Tadeusz Glinka
Streszczenie: Załączenie transformatora i maszyny elektrycznej do sieci elektroenergetycznej rozpoczyna się stanem nieustalonym, a wyłączenie zasilania powoduje przepięcie. W eksploatacji zdarzają się także zaburzenia w pracy transformatorów i maszyn elektrycznych wynikające z: chwilowego zaniku napięcia, niezadziałania zabezpieczenia, niesprawnej aparatury łączeniowej, pracy niesymetrycznej, pomyłki obsługi. Stany nieustalone oddziałują niekorzystnie na uzwojenia, łożyska i komutatory. Większość awarii transformatorów i maszyn elektrycznych wynika z pracy w wymienionych stanach nieustalonych; podano przykłady.
Słowa kluczowe: transformatory, maszyny elektryczne, eksploatacja, stany nieustalone.
Transients state of Transformers and Electrical Machines in Operation
Abstract: Connecting a transformer and an electrical machine to the power grid begins with a transient state, while disconnecting the supply causes an overvoltage. During operation, disturbances in the operation of transformers and electrical machines also occur, resulting from momentary voltage drops, protection failures, faulty switching equipment, asymmetric operation, and operator errors. Transients adversely affect windings, bearings, and commutators. Most transformer and electrical machine failures stem from operation in these transient states; examples are provided.
Keywords: transformers, electrical machines, operation, transient state.
Doświadczenie autora i praktyka przemysłowa
Przedstawiamy książkę wydaną przez Wydawnictwo Naukowe PWN SA we wrześniu 2025 roku [1]. Książka jest podsumowaniem doświadczeń autora w zakresie eksploatacji transformatorów i maszyn elektrycznych. Przez 55 lat był nauczycielem akademickim na Wydziale Elektrycznym Politechniki Śląskiej, a równolegle od 1997 r. pracuje w Instytucie Napędów i Maszyn Elektrycznych Komel, który od 2023 r. działa w Łukasiewicz-Górnośląskim Instytucie Technologicznym pod nazwą: Centrum Napędów i Maszyn Elektrycznych.
W Hucie Katowice był doradcą naukowym Głównego Energetyka ds. eksploatacji i remontu maszyn elektrycznych. Funkcję tę pełnił, nie będąc na etacie, od czasu rozruchu pierwszych napędów w 1974 r. do czasu prywatyzacji Huty w 2004 r. W Hucie Katowice (obecnie ArcelorMittal Poland Oddział w Dąbrowie Górniczej, wcześniej Mittal Steel Poland, Ispat Polska Stal S.A., Polskie Huty Stali SA) było zainstalowanych ok. 25 tys. maszyn elektrycznych, transformatorów i dławików różnych firm, różnych rodzajów i różnej wielkości; największe silniki synchroniczne miały moc znamionową 20 MW, a najmniejsze asynchroniczne kilka kilowatów. Był to poligon doświadczalny autora.
Realizował prace i ekspertyzy układów napędowych dla hut, kopalń, elektrowni i innych fabryk, w tym okresową diagnostykę układów izolacyjnych maszyn elektrycznych. Maszyny o znacznym stopniu zużycia izolacji były, według jego zaleceń, remontowane: wymieniano uzwojenia i komutatory. Opracował metodę diagnostyki układów izolacyjnych maszyn elektrycznych napięciem stałym, która została wpisana do normy [4] i do RIEGS [6]. Firmy diagnostyczne nadały jej nazwę „Metoda Glinki”. Współpraca ta była dla autora poligonem doświadczalnym w zakresie eksploatacji transformatorów i maszyn elektrycznych.
Charakterystyka stanów nieustalonych w układach napędowych
Praca transformatora i maszyny elektrycznej rozpoczyna się od załączenia do sieci elektroenergetycznej (SEE). Każde załączenie do SEE transformatora i maszyny elektrycznej zaczyna się od stanu nieustalonego, a wyłączenie zasilania powoduje chwilowy wzrost napięcia (przepięcie) i jego zanikanie do zera. Stany nieustalone oddziałują niekorzystnie na uzwojenia, łożyska i komutatory.
Prąd rozruchowy generuje siłę dynamiczną, która degraduje łożyska, wzbudza drgania i wraz z liczbą załączeń powoduje poluzowanie mocowania uzwojeń. Temperatura, zmienne naprężenia i przepięcia wyłączeniowe mają udział w degradacji układów izolacyjnych uzwojeń, komutatorów i podzespołów mechanicznych. Większość awarii transformatorów i maszyn elektrycznych wynika z pracy w stanie nieustalonym, dlatego w książce na eksploatację transformatorów i maszyn elektrycznych autor spojrzał oczami osoby odpowiedzialnej za ich niezawodną pracę.
