Stanisław Gawron, Tadeusz Glinka
1. Charakterystyka prądowo-napięciowa baterii fotowoltaicznej
Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa baterii fotowoltaicznej jest przedstawiona na rysunku 1 [3]. Farma o takiej charakterystyce jest źródłem prądowym. Poprawnie sterowany falownik pracuje przy mocy maksymalnej baterii fotowoltaicznej:
Pmax = UI (1)
możliwej do uzyskania, przy istniejącej gęstości mocy światła. Na przykład z baterii słonecznej o charakterystyce jak na rysunku 1, przy gęstości mocy światła 800 W/m2, moc maksymalna Pmax ≈ 180 W, to jest około 23% mocy światła.
Prąd wyjściowy z falownika zawiera harmoniczne prądu Iν, gdzie ν = 1+(6n + 1), a n jest liczbą naturalną. Kompatybilność elektromagnetyczna reguluje Rozporządzenie [2], które ogranicza „pompowanie” do sieci elektroenergetycznej wyższych harmonicznych napięcia i prądu. Harmoniczne prądu muszą być filtrowane w miejscu ich powstawania. Filtry kosztują zarówno inwestycyjnie, jak i eksploatacyjnie, gdyż zmniejszają sprawność uzyskiwanej energii. Elementami filtrów są indukcyjności rozproszenia transformatorów, które ograniczają harmoniczne prądu (ν > 1).
2. Transformatory na farmie fotowoltaicznej
Na dużej zagranicznej farmie fotowoltaicznej są zainstalowane transformatory:
- dwuuzwojeniowy: SN = 630 kVA, U1N = 22 kV, U2n = 330 V, Dy5;
- trójuzwojeniowy: SN = 630 kVA, U1N = 22 kV, U2N/U3N = 270/270 V, Dy5/y5.
Farma fotowoltaiczna jest podzielona na cztery równe części. Do każdego transformatora są podłączone, poprzez falowniki, dwie części. Schemat poglądowy farmy przedstawia rysunek 2. Symbole A, B, C, D oznaczają falowniki DC/AC, a w indeksach identyfikują prądy w uzwojeniach transformatora połączonych z falownikami.
3. Oddziaływanie falownika na układ izolacyjny transformatora
W energetyce standardowo stosuje się transformatory olejowe. Izolacja zwojowa uzwojeń jest papierowa, rzadziej bawełniana. Transformator jest umieszczony w kadzi i jest zalany olejem transformatorowym, rzadziej estrem transformatorowym. Olej nasyca papier i tym samym wzmacnia izolację zwojową oraz izoluje uzwojenie od rdzenia i kadzi. Olej pełni także funkcję chłodzącą, odbiera ciepło z uzwojeń i rdzenia i przekazuje do układu chłodzącego. Izolacja transformatorów olejowych ma klasę temperaturową A równą 105°C.
„Szpilki” napięcia powodują wyładowania niezupełne w izolacji zwojowej. Papier i olej mają różne parametry dielektryczne (tabela 1). Celuloza jest mało odporna na wyładowania niezupełne. Transformator w krótkim okresie eksploatacji ma zniszczoną izolację zwojową, skutkuje to awarią transformatora.
| Związki furanu | Wyniki pomiarów |
|---|---|
| µl/l (ppm) | |
| 2FAL (2-furfural) | 6.96* |
| 5HMF (5-hydroksymetylo-2-furfural) | 0.21 |
| 2FOL (alkohol 2-furfurylowy) | 0.40 |
| 2ACF (2-acetylofuran) | 0.05 |
| %MEF (5-metylo-2-furfural) | 0.16 |
| * wartość związku 2FAL > 5 wskazuje na bardzo wysoki stopień degradacji celulozy | |
Na podstawie wykonanych badań statystycznych [7], określono wskaźniki 2FAL w oleju transformatorowym charakteryzujące stopień zestarzenia izolacji papierowej. W próbkach oleju badanego transformatora o mocy znamionowej 670 kVA wyznaczone związki furanu zamieszczono w tabeli 2.
