Stacje transformatorowe SN/nn. Budowa i dobór stacji transformatorowych

Stacje transformatorowe dostarczają odbiorcom końcowym zasilanie z sieci średniego napięcia. Z uwagi na charakter krajowej sieci elektroenergetycznej SN stacje transformatorowe instaluje się najczęściej w sieci 15 lub 20 kV, z kompensacją lub z izolowanym punktem neutralnym. Przedstawiamy charakterystykę i kryteria doboru stacji transformatorowych.

Artykuł ukazał się w publikacji „Sektor Elektroenergetyczny”
Zobacz e-wydanie

W Polsce, w latach dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku, miał miejsce niezwykle szybki rozwój firm produkujących prefabrykowane stacje transformatorowe SN/nn. Są one instalowane w różnych punktach sieci, a więc warunki ich pracy mogą różnić się wartościami prądów obciążeniowych i zwarciowych, charakterem łączonych obwodów i zależnym od niego poziomem przepięć, warunkami otoczenia związanymi np. z zanieczyszczeniami czy nasłonecznieniem. Stacje prefabrykowane coraz częściej wypierają stacje transformatorowe słupowe SN/nn, które obecnie stosowane są jako zasilanie tymczasowe, np. na budowach.

W artykule:

• Stacje transformatorowe - rodzaje
• Stacje transformatorowe - normy i przepisy prawne
• Budowa prefabrykowanych stacji transformatorowych
• Stacje transformatorowe - dobór stacji oraz lokalizacja
• Eksploatacja stacji transformatorowych

Stacje transformatorowe - rodzaje

Biorąc pod uwagę charakter krajowej sieci elektroenergetycznej SN, stacje transformatorowe instaluje się najczęściej w sieci 15 lub 20 kV, z kompensacją (kompensacją mocy biernej) lub z izolowanym punktem neutralnym. Z tego względu są one narażone na awarie o określonych wielkościach prądów zwarciowych, co z kolei rzutuje na ich budowę i wyposażenie. Producenci oferują wiele rozwiązań konstrukcyjnych stacji transformatorowych mSN/nn, podzielonych na przedstawione niżej grupy.
Klasyfikacja sieci transformatorowych ze względu na budowę i lokalizację:

• prefabrykowane (małogabarytowe, w tym złącza kablowe SN),
• napowietrzne (słupowe, czyli instalowane na słupach – najczęściej betonowych – w sieciach wiejskich lub tymczasowo na budowach; z ogranicznikami przepięć umieszczanymi między linią wychodzącą i transformatorem lub starsze rozwiązania z odłącznikami i bezpiecznikami),
• wnętrzowe (zlokalizowane w budynkach mieszkalnych, usługowych, przemysłowych itp.),
• przewoźne (na podwoziu z kołami lub na płozach – stosowane do zasilania np. podczas awarii stacji stacjonarnej lub do zasilania tymczasowego, na potrzeby energetyki zawodowej czy w przemyśle).

W aglomeracjach miejskich najczęściej instalowane są prefabrykowane stacje transformatorowe, podzielone według poniższych kryteriów.
Ze względu na sposób posadowienia:

• naziemne,
• częściowo zagłębione,
• podziemne.

Ze względu na materiał obudowy i rodzaj obsługi:

• w obudowie metalowej,
• w obudowie betonowej,
• z obsługą od wewnątrz (z korytarzem obsługi),
• z obsługą od zewnątrz (po otwarciu drzwi).

Patrz też: Linie energetyczne. Przewody w napowietrznych liniach energetycznych

Stacje transformatorowe - normy i przepisy prawne

Ponadto, do stacji transformatorowych SN/nn odnoszą się następujące przepisy prawne, których spełnienie ma wpływ na konstrukcję i eksploatację tych obiektów: Ustawa Prawo energetyczne, Ustawa o normalizacji (DzU z 2002 r. nr 169, poz. 1386), Ustawa o systemie oceny zgodności, Ustawa Prawo budowlane, Ustawa o badaniach i certyfikacji, Ustawa o ochronie przeciwpożarowej, Ustawa Prawo ochrony środowiska, Ustawa Prawo zamówień publicznych (DzU z 2004 r. nr 19, poz. 177), Rozporządzenie MG w sprawie zasadniczych wymagań dla sprzętu elektrycznego oraz Rozporządzenie MTiB w sprawie dokonywania oceny zgodności aparatury z zasadniczymi wymaganiami dotyczącymi kompatybilności elektromagnetycznej oraz sposobu jej oznakowania.

