6. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV- Portorož 2003

CIGRE ŠK A2 - 4

Močnostni transformatorji za prenovo Dravskih hidroelektrarn

Juso Ikanovic, Istok Jerman ETRA 33, Energetski Transformat01ji d.d

Šlandrova 10, Ljubljana-Črnuče E-mail : istok.jerman@etra33 .si, tel. Ol 530 28 OO

Povzetek - V članku je podan pregled nekaterih pomembnejših tehničnih karakteristik energetskih transformatorjev vgrajenih v verigo Dravskih elektrarn: HE Mariborski otok, HE Dravograd, HE Vuzenica, HE Ožbalt in HE Vuhred. Opisane so glavne konstrukcijske značilnosti navitij, magnetnih krogov in hladilnih aparatov ter nekatere tehnološke novosti na področju projektiranja, konstrukcije in izdelave navitij. Opis transformatorjev je razdeljen na tri dele in sicer: električni tokokrog, v katerem so opisana navitja, magnetni krog, s karakteristikami magnetnega jedra ter hladilni krog, kjer so opisane posamezne vrste hlajenja.

l. UVOD

Projekt prenove Dravskih elektrarn je potekal v dveh fazah. Razvojni začetek prenove sega v leto 1994, ko je naša tovarna pod imenom tedanjega Energoinvesta pridobila pravice za dobavo vseh energetskih transformatorjev, predvidenih za prvo fazo prenove: dve enoti moči 60 MV A za HE Mariborski otok, dve enoti 30 MV A za HE Dravograd in tri enote 30 MV A za HE Vuzenica (tabela 1.)

Druga faza prenove je zajela prenovo HE Ožbalt in HE Vuhred. Kot je razvidno iz tabele II predvideva projekt druge faze prenove HE Dravi izdelavo šestih enakih transformatorjev moči 31,5 MV A. Opazno je poenotenje tehničnih karakteristik, kar je bila vsekakor pomembna pridobitev, ki je pozitivno vplivala na optimizacijo, v smislu znižanja celotnih stroškov za realizacijo projekta.

Pomembna tehnična novost, značilna za obe fazi projekta je bila zahteva kupca po kapitalizaciji izgub v transformat01ju, kar je bistveno vplivalo na ekonomske kazalce in konstrukcijska razmetja transformatorjev. V prvi fazi prenove je kapitalizacija izgub znašala 2700 DEM/kW (1400 €/kW) za izgube v prostem teku; in 1500 DEM/kW (770 €/kW) za kratkostične izgube.

V drugi fazi prenove je prišlo do poenotenja kapitalizacije izgub, torej kapitalizirane so bile skupne izgube v transformatorju v vrednosti 300.000 SIT/kW (1400 €/kW).

Za domače tržišče je to bilo prvo resno vrednotenje izgub, ki je imelo največji vpliv na projekt v vseh fazah razvoja. Že v začetni fazi - v fazi nudenja tehničnih karakteristik za prvo fazo prenove smo z izračuni prišli do optimalnih izgub, ki so nam zagotavljale boljše izhodiščne pozicije za pridobitev projekta.

V drugi fazi prenove (HE Vuhred in HE Ožbalt) je bil vpliv izgub na kapitalizirano ceno transformatorja še večji, kajti tokrat so kapitalizirane skupne izgube, kar je kratkostičnim izgubam dalo še večji pomen.

Razmerje kratkostičnih izgub in izgub v prostem teku se za standardne konstrukcije teh moči in kratkostične napetosti 10% do 12% giblje v razmerju Pk = (6 7 8) P0. Izračuni so pokazali tendenco znižanja teh razmerij do vrednosti Pk = 4 P0 (HE Vuhred in HE Ožbalt) in narekovali nove smeri v optimizaciji mas vgrajenih materialov. Obstoječe konstrukcije je bilo treba v celoti preoblikovati in v njih vgraditi nove tehnološke rešitve. Zastavljen je bil cilj znižati kratkostične izgube ne da bi povečali maso vgrajenih materialov.

