SCB и SGB сухи трансформатори обяснени

1. Въведение

Трансформаторът работи на основата на принципа на електромагнитната индукция. Основните компоненти на трансформатора са обмотките и ядрото. По време на работа обмотките служат като път за електрическия ток, докато ядрото служи като път за магнитния поток. Когато енергията се подава към основната обмотка, променливият ток създава променливо магнитно поле в ядрото (т.е. електрическата енергия се преобразува в енергия на магнитното поле). Благодарение на магнитната връзка (магнитна свързаност), магнитният поток, минаващ през вторичната обмотка, непрекъснато се изменя, което води до индуциране на електродвижещо напрежение (ЕДН) във вторичната обмотка. При свързване на външен контур, електрическата енергия се доставя към потребител (т.е. енергията на магнитното поле се преобразува отново в електрическа енергия). Този процес на „електричество–магнетизъм–електричество“ се реализира на основата на принципа на електромагнитната индукция, а този процес на преобразуване на енергията представлява работния принцип на трансформатора.

U1N2 = U2N1

U1: Напряжение на основната обмотка；N1: Брой завивки на основната обмотка；U2: Напряжение на вторичната обмотка；N2: Брой завивки на вторичната обмотка

Според китайския национален стандарт GB 1094.16, сухият трансформатор е ясно дефиниран като трансформатор, чиито ядро и обмотки не са потопени в изолираща течност. Изолиращата и охлаждаща среда е въздух. По-общи, сухите трансформатори могат да бъдат разделени на две основни типа: капсулирани и открити.

• Типът „SC(B)“ се отнася до епоксидно-резинов капсулиран сух трансформатор (буквата „B“ в модела указва, че обмотките са направени от медна фолия; буквата „B“ в „SG(B)“ има същото значение). Високонапрегованата обмотка е напълно капсулирана с епоксидна смола, докато нисконапрегованата обмотка обикновено не е напълно залита с епоксидна смола – само крайните завивки са запечатани с епоксидна смола (това е и поради факта, че страната с ниско напрежение носи по-висок ток, а пълното залитане би оказвало неблагоприятно влияние върху разпространяването на топлина). В момента SC(B)-типовите сухи трансформатори са доминиращите продукти на пазара, и този статия използва тях като пример за анализ. Повечето SC(B)-типови трансформатори имат клас F изолация, с няколко модели, класирани като клас H.

• Типът „SG(B)“ е открыт сух трансформатор, който използва NOMEX изолационна хартия от DuPont (САЩ) за изолация между завивките. Нисконапрегованата обмотка е направена от медна фолия, а както високонапрегованата, така и нисконапрегованата обмотка преминават през процедура на VPI (вакуумно-наляганческа изолация). Повърхността е покрита с епоксидна изолационна лак. Повечето SG(B)-типови сухи трансформатори имат клас H изолация, с няколко модели, класирани като клас C.

• Има още един тип сух трансформатор, означаван като „SCR(B)“, който е капсулиран тип, но не е залитан с епоксидна смола. Той е напълно капсулиран, използвайки NOMEX хартия и силиконово гел, базирайки се на френска технология. Този продукт има много ограничен пазарен спор. Всички SCR(B)-типови сухи трансформатори имат клас H изолация.

2 Преимущества на сухите трансформатори

• Безопасни, пламенобезопасни, огнестойки, взривобезопасни, без замърсяване и могат да бъдат инсталирани директно в центъра на потребителската нагрузка;

• Без поддръжка, с ниски общи оперативни разходи;

• Отлична устойчивост към влага – могат да работят нормално при 100% влажност и могат да бъдат повторно включени без предварително изсушаване след спиране;

• Ниски загуби, ниска частична разрядка, нисък шум, силна разтворимост на топлината, способни да работят при 150% от номиналната нагрузка при условия на принудително въздушно охлаждане;

• Осъществени с пълен системен контрол на температурата, предоставящ надеждна гаранция за безопасна работа;

• Компактен размер, малко тегло, малка площ за инсталация и ниски разходи за инсталация.

