Dva spôsoby kontroly hodinového uhla u výkonových transformátorov

Dva spôsoby kontroly hodinového uhla u výkonových transformátorov

Ing. Miroslav Gutten, Ph.D., Ing. Mariana Beňová, doc. Ing. Ján Michalík, Ph.D.,
Elektrotechnická fakulta, Žilinská univerzita

V dnešnej dobe sú ponúkané skúšobné meracie prístroje od renomovaných firiem, ktoré dokážu bez veľkej energetickej náročnosti spoľahlivo identifikovať hodinový uhol u opraveného výkonového transformátora. Ich hlavnou nevýhodou je však vysoká cena a nedostatok podrobnejších odborných informácií o spôsobe merania.
Využitím nainštalovaných elektroenergetických zariadení je taktiež možné spoľahlivo kontrolovať spojenie vinutí u opraveného transformátora, čo je ekonomickejšie riešenie a zároveň jednoduchšie pre obsluhujúci personál. Spolu s odbornými poznatkami v oblasti merania a skúšania je možné takéto meranie ovládať a kontrolovať aj pomocou riadiacich a programovacích systémov.
V tomto článku sú uvedené dva spôsoby kontroly hodinového uhla u výkonových transformátorov: zrovnávanie hodnôt napätí nameraných medzi svorkami, ktorého základ tvorí vektorové usporiadanie združených napätí medzi oboma vinutiami transformátora, a kontrola hodinového uhla jednosmerným prúdom, ktorá je netradičnou metódou v oblasti skúšania a merania na výkonových transformátoroch, ale s veľmi uspokojivými výsledkami.

1. Úvod do teórie hodinového uhla výkonového transformátora

Spojenie vinutia každého vyrobeného alebo opraveného transformátora kontrolujeme, aby sme si overili jeden zo štítkových údajov, ktorý je dôležitý pre paralelný chod transformátorov.

Pri spájaní vinutí trojfázových transformátorov je potrebné rozlišovať nielen zapojenie, ale aj posunutie fázorov napätí rovnomenných fáz vstupného a výstupného vinutia. Pre označovanie spájania vinutí trojfázových transformátorov je zaužívaný nasledovný spôsob označovania. Zapojenie vstupného vinutia do hviezdy sa označuje veľkým písmenom Y a do trojuholníka D. Zapojenie výstupného vinutia do hviezdy sa označuje analogicky, ale s malými písmenami (y, d). Fázové posunutie fázorov napätí vstupného a výstupného vinutia rovnomenných fáz sa nazýva hodinový uhol. Tento uhol sa meria od fázora vyššieho napätia k fázoru nižšieho napätia v zmysle otáčania hodinových ručičiek. Uhol sa vyjadruje v hodinách, pričom 1 h = 30°. Je možné u trojfázových transformátorov dosiahnuť deväť rôznych uhlov natočenia, t. j. všetky čísla od 0 do 11 mimo 3 a 9, ktoré nie je možné vyrobiť.

Ak je spojenie vinutí transformátora označené napr. Dy1, znamená to, že vstupné vinutie je zapojené do trojuholníka, výstupné do hviezdy, pričom posunutie fázorov napätí rovnakých fáz vstupného a výstupného vinutia je 1 h = 30°. Zapojenie Dy1 a jemu odpovedajúci fázorový diagram sú uvedené na obr. 1.

2. Metóda zrovnávania hodnôt napätí nameraných medzi svorkami

Na kontrolu hodinového uhla sa obvykle používa metóda porovnávania hodnôt striedavého napätia nameraných medzi svorkami, ktorá je uvedená v [5].

Meraný transformátor napájame zníženým trojfázovým napätím na strane vn, pričom dve zhodne označené svorky na strane vn a nn, napr. A, a, sú vodivo spojené. Voltmetrom meriame všetky svorkové napätia na strane vn i nn, ako aj napätia medzi svorkami vn a nn (obr. 2).

Napokon hodinový uhol sa určí buď graficky (obr. 3 a obr. 4) alebo pomocou tab. 1 porovnaním nameraných hodnôt napätí U_AB, U_ab, U_Bb, U_Bc, U_Cc a U_Cb.

Tab. 1. Určenie hodinového uhla pri porovnávaní hodnôt napätí nameraných medzi svorkami

Pre potrebu určenia hodinového uhla pomocou PC, je tab. 1 doplnená vhodnými negáciami medzi porovnávacími napätiami (1. krok), nakoľko v tabuľke podľa normy [5] chýbajú. Bez doplnených negácií by softwarový program určil nesprávnu hodnotu hodinového uhla.

Pri kontrole distribučných transformátorov, ktoré majú hodinový uhol 1 (obr. 4), je vhodné nastavovať združené napájacie napätie U_AB na hodnotu minimálne 380 až 400 V. Pri nižších hodnotách napájacieho napätia U_AB by bola ťažšia identifikácia prípadných rozdielov medzi porovnávanými napätiami, najmä pri porovnávaní napätia pomocou software na PC. Pre účel určenia rovnajúcich sa požadovaných združených napätí je potrebné zvoliť vhodnú dovolenú toleranciu nameranej veličiny. Podľa experimentálnych meraní sme pre vyhodnocovací program stanovili toleranciu až ±0,4 % z nameranej hodnoty.