II. ELEKTRIČNI TOKOKROG (NA VITJA)

Visokonapetostno navitje je izdelano kot prepletena navitje, ki po svojih konstrukcijskih in tehnoloških značilnostih sodi v skupino svitkastih navitij, primernih za izdelavo navitij razreda 123 kV in več . Posamezni vodniki se med seboj znotraj dveh svitkov popolnoma prepletejo, kar prinese visoko vrednost vzdolžne kapacitivnosti in skoraj linearno porazdelitev udarnega vala v navitju. Dopusten je manjši prirast izolacije na vodnikih in manjši kanali med svitki in tuljavicami. Delež izolacije, potreben za dielektrično trdnost navitja je relativno majhen, kar je temu navitju prineslo dokaj ugoden polnilni faktor.

Polnilni faktor navitja je relativno razmetje med čistim presekom bakra v navitju in dejanskim vzdolžnim presekom navitja, ki zajema izolacijo in vgrajene hladi Ine kanale.

teu 1

fcu2

Polnilni faktorji v nizkem (fcul) in visokem (fcu2) na vitju

oO 30 .lO 31.5

Moč transformalOija [MVAJ

Sl. l. Polnilni faktorji v navitjih.

Zastavljene izredno nizke izgube v navitjih pri projektu HE Ožbalt in HE Vuhred so narekovale nadaljnje izboljšanje polnilnega faktorja obeh navitij kot najoptimalnejšo pot k uspešni rešitvi brez občutnega povečanja mas vgrajenih materialov in dimenzij transformatorjev. Zato smo za izdelavo visokonapetostnih navitij v tem projektu uporabili

A2- 17

6. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV -Portorož 2003

CIGRE ŠK A2 • 4

tako imenovani bifilarni (dvojni) vodnik, oziroma dva tanjša vodnika v enem, povita s skupno izolacijo v eno celoto. Bifilarni vodnik je sicer že nekaj časa znana tehnična izboljšava na področju konstruiranja navitij, vendar tukaj opisana prinaša nekaj tehnoloških izboljšav. Te novosti so prinesle izboljšanje polnilnega faktorja iz fcu2 = 0,436 pri transformatorjih 30 MV A na fcu2 = 0,51 pri transformatorju 31,5 MV A (HE Ožbalt m HE Vuhred).

Kot je razvidno na sliki 2, je vsak posamezni vodnik obdan z lak izolacijo (PV A - polyvinyl acetal) tenničnega razreda 120 °C, debeline 0,1 mm, oba vodnika sta povita s skupno papirno izolacijo katere debelino določajo izračuni dielektričnih obremenitev v navitju.

Najnovejša tehnološka izboljšava je vmesna pregrada med vodnikoma debeline 0,06 mm iz polimerne smole, ki nadomešča do sedaj uporabljan trak iz tlačne lepenke debeline 0,2 mm.

vmc.sna pregrada "BLC"

papir

lak

vodnik

Sl. 2. Bifilarni vodnik.

Pregrada iz polimerne smole ima sedaj dvojni namen: skupaj z lak izolacijo na posameznih vodnikih galvansko ločuje in izolira vodnike med seboj , obenem jih po končanem postopku sušenja navitij mehansko povezuje med seboj.

Polimerna pregrada "BLC Semipolymerized ASTA Low Chip epoxy thermocuring enamel" v obliki premaza med vodniki se pri segrevanju po posebnem tehnološkem postopku strdi in poveže oba vodnika v eno celoto.

S to tehnološko izboljšavo je zmanjšana možnost zvračanja vodnikov (tilting-over efect), ki lahko nastane pri uporabi tenkih vodnikov ter pri vodnikih z velikim razmerjem višina/debelina vodnika. Kritična so razmerja, ki so večja od 1:6. Karakteristična je minimalna debelina vodnika 1,3 mm, ki jo kot tehnološko omejitev v izdelavi predpisuje proizvajalec pravokotnih vodnikov ASTA in dovoljena največja razmerja višina/debelina vodnika 1:10.