Prawo energetyczne stanowi, że „projektowanie, produkcja, import oraz eksploatacja urządzeń, instalacji i sieci powinny zapewniać racjonalne i oszczędne zużycie energii w celu zapewnienia niezawodności współdziałania z siecią, bezpieczeństwa obsługi i otoczenia po spełnieniu wymagań ochrony środowiska, a także zgodności z wymaganiami odrębnych przepisów: prawa budowlanego, o ochronie przeciwporażeniowej, o ochronie przeciwpożarowej itp.”. W związku z tym przedsiębiorstwa energetyczne, odpowiedzialne za przesył i dystrybucję energii elektrycznej, powinny m.in. utrzymywać w należytym stanie obiekty, instalacje i urządzenia – w celu dostarczenia odbiorcom energii o odpowiedniej jakości. Aby spełnić powyższe warunki, każdy nowy lub modernizowany obiekt przed zainstalowaniem w sieci powinien zostać poddany badaniom, mającym na celu potwierdzenie zadeklarowanych przez producenta właściwości technicznych.

Budowa prefabrykowanych stacji transformatorowych

Wymagania konstrukcyjne dla instalacji powyżej 1 kV, jaką jest stacja transformatorowa SN/nn, zawarte są w normie PN-EN 61936-1:2011 + A1:2014-10, będącej dokumentem przyjętym w celu ujednolicenia projektowania i budowy instalacji elektroenergetycznych w Europie. Norma dotyczy stacji rozumianej jako zamknięty obszar ruchu elektrycznego z aparaturą rozdzielczą i transformatorem w sieci przesyłowej lub rozdzielczej. Podlegają jej stacje transformatorowe napowietrzne, słupowe, wnętrzowe usytuowane w budynkach. Dokument nie odnosi się natomiast do prefabrykowanych urządzeń produkowanych fabrycznie, dla których istnieją odrębne normy przedmiotowe. Niemniej wypełnia on lukę i zastępuje przestarzałe przepisy krajowe PBUE oraz Rozporządzenie Ministra Przemysłu z 1990 r. dotyczące warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać urządzenia elektroenergetyczne o napięciu znamionowym wyższym niż 1 kV w zakresie ochrony przeciwporażeniowej dodatkowej.

Obecnie w kraju najczęściej instaluje się prefabrykowane stacje transformatorowe SN/nn. Wytwarzane są one w firmie producenta, a następnie przewożone na miejsce instalacji, gdzie odbywa się ich posadowienie, wyposażenie w transformator, podłączenie kabli wewnętrznych do jego zacisków oraz zewnętrznych po stronie SN i po stronie odbioru. Czas instalacji kompletnej stacji wynosi od kilku do kilkunastu godzin – w zależności od rodzaju stacji i stopnia zaawansowania jej prefabrykacji.
Wymagania konstrukcyjne prefabrykowanych stacji transformatorowych określone są w normie PN-EN 62271-202. Uwzględnia ona wszystkie zjawiska, jakie mogą wystąpić podczas eksploatacji kompletnej stacji, zarówno w stanie stabilnej pracy oraz w przypadku awarii. Ze względu na ogólną dostępność tych stacji duży nacisk położono na bezpieczeństwo obsługi i osób postronnych.
Prefabrykowane stacje transformatorowe mają obudowy żelbetowe (beton klas C25/30, C30/37 albo B45, zbrojony) lub metalowe, stanowiące monolit z fundamentem, bądź mocuje się je bezpośrednio na fundamencie.
Obudowy wyposażone są w otwory wentylacyjne w drzwiach, na ścianach bocznych lub pod dachem, co gwarantuje wewnętrzną, naturalną cyrkulację powietrza (ma to znaczenie w przypadku stacji bezobsługowych). Stosowane są rozwiązania z trzema ścianami oddzielenia ppoż., w których wentylację zapewniają otwory w drzwiach lub szczeliny usytuowane pod dachem. Otwory wentylacyjne i drzwi wykonane są z profili stalowych zabezpieczonych przed korozją lub z profili aluminiowych, zapewniających wymagany stopień ochrony IP. Dachy w stacjach są wyposażone w różne rozwiązania – stanowią monolit z obudową i fundamentem, ewentualnie dach i/lub fundament to elementy odejmowalne. Wewnętrzny układ uziemiający stacji jest realizowany np. z wewnętrzną szyną wyrównawczą potencjału lub z wewnętrznymi połączeniami uziemiającymi, doprowadzonymi przez złącza kontrolne do zewnętrznych zacisków uziomowych stacji i dalej – do zewnętrznej instalacji uziemiającej, otaczającej stację. Zbrojenie obudowy, metalowe elementy konstrukcji, otworów wentylacyjnych i drzwi także pozostają uziemione.