Hodnoty združených napätí v tab. 2 sú len zaokrúhlenými aritmetickými priemermi, ktoré sa dosiahli pri viacerých meraniach na distribučných transformátoroch.

Tab. 2. Približné hodnoty združených napätí u distribučného transformátora s hodinovým uhlom 1

3. Popis kontroly hodinového uhla jednosmerným prúdom

V tejto časti článku je uvedená netradičná metóda, ako uvádza [2], pre ktorú je potrebný zdroj jednosmerného prúdu a výchylkový deprézsky voltmeter (popr. upravený elektronický pamäťový voltmeter pri meraní na PC).

Princíp kontroly hodinového uhla jednosmerným prúdom je jednoduchý a je možné ho vysvetliť na nasledujúcom príklade:

Majme trojfázový transformátor, ktorého spojenie je napr. Yy6 (obr. 5). Pri zopnutí spínača sa bude pri pravotočivo prevedených vinutiach indukovať na strane nn v prvom a treťom jadre rovnako veľké okamžité napätie s rovnakou polaritou.

Vo vinutí na prostrednom jadre sa nebude indukovať žiadne napätie, pretože magnetický tok sa uzaviera len krajnými jadrami. Z obr. 5 je potom zrejmé, že pripojený voltmeter s prihliadnutím k jeho polarite zaznamená pri postupnom zapnutí spínača tieto výchylky:

ab(–1), ac(–2), bc(–1), čo podľa tab. 3 súhlasí s hodinovým uhlom 6.

Kontrolu hodinového uhla jednosmerným prúdom je možné realizovať súčasne pri meraní činného odporu vinutí výkonového transformátora. Pre všetky spojenia vinutí platí rovnaký postup merania, ale určenie hodinového uhla je rozdielne.

Pre transformátory typu Yy alebo Yz platí postup merania podľa [1]:

Na svorky A a C zo strany vn sa cez vypínač zo zdroja privedie jednosmerné napätie, a to kladný pól na svorku A a záporný na svorku C. Na strane nn sa deprézskym voltmetrom meria indukované napätia medzi každou dvojicou svoriek (t. j. ab, ac, bc) pri zopnutí zdroja. Prívody voltmetra sú pri tejto kombinácii umiestnené tak, že svorka „plus„ voltmetra je pripojená len na svorku a alebo b, svorka „mínus„ voltmetra na svorku b alebo c (obr. 6).

Princíp merania na voltmetri nebude spočívať v zaznamenávaní skutočných hodnôt napätia vo voltoch, ale v porovnávaní medzi veľkosťou a polaritou nameraných napätí pri pripojení jednosmerného zdroja k svorkám transformátora, t. j. v porovnávaní výchyliek voltmetra.

Ak označíme veľkosť výchylky na voltmetri číslom 1, dvojnásobnú výchylku číslom 2 a nulovú výchylku číslom 0, so zreteľom na zmysel výchyliek dosiahneme rôzne kombinácie čísel: +1, –1, +2, –2, 0. Z týchto kombinácií je možné podľa tab. 3 určiť hodinový uhol skúšaného transformátora.

Pre transformátory typu Dy platí podobný postup, ktorý bol experimentálne odskúšaný na Elektrotechnickej fakulte [2], [4]: o Pre hodinový uhol Dy1 a Dy11:

Na svorky A a B zo strany vn sa zo zdroja privedie jednosmerné napätie, a to kladný pól na svorku A a záporný na svorku B. Na strane nn deprézskym voltmetrom meria indukované napätia rovnakým spôsobom ako v predchádzajúcom prípade. Z experimentálnych meraní sme zistili, že výchylky nadobúdali len tri hodnoty: +1, –1 a 0. Z kombinácií týchto nameraných výchyliek je potom možné podľa tab. 4 určiť hodinový uhol skúšaného transformátora.

• Pre hodinový uhol Dy5 a Dy7:

Na svorky B a C zo strany vn sa zo zdroja privedie jednosmerné napätie, a to kladný pól na svorku B a záporný na svorku C. Z kombinácií troch meraných výchyliek na voltmetri je potom možné podľa tab. 4 určiť hodinový uhol skúšaného transformátora.

4. Záver

Obidva spôsoby kontroly hodinového uhla je možné ovládať a kontrolovať aj pomocou riadiacich a programovacích systémov cez PC. Využitím nainštalovaného generátora, popr. jednosmerného zdroja, je možné v skúšobni vyhotoviť riadiaci a merací systém, ktorý by spracovával PC.

Takéto merania sa už prevádzajú v dvoch skúšobniach v rámci diagnostického systému transformátorov podľa [3]. Tento systém pri kontrole vinutí jednosmerným prúdom využíva softvérovo riadený jednosmerný zdroj a digitálny pamäťový voltmeter, ktorý zachytáva maximálnu hodnotu napätia pri prechodovom jave (spínanie, popr. vypínanie zdroja). Pri kontrole spojenia vinutí striedavým napájaním postačí digitálny voltmeter so sériovým výstupom na PC.

Spolu s odbornými poznatkami v oblasti merania a skúšania a využitím nainštalovaných elektroenergetických zdrojov je možné vytvoriť moderné prostredie, ktoré zabezpečí kvalitné vyhodnotenie správnosti hodinového uhla u opraveného transformátora.