| Zawartość 2FAL w oleju transformatora | Ocena stopnia zestarzenia izolacji papierowej |
|---|---|
| ppm | |
| 0.00 | Brak zestarzenia. |
| 0.01–0.20 | Początkowy stopień zestarzenia, nie skutkujący negatywnymi zmianami parametrów izolacji papierowej. |
| 0.20–1.00 | Starzenie naturalne celulozy wywołujące stopniowo negatywne zmiany parametrów izolacji, typowe dla większości transformatorów olejowych w eksploatacji. |
| 1.01–2.00 | Znaczny stopień zestarzenia papieru w transformatorach o długotrwałej eksploatacji, często z rozwijającymi się uszkodzeniami typu niskotemperaturowych przegrzań wewnętrznych. |
| >2.01 | Zaawansowany stopień zestarzenia się papieru, zazwyczaj o przyspieszonym przebiegu i znaczących przyrostach furanów. |
| >5.00 | Prawie zupełny, rzadko spotykany, stopień zestarzenia się papieru wskazujący na bardzo wysoki stopień degradacji celulozy w skutek wewn. wysokotemper. przegrzania się. |
Właściciel transformatora, po zapoznaniu się z wynikami podanymi w tabeli 3, wymienił urządzenie na nowy transformator z izolacją zwojową bardziej odporną na wyładowania niezupełne.
Podsumowanie
Transformatory pośredniczące w transmisji energii elektrycznej z farm fotowoltaicznych do sieci elektroenergetycznej są zasilane z falowników DC/AC. Podział farmy na dwie połowy stwarza możliwość redukcji w transformatorze około 74% wyższych harmonicznych prądu falowników „pompowanych” do sieci, przy redukcji pierwszej harmonicznej tylko o 3,6%. Aby to było spełnione, to w transformatorze dwuuzwojeniowym napięcia falowników muszą być przesunięte w fazie o kąt π/6, a w transformatorze trójuzwojeniowym, przy połączeniu uzwojeń wtórnych y/d, napięcia falowników są synchroniczne.
Transformator trójuzwojeniowy, z uwagi na przekładnię napięciową θyd, nierówną dokładnie jeden, może powodować zmniejszenie mocy przekazywanej do sieci. Wielkość zmniejszenia mocy zależy od stosunku napięcia zwojowego do napięcia znamionowego.
Transformatory współpracujące z falownikami są narażone na „szpilki” napięcia pochodzące od komutacji zaworów energoelektronicznych. Szpilki napięcia wzbudzają wyładowania niezupełne w papierowej izolacji zwojowej transformatora. Izolacja celulozowa jest mało odporna na wyładowania niezupełne, które powodują stosunkowo szybką degradację izolacji. Izolacja celulozowa nie jest polecana w transformatorach współpracujących z falownikami.
Literatura
- Glinka T.: Maszyny elektryczne i transformatory. Podstawy teoretyczne, eksploatacja i diagnostyka. Wydawnictwo: Instytut KOMEL. 2015. ISBN 978-83-931909-1-1.
- Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego z dnia 22 marca 2023 r., (Dz.U.2023.0.819 rozdział 10, paragraf 45, punkt 5).
- Vademecum dla uczniów technikum. Państwowe Szkoły Budownictwa i Geodezji w Lublinie.
- PN-EN 60296:2012. Materiały elektroizolacyjne. Ciecze stosowane w elektrotechnice – Świeże mineralne oleje elektroizolacyjne do transformatorów i aparatury łączeniowej.
- PN-EN 60641 Materiały Elektroizolacyjne, Preszpan i papier prasowany do zastosowań elektrycznych. Część 3-1: Wymagania techniczne dla poszczególnych materiałów.
- IEC ed. 1(1993 -09). Mineral Insulating Oils – Methods for the Determination of 2-Furfural and Related Compounds.
- Ramowa Instrukcja Eksploatacji Transformatorów. Wyd. ZPBE Energopomiar-Elektryka. 2022 r.
Stanisław Gawron (stanislaw.gawron@git.lukasiewicz.gov.pl), Tadeusz Glinka
Sieć Badawcza Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny, Centrum Napędów i Maszyn Elektrycznych
