17 běžných otázek o elektrických transformátorech

1 Proč musí být jádro transformátoru zazemleno?
Během normálního provozu elektrických transformátorů musí mít jádro jedno spolehlivé zazemlení. Bez zazemlení by plovoucí napětí mezi jádrem a zemí způsobilo přerušované propadací výboje. Jednobodové zazemlení eliminuje možnost plovoucího potenciálu v jádře. Pokud však existují dva nebo více zazemlovacích bodů, nerovnoměrné potenciály mezi částmi jádra vytvářejí proudy cirkulující mezi těmito body, což způsobuje vznik hřejivých poruch způsobených vícebodovým zazemlením. Poruchy zazemlení jádra mohou způsobit lokální přehřívání. V těžkých případech se teplota jádra výrazně zvyšuje, což aktivuje světlo plynu a může dojít k vyhození těžkého plynového ochranného relé. Tavení částí jádra vytváří krátké spojení mezi laminacemi, což zvyšuje ztráty v jádře a vážně ovlivňuje výkon a provoz transformátoru, někdy je tedy nutné nahradit listy siliciové oceli v jádře. Proto musí mít jádro transformátoru přesně jeden zazemlovací bod - ani více, ani méně.

2 Proč se pro jádro transformátoru používají listy siliciové oceli?
Běžná jádra transformátorů jsou vyrobena ze siliciových ocelových listů. Siliciová ocel obsahuje síru (také nazývanou písek) ve výše 0,8-4,8 %. Siliciová ocel se používá díky svým vynikajícím magnetickým vlastnostem, které umožňují generovat vysokou hustotu magnetického toku v napájených cívkách, což umožňuje menší rozměry transformátoru. Transformátory vždy fungují pod střídavým napětím, s výkonovými ztrátami, které se vyskytují nejen v odporu cívek, ale také v jádře při střídavém magnetizaci. Ztráty v jádře se nazývají "železné ztráty" a skládají se z "hysterezních ztrát" a "vodivkových ztrát". Hysterezní ztráty se vyskytují během magnetizace kvůli magnetické hystereze, s ztrátou úměrnou ploše uzavřené hysterezní smyčkou materiálu. Siliciová ocel má úzkou hysterezní smyčku, což vede k nižším hysterezním ztrátám a snížení přehřívání.

Pokud mají siliciové oceli tyto výhody, proč nejsou používány pevné bloky? Protože lité jádro snižuje další typ železných ztrát - vodivkové ztráty. Během provozu střídavý proud v cívkách vytváří střídavý magnetický tok, který indukuje proudy v jádře. Tyto indukované proudy protékají uzavřenými smyčkami kolmo na směr toku, tvoří vodivkové proudy, které způsobují přehřívání. K snížení vodivkových ztrát se užívají izolované listy siliciové oceli složené dohromady, což nutilo vodivkové proudy projít úzkými cestami s menším průřezem a zvýšit odpor. Navíc síra v oceli zvyšuje vodivost, což dále snižuje vodivkové proudy. Jádra transformátorů obvykle používají studeně tažené listy siliciové oceli tloušťky 0,35 mm, řezané na velikost a složené do tvarů "E-I" nebo "C". Teoreticky by tenčí listy a úzké proužky lépe snížily vodivkové proudy. To by snížilo vodivkové ztráty, snížilo tepelný vzestup a uspořilo materiál. Nicméně praktická výroba jádra zvažuje mnoho faktorů - příliš tenké listy by značně zvýšily náklady na práci a snížily efektivní průřez jádra. Proto musí rozměry listů siliciové oceli pro jádro transformátoru vyvážit různé aspekty, aby byl dosažen optimální návrh.