Tory uziemiające po stronie SN wewnątrz i na zewnątrz stacji dobierane są odpowiednio do narażeń spodziewanych w sieci, w której stacja będzie instalowana. W krajowych sieciach średniego napięcia, pracujących z izolowanym punktem neutralnym lub z kompensacją, należy uwzględniać zagrożenia, jakie mogą pojawić się po stronie SN stacji, wynikające z podwójnego zwarcia z ziemią. Kable zasilające i odbiorcze wprowadzane są przez przepusty usytuowane w fundamencie stacji, często z zabezpieczeniem przed przedostawaniem się wilgoci do jej wnętrza. W ramach wdrażania inteligentnych sieci elektroenergetycznych następuje optymalizacja sieci średniego napięcia. W efekcie instalowane są rozdzielnice SN wyposażone w inteligentne pola pomiarowe pozwalające na automatyzację systemu rozliczania odbiorców energii. Rośnie zainteresowanie nowoczesnymi rozwiązaniami technicznymi w dziedzinie zabezpieczeń, zdalnego monitoringu i sterowania cyklami łączeniowymi bezpośrednio z punktu dyspozytorskiego. Stąd opcjonalnie oferowane są stacje z zainstalowanymi układami telesterowania, co determinuje zakresy ich badań.

Normy, dotyczące prefabrykowanych stacji transformatorowych oraz stacji instalowanych w pomieszczeniach ruchu elektrycznego (projekt normy powstaje w IEC), zawierają wymagania dla obiektów, w których instalowane są komponenty, tzn. transformator (olejowy lub suchy), rozdzielnica SN i rozdzielnica nn (lub ich kombinacja), połączenia wewnętrzne między transformatorem i rozdzielnicami oraz połączenia uziemiające. Stacje prefabrykowane, do których odnosi się norma PN-EN 62271-202, zawsze zawierają transformator SN/nn, przy czym norma nie definiuje maks. liczby transformatorów ani mocy stacji.
Uwzględnia ona wymagania konstrukcyjne dla obudowy stacji (biorąc pod uwagę ochronę środowiska), połączeń uziemiających, doboru komponentów (rozdzielnic) – spełnienie tych warunków jest konieczne, aby stację można było uznać za bezpieczną. Wymaga się, aby wszystkie komponenty miały udokumentowane badania typu według norm przedmiotowych. Jednak nie gwarantuje to prawidłowej pracy stacji transformatorowej. Dopiero pozytywne wyniki badań typu kompletnie wyposażonej stacji, wykonane zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 62271-202, uwzględniającej wszystkie narażenia stacji podczas jej eksploatacji, mogą wskazywać na prawidłową konstrukcję, właściwy dobór komponentów, a więc na niezawodną i bezpieczną pracę.

Stacje transformatorowe - dobór stacji oraz lokalizacja

Właściwy dobór stacji transformatorowych oraz jej komponentów wymaga znajomości obecnych i mogących pojawić się w przyszłości warunków w sieci elektroenergetycznej w miejscu zainstalowania stacji.
Dotyczy to zarówno prawidłowego określenia mocy zapotrzebowanej (czynnej i biernej, przewidzianej dla poszczególnych odbiorów), spodziewanych min. i maks. obciążeń, liczby odbiorów, jak i rzeczywistych narażeń w sieci ze strony prądów zwarciowych, wynikającymi ze stanów awaryjnych w obwodach głównych i uziemiających. Z danych tych wynikają żądane parametry znamionowe stacji transformatorowej, liczba transformatorów, wybór komponentów itp. Przy doborze stacji transformatorowej spółki dystrybucyjne wykorzystują specyfikacje opracowane dla danego obszaru sieci, uwzględniające aspekt ekonomiczny, związany z czynnościami konserwacyjnymi. Ponadto, należy wziąć pod uwagę warunki pracy: min. i maks. temp. otoczenia (średnioroczną), wszystkie warunki różniące się od normalnych lub negatywnie wpływające na działanie urządzenia, np. zainstalowanie na wysokości powyżej 1000 m czy nagłe zmiany temperatury otoczenia.