W analizie przyczyn awarii starał się przedstawić przede wszystkim fizykę zjawiska skutkującego awarią. Wzory matematyczne i równania są podawane tylko w zakresie koniecznym do ilustracji omawianego problemu. Opis stanów nieustalonych transformatorów i maszyn elektrycznych w literaturze ma często charakter akademicki i ogranicza się najczęściej do zaburzeń standardowych, na przykład: załączenia transformatora, rozruchu silnika, zwarcia generatora. W eksploatacji transformatorów i maszyn elektrycznych gama przypadków stanów nieustalonych jest szersza i wynika z:
- niezadziałania zabezpieczenia,
- chwilowego zaniku napięcia zasilania,
- przypadkowego uszkodzenia kabla (przewodu),
- niesprawnej aparatury łączeniowej,
- pracy niesymetrycznej,
- pomyłki obsługi.
Funkcjonowanie każdego zakładu produkcyjnego determinują transformatory i maszyny elektryczne. Każda awaria transformatora bądź maszyny elektrycznej w czasie pracy przynosi firmie straty produkcyjne, nie licząc kosztów naprawy bądź wymiany transformatora (maszyny) na nowy. Jeśli firma ma odpowiednie ubezpieczenie, to przynajmniej część kosztów ponosi ubezpieczyciel, przy czym często roszczenia mają swój finał w sądzie.
Przykłady awarii z praktyki inżynierskiej
1. Transformator hutniczy
Transformator hutniczy o parametrach: (40 000–26 327) kVA; 110 kV/(514–304) V; (44,9–50) kA, po trzech miesiącach eksploatacji uległ awarii. Przyczyna – błędne rozwiązanie zabezpieczenia i instalacji transformatora [1]. Straty: zatrzymanie linii technologicznej ciągłego odlewania stali na trzy miesiące i wymiana uzwojeń w transformatorze.
2. Silnik indukcyjny
Silnik indukcyjny o parametrach: 510 kW, 6000 V; 56,7 A, 2975 obr./min. Silnik ulegał awarii w czasie rozruchu. Wyłącznik podczas każdego rozruchu trzy razy przerywał i załączał prąd [1, 2].
3. Awaria w elektrowni (Generator–Transformator)
Największa awaria energetyczna w Polsce wystąpiła w 1998 r., w drugiej co do wielkości elektrowni. W czasie wyłączania bloku elektroenergetycznego 235 MVA awaria była spowodowana przyspawaniem się styków jednej fazy w wyłączniku 220 kV transformatora blokowego [1, 3].
Operator, po wyłączeniu bloku (generator–transformator), był zaskoczony niesymetrycznymi prądami generatora i podjął błędną decyzję, która spowodowała mechaniczne zniszczenie generatora: urwanie obydwóch końcówek wału, wyciek i zapalenie się wodoru, pożar elektrowni, wyłączenie wszystkich bloków z SEE [1, 3].
4. Silnik walcowniczy prądu stałego
Silnik walcowniczy prądu stałego o parametrach: 6000 V, 1350 V, 4770 A, 218–59 obr./min, charakteryzuje się małą wytrzymałością napięciową komutatora. Przy maksymalnym napięciu i odwzbudzeniu (218 obr./min) występuje zwarcie łukowe na komutatorze – rys. 4.
Literatura
- Glinka T.: Stany nieustalone transformatorów i maszyn elektrycznych w eksploatacji. Wydawnictwo WNT. 2025.
- Bernat M., Mróz J., Rut R.: Zakłócenia rozruchu silnika indukcyjnego klatkowego wskutek niedomagań łącznika sieciowego. Maszyny Elektryczne – Zeszyty Problemowe. Wydawca: Instytut Komel, Katowice. Nr 65/2003, s. 139–141.
- Machowski J.: Z autorskiej ekspertyzy w Elektrowni Turów. Automatyka Elektroenergetyczna. Nr 1/2001, s. 33–36.
- PN-98/E-04700. Urządzenia i układy elektryczne. Wytyczne przeprowadzania pomontażowych badań odbiorczych.
- Ramowa Instrukcja Eksploatacji Transformatorów. ISBN 978-83-916040-6-9. ZPBE Energopomiar-Elektryka, Gliwice, 2022 r. s. 251.
- Ramowa Instrukcja Eksploatacji Generatorów Synchronicznych. ISBN 978-83-916040-3-8. ZPBE Energopomiar-Elektryka, Gliwice, 2009 r. s. 216.
Tadeusz Glinka – Sieć Badawcza Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny
