1. 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 MVA za HE
Mariborski otok, dve enoti 30 MVA za HE Dravograd
in tri enote 30 MVA 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 MVA. 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 (NAVITJA)
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 hladiIne kanale.
teu 1
fcu2
Polnilni faktorji v nizkem (fcul) in visokem (fcu2) navitju
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

2. 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 MVA na fcu2 = 0,51 pri
transformatorju 31,5 MVA (HE Ožbalt m HE
Vuhred).
Kot je razvidno na sliki 2, je vsak posamezni
vodnik obdan z lak izolacijo (PVA - 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 MVA, 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

3. 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.
Vse 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
1OkPa 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 MVA v HE Vuzenica. Hladilne
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

4. 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 hladilnih 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 MVA za HE Mariborski otok,
do konca leta 2002 so bili dobavljeni trije
transformatorji 31 ,5 MVA 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, 200l.
[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

5. 6. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV _Portorož 2003
CIGRE ŠK A2 • 4
PRILOGA! OSNOVNE KARAKTERISTIKE TRANSFORMATORJEV
TABELA 1
OSNOVNE KARAKTERISTIKE TRANSFORMATORJEV (PRVA FAZA OBNOVE).
Objekt HE Mariborski otok HE Vuzenica HE Drav~ad
Tip transformatorju BT 60000-117Il 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 1AC 550 1230
NN navitje kV LI 1AC 75128 LI/ AC75 /20
Vezalna skupina YNd5
Regulacija napetosti Ni predvidena
(Dovoljeno trajno obratovanje z nazivno močjo pri spremembi
n:lJl<!ialne n<JQetosti ± 1O% in frekvenci ± 5 %)
Najvišji segretki :olja 1navitij 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 1Skupna 1Transportna t 13,5/71 158 9,5 148,6 146 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
Nazivna 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 1AC 550 1230
NN navitje kV LI 1AC 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 1navitij 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
Kratkostična 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 1Skupna 1Transportna t lO, 1153 146,8
A2- 21