3 Jaký je ochranný rozsah ochrany Buchholz (plynové ochrany)?

• Vnitřní vícefázové krátké spojení v transformátoru
• Krátké spojení mezi vinutími a jádrem nebo nádrží
• Poruchy jádra
• Snížení hladiny oleje nebo únik oleje
• Špatný kontakt v čidlovcích nebo špatné svařování vodičů

4 Jaké jsou rozdíly mezi hlavní diferenciální ochranou transformátoru a ochranou Buchholz?

• Hlavní diferenciální ochrana transformátoru funguje na principu cirkulačního proudu, zatímco ochrana Buchholz funguje na principu vzniku plynu při vnitřních poruchách transformátoru.
• Diferenciální ochrana slouží jako hlavní ochrana transformátoru, zatímco ochrana Buchholz je hlavní ochranou před vnitřními poruchami transformátoru.
• Ochranné rozsahy se liší:
  A) Diferenciální ochrana pokrývá:
  • Vícefázové krátké spojení v vedlech a vinutích hlavního transformátoru
  • Těžké jednofázové krátké spojení mezi vinutími
  • Zemní poruchy na vinutích a vedlech v systémech s vysokým zemným proudem
• B) Ochrana Buchholz pokrývá:
• • Vnitřní vícefázové krátké spojení v transformátoru
  • Krátké spojení mezi vinutími, krátké spojení mezi vinutími a jádrem nebo nádrží
  • Poruchy jádra (přehřevové poškození)
  • Snížení hladiny oleje nebo únik oleje
  • Špatný kontakt v čidlovcích nebo špatné svařování vodičů

5 Jak řešit selhání chladiče hlavního transformátoru?

• Pokud dochází ke ztrátě pracovního napájecího zdroje pro části I a II chladiče, objeví se signál "#1, #2 ztráta napájení" a aktivuje se okamžitá výpadková ochrana celého chladiče hlavního transformátoru. Okamžitě ohlaste to dispečinku a deaktivujte tuto ochrannou sadu.
• Pokud při provozu selže přepínání mezi napájecími zdroji I a II, rozsvítí se indikátor "výpadkový chladič" a aktivuje se okamžitá výpadková ochrana celého chladiče hlavního transformátoru. Okamžitě ohlaste to dispečinku, deaktivujte tuto ochrannou sadu a rychle provedete manuální přepnutí. Pokud kontaktní čidlo KM1 nebo KM2 selhalo, nepoužívejte nucené vzrušení.
• Při selhání jakékoli jedné části chladiče izolujte vadnou část chladiče.

6 Jaké jsou důsledky paralelního provozu transformátorů, které nesplňují podmínky pro paralelní provoz?
Když se transformátory s různými převodovými poměry provozují paralelně, vznikají oběžné proudy, což ovlivňuje výkon transformátorů. Když se transformátory s různými procentními ztrátami provozují paralelně, zatížení nemůže být rozděleno podle poměru kapacit transformátorů, což také ovlivňuje výkon. Když se transformátory s různými skupinami zapojení provozují paralelně, dojde k krátkému spojení v transformátorech.

7 Jaké jsou příčiny neobvyklých zvuků v transformátorech?

• Přetížení
• Špatné vnitřní kontakty způsobující elektrické oblouky
• Uvolněné jednotlivé komponenty
• Zazemnění nebo krátké spojení v systému
• Spouštění velkých motorů způsobující výrazné fluktuace zatížení

8 Kdy by nesměl být upravován tap changer na transformátoru s paralelním přepínáním?

• Během přetíženého provozu transformátoru (kromě zvláštních okolností)
• Když často aktivuje lehká plynová ochrana tap changeru
• Když ukazatel oleje tap changeru neukazuje olej
• Když počet změn tapu překročí stanovené limity
• Když tap-changing zařízení ukazuje neobvyklé chování

9 Co reprezentují nominální hodnoty na nálepce transformátoru?
Nominální hodnoty transformátoru jsou specifikace stanovené výrobci pro normální provoz transformátoru. Práce v rámci těchto nominálních hodnot zajišťuje dlouhodobě spolehlivý provoz s dobrými výkonnostními parametry. Nominální hodnoty zahrnují:

• Nominální kapacita: Zaručená výstupní schopnost za nominálních podmínek, vyjádřená ve voltamperách (VA), kilovoltampech (kVA) nebo megavoltampech (MVA). Díky vysoké efektivitě transformátoru jsou nominální kapacity primárního a sekundárního cívání obvykle navrženy stejně.
• Nominální napětí: Zaručené koncové napětí za podmínek bez zatížení, vyjádřené v voltech (V) nebo kilovoltech (kV). Pokud není uvedeno jinak, nominální napětí se týká fázového napětí.
• Nominální proud: Fázový proud vypočtený z nominální kapacity a nominálního napětí, vyjádřený v ampearech (A).
• Proud bez zatížení: Vzbuzovací proud jako procento nominálního proudu během provozu bez zatížení.
• Ztráta při krátkém spojení: Aktivní ztráta výkonu, když je jedno cívání krátké spojení a na druhé cívání je aplikováno napětí, aby byl dosažen nominální proud v obou cívech, vyjádřená v wattech (W) nebo kilowattech (kW).
• Ztráta při bezzatížení: Aktivní ztráta výkonu během provozu bez zatížení, vyjádřená v wattech (W) nebo kilowattech (kW).
• Napětí při krátkém spojení: Též nazývané impedance napětí, procento aplikovaného napětí vzhledem k nominálnímu napětí, když je jedno cívání krátké spojení a druhé cívání nese nominální proud.
• Skupina zapojení: Označuje metody zapojení primárních a sekundárních cívek a fázový rozdíl mezi fázovými napětím, vyjádřený pomocí hodinové notace.

10 Proč invertory s proudovým zdrojem vyžadují větší kapacitu transformátoru?
Návrh transformátoru obvykle zohledňuje nominální kapacitu, nikoli nominální výkon, protože proud souvisí pouze s nominální kapacitou. U inverzorů s napěťovým zdrojem je vstupní faktor moci blízký 1, takže nominální kapacita a nominální výkon jsou téměř stejné. Inverzory s proudovým zdrojem se liší – jejich vstupní faktor moci inverzoru je roven maximálně faktoru moci indukčního motoru. Proto pro stejný pohon musí být nominální kapacita větší než u transformátorů používaných s inverzory s napěťovým zdrojem.

11 Jaké faktory ovlivňují kapacitu transformátoru?
Výběr jádra souvisí s napětím, zatímco výběr vodiče souvisí s proudem – tloušťka vodiče přímo ovlivňuje vytváření tepla. Jinými slovy, kapacita transformátoru souvisí pouze s vytvářením tepla. Dobře navržený transformátor pracující v špatných podmínkách odvodu tepla může pracovat s 1250 kVA místo 1000 kVA s vylepšeným chlazením. Navíc nominální kapacita souvisí s povoleným teplotním stoupáním. Například 1000 kVA transformátor s povoleným teplotním stoupáním 100K může překročit 1000 kVA, pokud bude dovoleno pracovat při 120K v zvláštních okolnostech. To ukazuje, že zlepšení podmínek chlazení transformátoru může zvýšit jeho nominální kapacitu. Naopak, pro stejnou kapacitu inverzoru lze snížit rozměry skříně transformátoru.

12 Jak zlepšit efektivitu transformátoru?

• Pokud je to možné, vždy zvolte transformátory s nízkými ztrátami a vysokou účinností
• Rozumně zvolte kapacitu transformátoru na základě podmínek zatížení
• Udržujte průměrný faktor zatížení transformátoru nad 70 %
• Zvažte výměnu za transformátory s nižší kapacitou, pokud je průměrný faktor zatížení trvale pod 30 %
• Zlepšete faktor moci zatížení pro zvýšení schopnosti transformátoru dodávat aktivní moc
• Rozumně nakonfigurujte zatížení, abyste minimalizovali počet provozních transformátorů

13 Proč urychlit technickou modernizaci transformátorů s vysokým spotřebou energie?
Transformátory s vysokou spotřebou energie se týkají především řad SJ, SJL, SL7, S7, jejichž železné a měděné ztráty jsou mnohem vyšší než u široce používaných transformátorů S9. Například, ve srovnání s S9 má S7 o 11 % vyšší železné ztráty a o 28 % vyšší měděné ztráty. Novější transformátory jako S10 a S11 jsou ještě energeticky efektivnější než S9, zatímco amorfické slitiny mají železné ztráty ekvivalentní pouze 20 % ztrát S7 transformátorů. Transformátory obvykle slouží několik desetiletí. Výměna transformátorů s vysokou spotřebou energie za vysokoúčinné modely nejen zlepšuje účinnost převodu energie, ale také dosahuje významného ušetření elektřiny během jejich životnosti.