Učinek zvračanja ali celo porušitve svitkov je nezaželen pojav, ki se lahko zgodi v času stabilizacije navitij v fazi izdelave, ko se ta stiskajo z določeno silo za dosego računskih zunanjih dimenzij.

Učinek zvračanja vodnikov je prav tako nevaren v kratkostičnih razmerah, ko na vodnike delujejo dinamične kratkostične sile, kjer razmerja dimenzij vodnikov igrajo odločilno vlogo.

S stališča izračuna in konstrukcije energetskih transformatmjev je to vsekakor pomemben napredek, saj je projektantom omogočena večja izbira tanjših vodnikov, pri katerih so dodatne izgube v navitju zaradi razsipanega polja nekajkrat manjše, dinamične lastnosti navitij in odpornost le-teh na kratkostične sile pa s tem niso poslabšane.

Vsa nizkonapetostna navitja 10,5 kV in 6,3 kV so izdelana kot vijačna navitja in sicer v dveh izvedbah: vijačno enohodno in vijačno dvohodno navitje.

Razvoj in tehnološko izpopolnjevanje teh navitij poteka od leta 1993, ko smo v proizvodnjo prvič vpeljali dvohodno vijačno navitje in z njim nadomestili nekatera druga za izdelavo zahtevnejša navitja. Dejansko, dvohodno vijačno navitje združuje v sebi lastnosti obeh tehnologij : enostavnost plastnih navitij in večjo dinamično odpornost na kratkostične sile, značilna za svitkasta navitja.

Optimizacija tega tipa navitij [4] in tehnološka izpopolnjevanja v proizvodnji, ki so temu sledila, so pripomogli k pomembnim izboljšavam polnilnega faktmja in zmanjševanju mas vgrajenih materialov. V zadnjih nekaj letih se dvohodno vijačno navitje uporablja kot rešitev s prioriteto. Uporablja se povsod tam, kjer je tehnološko to še izvedljivo.

Poglavitna značilnost, ki temu navltJU daje odločilno prednost v izbiri, je dober polnilni faktor. Kot je razvidno na sliki 1, je v obdobju izdelave projekta za Dravsko verigo dosegel vrednost fcu 1 = 0,68, kar je za 16% več od najboljšega dosežka pri transformatorjih 30 MV A, izdelanih v prvi fazi projekta. ·

III. MAGNETNI KROG

Magnetna jedra za vse transfonnatorje v tem projektu so izdelana iz visoko orientirane magnetne pločevine razreda HI-B, ki jo poznamo pod komercialnim imenom MOH27. Po svojih karakteristikah sodi v VISJI kakovostni razred. Specifične izgube pri magnetni gostoti 1,7 T za neobdelano pločevino znašajo 0,99 W/kg, magnetna gostota, pri kateri nastopi nasičenje v materialu se lahko povzpne na vrednost 2,03 T.

Za primerjavo je karakterističen tako imenovani vgradni faktor (building factor) [3], [5], ki upošteva "vgradnjo" oziroma obdelavo pločevine od razreza, zlaganja in prvih magnetenj pri zaključnih meritvah. Pri magnetni gostoti 1, 7 T je vgradni faktor dosegel vrednosti 1, 17 + 1 ,20, kar praktično pomeni, da so specifične izgube v jedru izgotovljenega transformatorja pri gostoti 1, 7 T enake 1,16 W /kg + 1,19 W/kg. Prime1java ·z izsledki avtorjev v literaturi [3] in [5) kaže na primerljivost rezultatov, čeprav je naša obdelava izdelana na manjšem številu vzorcev.

A2- 18

6. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV -Portorož 2003

CIGRE ŠK A2 • 4

Na magnetno jedro so vezane tri pomembne veličine transformatorja: izgube v prostem teku, tok prostega teka in hrup.

V se tri veličine so bile garantirane, izgube v prostem teku pa podvržene kazni za prekoračitev z nična toleranco ter zavrnitev transformatorja za izgube, ki presegajo garantirane vrednosti 15%.

