb feszültségű oldal B 8. ábra Csillagponti szabályozás a főtranszformátorhoz tartozó különálló szabályozó transzformátorral A) főtranszformátor; B) szabályozó transzformátor 4.3 A nagyfeszültségű hálózatok feszültségszabályozása A soros hálózati elemeken az átfolyó áram feszültségesést hoz létre, minek következtében a fogyasztó oldali feszültség nagysága és fázishelyzete megváltozik. A fogyasztói feszültség megváltoztatására tett hálózati intézkedéseket nevezzük feszültség szabályozásnak. A 750, 400, 220 és 120 kV-os hálózatok kapcsolatát képező transzformátorok takarékkapcsolású transzformátorok. Mind a négy feszültségszint hálózata hatásosan földelt csillag- 6 pontú, így ezen transzformátoroknál általában a csillagponti szabályozást alkalmazzák. A szabályozás hatása azonban eltér a nagy/középfeszültségű transzformátorok

feszültségszabályozásának hatásától. Az összekapcsolt igen nagy és nagyfeszültségű hálózatok zárlati teljesítmény-, ill. eredő belső impedancia viszonyai miatt pl az áttételcsökkentés a kisebbik feszültségű oldal feszültségét megemeli, de egyidejűleg lecsökken a nagyobbik feszültségű hálózat feszültsége is. Minthogy a feszültségszabályozás hatása az együttműködő villamosenergia-rendszer megbízható, gazdaságos és minőségi üzemével szoros kapcsolatban van, a nagy hálózati autótranszformátorok áttételszabályozását nem automatizálják, hanem azt minden esetben kezelőszemélyzetnek kell végeznie. 7