14 Co je vírový proud? Jaké škody způsobuje vírový proud?
Když střídavý proud protéká vodičem, vytváří kolem vodiče střídavé magnetické pole. To toto střídavé pole indukuje proudy uvnitř tuhých vodičů. Protože tyto indukované proudy vytvářejí uzavřené smyčky uvnitř vodiče podobné vodním vírům, nazývají se vírové proudy. Vírové proudy nejen plýtvají elektrickou energií a snižují účinnost zařízení, ale také způsobují ohřev elektrických zařízení (např. jádra transformátorů), což může v extrémních případech ovlivnit normální fungování zařízení.

15 Proč musí okamžité ochrany transformátoru vyhnout maximálnímu krátkozavodnému proudu na nízkém napětí?
To se primárně týká selektivity v provozu reléové ochrany. Okamžité ochrany na straně vysokého napětí hlavně chrání před vážnými externími poruchami transformátoru. Při nastavení, pokud ochrana nevyhnout maximálnímu krátkozavodnému proudu na straně nízkého napětí transformátoru, rozsah ochrany by se rozšířil na vedení s nízkým napětím, protože hodnoty krátkozavodných proudů se v blízkosti výstupu s nízkým napětím nemění výrazně. To by kompromitovalo selektivitu. Ačkoli neselektivní ochrana je spolehlivější, vytváří operační obtíže. Například, mnoho průmyslových parků má hlavní distribuční místnosti s 10 kV (sběrnice 10 kV + odpočetní čidlo), každá dílna má nízkonapěťové distribuční kruhy (kruhové hlavní jednotky + transformátory). Pokud čidlo nevyhnout maximálnímu krátkozavodnému proudu na straně nízkého napětí transformátoru, spustí se nízkonapěťové hlavní spínače (spínače kruhových hlavních jednotek) a vysokonapěťová čidla, což způsobí operační problémy.

16 Proč není dovoleno, aby dvě paralelně zapojené transformátory měly současně zazemlené neutrální body?
V systémech s vysokými proudy, aby byly splněny požadavky na koordinaci citlivosti reléové ochrany, některé hlavní transformátory musí být zazemleny, zatímco jiné zůstávají nezazemlené. Na stanici s dvěma hlavními transformátory, když nejsou současně zazemleny oba neutrální body, týká se to především koordinace ochrany nulového proudu a nulového napětí. V podsítích s více paralelně zapojenými transformátory jsou obvykle některé neutrální body transformátorů zazemleny, zatímco jiné zůstávají nezazemlené. Tím se omezí proud zemního zkratu na rozumnou úroveň a minimalizuje se vliv změn operačního režimu na velikost a rozložení nulových proudů v síti, což zlepšuje citlivost systémů ochrany nulového proudu.

17 Proč provádět testy impulsního zavření před zprovozněním nově nainstalovaných nebo přepracovaných transformátorů?
Odpojení nezatíženého transformátoru od sítě vytváří přepínací přetlaky. V systémech s malými proudy zemnictví mohou tyto přetlaky dosáhnout 3-4 násobku nominální fázového napětí; v systémech s vysokými proudy zemnictví mohou dosáhnout 3 násobku nominálního fázového napětí. Proto, aby bylo ověřeno, zda izolace transformátoru může unést nominální napětí a přepínací přetlaky, musí být provedeny několikrát testy impulsního zavření před zprovozněním. Kromě toho, při zapnutí nezatíženého transformátoru vzniká magnetizační přetok, který může dosáhnout 6-8 násobku nominálního proudu. Protože magnetizační přetok vytváří významné elektromagnetické síly, testy impulsního zavření také efektivně ověřují mechanickou pevnost transformátoru a zda by mohlo docházet k nežádoucímu spuštění reléové ochrany.