Transport, razrez, zlaganje in prelaganje magnetne pločevine so sicer nujni proizvodni postopki, a ti povečujejo verjetnost mehanskih poškodb. Defekti v notranji strukturi materiala in robovih pločevin kvarijo notranjo urejenost orientiranih kristalov in neposredno vplivajo na povečanje vseh treh veličin.

Ker na transformatmjih ni predvidena regulacija napetosti, je jedro magnetnega kroga izpostavljeno spremembam napajalne napetosti in frekvence z generatorske strani. Predpisana je bila sprememba napajalne napetosti ± 10% in omejitev gostote magnetnega pretoka v jedru pri nazivni napetosti Bn = 1,7 T, kar je v projektu upoštevano kot kriterij, ki preprečuje nasičenje jedra pri nadvzbujanju + 10%.

Vsi magnetni krogi so zloženi po tako imenovanem "step-lap" postopku, kar je pripomoglo k znižanju izgub v jedru in znižanju hrupa transformatorja.

70

L,.A[dB]

65

60

55

50

Nivo hrupa

--~~,~~-;]~-~~ ·---·--1 - -- 1 --··

1

1 •

o ·• • o

t· 1 o

1 -----------

ODAF ODWF i ONAN/ONAf 1

ONAN

o

60 JO 30 31.5

Moč transfonnato1ja [MYA]

Sl. 3. Nivo hrupa posameznih transformatorjev.

IV. HLADILNI KROG

Ena izmed posebnosti tega projekta je tudi hlajenje transformatorjev, ki je bilo izvedeno z uporabo različnih načinov hlajenja: HE Mariborski otok -ODAF, HE Vuzenica - ODWF, HE Dravograd -ONAN/ONAF ter HE Vuhred in HE Ožbalt- ONAN.

Torej, uporabljeni so bili vsi znani načini hlajenja, ki jih danes poznamo pri energetskih transformatorjih, vključno z nekaterimi posebnostmi, kot je hlajenje transformatorjev za HE Mariborski otok in HE Vuzenica. V HE Mariborski otok sta oba transformatorja namescena v zaprtem prostoru elektrarniške zgradbe, hladilni krog pa je ločen od transformatorjev in nameščen na odprtem prostoru.

Povezava med transformatorjem in hladilnim aparatom je izvedena s cevovodom skupne dolžine 70 m. Zaradi razmeroma zapletene geometrije prostora in večjega števila nivojskih prehodov na poti ocevja je bilo vanj potrebno vgraditi trinajst pravokotnih cevnih kolen. Za projektante mehanskih konstrukcij je bila to zahtevna naloga v vseh fazah projekta, od izdelave načrtov do izvedbenih del pri montaži hladilnikov.

Hladilni aparat ODAF tvorita dve vzporedni črpalki s stoodstotno obratovalno rezervo ter osem radiatorskih baterij razdeljenih v dve vzporedni skupini. Za prisilen obtok zraka skrbi dvanajst ventilatorjev razporejenih v štiri skupine tako, da trije ventilatorji hladijo dve radiatorski bateriji.

Transformatorji za HE Vuzenica so hlajeni s prisilnim obtokom olja in vode ODWF. Obtok olja je s posebnimi pregradami v aktivnem delu usmerjen v hladilne kanale navitij in magnetnega kroga. Hladilni aparat je dimenzioniran za razpoložljiv pretok vode 0,005 m3/s, dovoljen padec tlaka v hladilnem sistemu 1 O kPa in dovoljen najvišji segretek vode 7 K.

Izbrali smo tako imenovani ploščni tip vodnega hladilnika, ki smo ga v naši praksi uporabili prvič .

[> ...

<J ..

~

•1-

-

-

-

~ ~

1-

- -

~ ~

1- 1-

L__ -

~

l•l/

-

dvostcnska hladilna plošča

t> votla

<lil olje

Sl. 4. Pretoki hladilnih medijev v ploščnem hladilniku s sedmimi hladilnimi ploščami .