W doborze prefabrykowanej stacji transformatorowej do istniejących warunków obciążenia pomocny może być parametr klasy jej obudowy, potwierdzony podczas badań typu stacji. Jak podano w normie PN-EN 62271-202, dla określonej znamionowej klasy obudowy dopuszczalny współczynnik obciążenia transformatora zależy od przyrostów jego temperatury (określonych według PN-EN 60076-2 lub
PN-EN 60076-11) i od temperatury otoczenia w miejscu zainstalowania stacji. Przy wyborze klasy obudowy można wykorzystać Załącznik D ww. normy, w którym podano krzywe zależności współczynnika obciążenia transformatorów olejowego i suchego, w zależności od średniej temperatury otoczenia w miejscu zainstalowania stacji dla określonej klasy obudowy. Zastosowanie tej metody gwarantuje eksploatację stacji bez przekraczania dopuszczalnych temperatur w poszczególnych punktach jej toru prądowego, co eliminuje przedwczesne zestarzenie się izolacji zainstalowanego transformatora oraz innych komponentów.
Przy doborze miejsca usytuowania stacji transformatorowej, w tym prefabrykowanej, należy uwzględniać przepisy obowiązujące w miejscu zainstalowania, tzn. przepisy prawa budowlanego, w tym przeciwpożarowe i ochrony przeciwporażeniowej, obowiązujące w miejscu przeznaczenia stacji. W odniesieniu do stacji instalowanych w budynkach o innym przeznaczeniu obowiązuje Rozporządzenie z dnia 12 kwietnia 2002 r. Wymaga ono m.in., aby pomieszczenie stacji transformatorowej było usytuowane w odległości (poziomej i pionowej) co najmniej 2,8 m od pomieszczeń, w których stale przebywają ludzie, a ściany i stropy powinny stanowić oddzielenie przeciwpożarowe i być wyposażone w zabezpieczenia przed przedostawaniem się cieczy (w przypadku awarii transformatora) i gazów (w przypadku awarii rozdzielnicy SN). Zagadnienia te zostały opisane w artykule.

Słupowe stacje transformatorowe nie są budynkami, a więc nie podlegają uzgodnieniom zawartym w rozporządzeniu w zakresie usytuowania i ochrony przeciwpożarowej. Odległości posadowienia stacji słupowej od budynków lub innych elementów terenu powinny spełniać ogólne wymagania ujęte w przepisach, jakim podlegają urządzenia elektroenergetyczne.
Zgodnie z normą PN-EN 62271-202, w przypadku lokalizacji prefabrykowanych stacji transformatorowych, należy uwzględniać wymagania dotyczące ochrony przeciwpożarowej, obowiązujące w miejscu instalacji. Z tego względu wykorzystuje się regulacje dotyczące ochrony ppoż. w odniesieniu do budynków stacji i ich usytuowania, podane w Rozporządzeniu z dnia 12 kwietnia 2002 r. Określono w nim pięć klas odporności ogniowej budynków, którym przypisano wymagania co do konstrukcji ścian i stropów. Zagrożenie pożarowe budynku stacji dla otoczenia jest określane przez gęstość obciążenia ogniowego Q, która oznacza ilość ciepła wydzielonego przy spalaniu medium (dla stacji jest to olej zastosowanego transformatora) w przeliczeniu na jednostkę powierzchni użytkowej budynku. Dla stacji transformatorowych wartość ta wynosi od 1000 do 4000 MJ/m², w zależności od mocy transformatora i powierzchni wewnętrznej stacji. Wartość Q maleje proporcjonalnie do zmniejszania mocy transformatora i odwrotnie proporcjonalnie do powierzchni stacji.
Producenci dysponują opiniami kompetentnych inspektorów pożarnictwa, które (w oparciu o podane rozporządzenie) wskazują na dopuszczalne warunki usytuowania prefabrykowanej stacji transformatorowej, dla określonych jej konstrukcji, w odniesieniu do innych budynków, w tym także z uwzględnieniem ścian oddzielenia pożarowego.
Przy doborze stacji transformatorowej SN/nn należy również uwzględnić narażenia, jakie mogą pojawić się w przypadku wystąpienia łukowego zwarcia wewnętrznego, szczególnie jeżeli stacja transformatorowa ma stanowić obiekt ogólnie dostępny.

Eksploatacja stacji transformatorowych

Powinna odbywać się zgodnie z wymaganiami producenta zawartymi w instrukcji obsługi (dołączonej do każdej stacji transformatorowej przeznaczonej do instalacji) oraz ze specyfikacjami opracowanymi na potrzeby spółki dystrybucyjnej, która zamówiła stację. Instrukcja eksploatacji powinna zawierać następujące informacje (według PN-EN 62271-202):

• sposób montażu i posadowienia stacji z zachowaniem ewentualnej wolnej bezpiecznej przestrzeni wokół niej; sposób podłączenia do sieci zewnętrznej oraz uziemiającej;
• zakres koniecznej kontroli, niezbędnej po zainstalowaniu stacji i przed jej uruchomieniem;
• instrukcje obsługi zainstalowanych urządzeń wraz z listą wymaganych akcesoriów potrzebnych do ich mprawidłowego działania;
• zakresy i częstotliwości przeglądów;
• informacje związane z żywotnością stacji i recyklingiem zużytych komponentów.

Ponadto wymaga się, aby użytkownik opracował własne określone procedury, związane z bezpieczną eksploatacją i obsługą stacji. Przy opracowywaniu instrukcji stanowiskowych należy uwzględniać obowiązujące przepisy, dotyczące ochrony środowiska oraz bezpieczeństwa osób.

Artykuł ukazał się w publikacji „Sektor Elektroenergetyczny”
Zobacz e-wydanie