Hladilne plošče so nanizane ena poleg druge in skupaj vpete v paket, v katerem se po principu toplotnega izmenjevalca pretakata segreto olje iz transformatorja in hladilna voda (slika 4). Pretočne kanale med ploščami proizvajalec oblikuje z različnimi načini rebričenja, kar je odvisno od hitrosti hladilnih medijev, odvajanih izgub in dovoljenega padca tlaka v hladilnem sistemu. Na sliki 5 je prikazan izgled hladilne plošče tip "V" primeren za nizke padce tlaka uporabljene v hladilnem sistemu transformatorja 30 MV A v HE Vuzenica. Hladil ne plošče so dvostenske - eno hladilno ploščo tvorita dve kompaktni plošči med seboj zavarjeni, ki skupaj z dvojnim tesnjenjem med hladilnimi ploščami preprečuje medsebojno mešanje hladilnih medijev. Izdelane so iz nerjavečega jekla kar zagotavlja dolgo življenjsko dobo in visoko obratovalno zanesljivost.

V primerjavi s klasičnimi cevnimi hladilniki imajo ploščni hladilniki nekaj pomembnih prednosti:

A2- 19

6. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV- Portorož 2003

CIGRE ŠK A2 - 4

Sl. 5. Izgled hladilne plošče profila "V".

dimenzije in število hladilnih plošč izbira projektant poljubno, kajti zmogljivost hladilnika ni tipizirana, temveč je lahko natančno določena in prilagojena dejanskim potrebam.

Dostop do hladil nih plošč je enostaven. Možna je zamenjava ali čiščenje posameznih plošč ali celotnega hladilnika, kar je s stališča vzdrževanja izjemno pomembna prednost.

Dosedanje obratovalne izkušnje kažejo, da je bila izbira ploščnih hladilnikov dobra odločitev.

Vsi hladilni krogi so dimenzionirani za trajno obratovanje transformat01jev z nazivno močjo in deset odstotnim podvzbujanjem generatorja. Običajna

zahteva, ki velja za generatorske transformatotje je narekovala petnajst odstotno skupno povečanje

zmogljivosti hladilnega kroga.

V. SKLEP

Projekt prenove Dravskih hidroelektrarn se je za našo tovarno začel v letu 1994 z izračuni aktivnega dela ter projektiranjem drugih sklopov in opreme. V letu 1995 so bila končana vsa izvedbena dela za dobavo prve enote 60 MV A za HE Mariborski otok, do konca leta 2002 so bili dobavljeni trije transformatorji 31 ,5 MV A za HE Vuhred in HE Ožbalt. Druga faza prenove Dravskih hidroelektrarn bo zaključena z zadnjo dobavo v letu 2004.

Skoraj desetletno obdobje v razvoju energetskih transformatorjev je bilo tesno povezano s tem projektom. Ključni vpliv na razvoj projekta je imela zahteva kupca po kapitalizaciji izgub. Cena transformatorja je bila obravnavana kot kapitalizirana cena z relativno visokim deležem iz naslova vrednotenja izgub.

Zaradi tega smo v projekt prenove Dravskih hidroelektrarn vgradili najnovejše dosežke na področju projektiranja in konstrukcije energetskih transformatorjev.

V obeh fazah projekta je izboljšan polnilni faktor navitij, ki v določenem merilu predstavlja doseženo specifično obremenitev notranjega prostora z energijo. Izboljšani polnilni faktorji so pripomogli k zmanjšanju materialnih stroškov, znižanju izgub in manjšim dimenzijam transformatorjev.

REFERENCE

[ IJ A. Dolenc, "Transformat01ji", Ljubljana, 1969. [2] W. Felber, "ASTA Winding Conductor Materials

for Modern Power Transformers", Transform 98. [3] A. Basak, "Effects of Transformer Core

Assembly on Building Factors", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 112.(1992).

[4] J. Ikanovic, "Izboljšan polnilni faktor navitij energetskih transformat01jev", Elektrotehniški vestnik, 5, 200 l.

[5] Tehnical Data on Orientcore HI-B, Fourth Edititon Nippon Steel Corporation.

[6] F. Loffler, Relevance of step-lap joints for magnetic characteristics of transformer cores, IEEE-Electr. Power Appl. , Vol. 142 (1995).

A2- 20

6. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV _Portorož 2003

CIGRE ŠK A2 • 4

PRILOGA! OSNOVNE KARAKTERISTIKE TRANSFORMA TO RJE V

TABELA 1 OSNOVNE KARAKTERISTIKE TRANSFORMATORJEV (PRVA FAZA OBNOVE).

Objekt HE Mariborski otok HE Vuzenica HE Drav~ad Tip transformatorju BT 60000-117 Il 0,5 BT 30000-117110,5 BT 30000-117/6,3 Postavitev Notranja Notranja Zunall.ia Izolacijsko sredstvo Mineralno olje Stevilo faz 3 Nazivna frekvenca 1 Hz 50 Način hlajenja ODAF ODWF ONAN/ONAF Najvišja temperatura okolice oc 40 Nazivna moč kVA 60000 30000 30000 Nazivna napetost v praznem teku kV 117110,5 117/10,5 117/6,3 Najvišje obratovalne napetosti kV 1231 12 1231 12 123/7,2 Stopnja izolacije LI ( 1.2/50)/AC (1 '): VN navitje kV LI 1 AC 550 1 230 NN navitje kV LI 1 AC 75128 LI/ AC75 /20 Vezalna skupina YNd5 Regulacija napetosti Ni predvidena

(Dovoljeno trajno obratovanje z nazivno močjo pri spremembi n:lJl<!ialne n<JQetosti ± 1 O % in frekvenci ± 5 %)

Najvišji segretki :olja 1 navitij K 60/65 Izgube v praznem teku kW 33 19 19 Kratkostične izgube pri 75°C kW 160 87 87 Izgube hladilnega aparata kW 4,3 1,1 1,1 Tok praznega teka % 0,06 0,07 0,07 Kratkostična napetost % Il Il Il Nivo hrupa dB(A) 66 51 56/62 (ONAN/ONAF) Dimenzije: D x Š x V m 7,5 x 3,4 x 5,4 4,8 x 3,7 x 4,5 4,6 x 3,6 x 4,6 Mase : Olja 1 Skupna 1 Transportna t 13,5/71 158 9,5 1 48,6 1 46 10,1 151,6146

TABELA II OSNOVNE KARAKTERISTIKE TRANSFORMATORJEV (DRUGA FAZA OBNOVE).

Objekt HE Vuhred, HE Ožbalt Tip transformatorju BT 31500-117110,5 Postavitev Zunanja Izolacijsko sredstvo Mineralno olje Število faz 3 Naziv na frekvenca 1 Hz 50 Način hlajenja ONAN/ONAF Najvišja temperatura okolice oc 40 Nazivna moč kVA 30000 Nazivna napetost v praznem teku kV 117/10,5 Najvišje obratovalne napetosti kV 1231 12 Stopnja izolacije LI ( 1.2/50)/AC (1 '): VN navitje kV LI 1 AC 550 1 230 NN navitje kV LI 1 AC 75 128 Vezalna skupina YNd5 Regulacija napetosti Ni predvidena

(Dovoljeno trajno obratovanje z nazivno močjo pri spremembi napajalne napetosti± 10% in frekvenci ± 5 %)

Najvišji segretki : olja 1 na vitij K 60/65 Izgube v praznem teku kW 21 Kratkostične izgube pri 75°C kW 84 Izgube hladilnega aparata kW -Tok praznega teka % 0,08 Kratkosti čna napetost % Il Nivo hrupa dB(A) 59,4 Dimenzije: D x Š x V m 5,9 x 3,4 x 4,6 Mase : O !ja 1 Skupna 1 Transportna t lO, 1 1 53 1 46,8

A2- 21