3. Недостатъци на сухите трансформатори

• При същата мощност и напрежение, сухите трансформатори са по-скъпи от масло-потопените трансформатори;

• Ограничен диапазон на напрежението – обикновено до 35 кВ, с няколко модели, достигащи 110 кВ;

• Обикновено се използват в помещения; при използване в открито, е необходима защитна обвивка с висок рейтинг на защита (IP);

• За залитаните с епоксидна смола обмотки, ако са повредени, често трябва да бъдат изхвърлени, тъй като ремонта обикновено е труден.

4. Структура на сухите трансформатори

4.1 Обмотки
(1) Плоска обмотка: Изработена чрез стекане на плоски или кругли проводници и завиване в спираловиден модел, за да се формират множество слоеве. Между слоевете се поставят изолатори или вентилационни каналчета. Обмотката е залита и закалена под вакуум с помощта на форма и специализирано залитателно оборудване. Процес: стекано спираловидно завиване → поставяне в форма → залитане под вакуум.

(2) Фолиева обмотка: Изработена чрез завиване на тънки, широки проводници, с една завивка за слой. Междуслойната изолация служи и като изолация между завивките. Фолиевите обмотки обикновено използват осеви охлаждащи канали: при завиване, в определени точки на завивките се вмъкват интервалиращи ленти, които по-късно се премахват, за да се формират осеви въздушни канали. След завиването на машина за фолиеви обмотки, обмотката трябва само да бъде нагрета и закалена – не е необходима форма или залитане.

Защо високонапрегнатата обвивка е поставена външно, а нисконапрегнатата - вътрешно?
Тъй като нисконапрегнатата страна работи при по-ниско напрежение и изисква по-малки изолационни разстояния, поставянето й близо до ядрото намалява разстоянието между обвивката и ядрото, което води до намаление на обща размер и цена на трансформатора. Освен това, високонапрегнатата обвивка обикновено има контактни точки; поставянето й отвън прави операцията по-удобна и безопасна.

4.2 Ядро

• Построено чрез стекане на множество ламелни пластинки от силиконово желязо, покрити с изолираща боя;

• Ядрото е затегнато предимно чрез рамки за затегване и болтове за затегване;

• Горните и долните рамки за затегване притисват ядрото и обвивките чрез свързващи шейни или плочи;

• Изолационните компоненти на ядрото включват изолация на рамката, изолация на болтовете или изолация на свързващите плочи.

Защо ядрото трябва да е заземено?
По време на нормална работа, ядрото на трансформатора трябва да има една и само една надеждна точка на заземяване. Без заземяване, ще се развива плаващо напрежение между ядрото и земята, което води до периодични пробиви и разряди от ядрото към земята. Заземяването на ядрото в една точка елиминира възможността за плаващ потенциал. 

Обаче, ако ядрото е заземено в две или повече точки, неравномерните потенциали между секции на ядрото ще причинят циркулиращи токове между точките на заземяване, което води до многоточкови дефектни заземявания и локално прекомерно загряване. Такива дефектни заземявания на ядрото могат да причинят сериозно локално повишаване на температурата, което може да задейства защитни спускане. В крайна ситуация, топящи се места на ядрото създават коротки замыкания между ламелите, значително увеличавайки загубите в ядрото и сериозно влияйки на производителността и функционирането на трансформатора—понякога изискващо замяна на ламелите от силиконово желязо за ремонт. Ето защо, трансформаторите не трябва да имат многоточково заземяване; позволено е само едно и точно едно заземяване.

5. Система за контрол на температурата

Безопасната работа и продължителността на живот на сухия трансформатор в голяма степен зависят от безопасността и надеждността на изолацията на обвивките. Ако температурата на обвивките надхвърли термичната устойчивост на изолацията, изолацията ще бъде повредена—това е една от основните причини за дефектности на трансформатора. Затова, мониторингът на рабочата температура и прилагането на аларми и спускане са изключително важни.

(1) Автоматично управление на вентилаторите: Температурните сигнали се измерват от Pt100 резистивни температурни детектори, вградени в най-топлата част на нисконапрегнатата обвивка. Като трансформаторната нагрузка се увеличава и оперативната температура се повишава, системата автоматично стартира охладителните вентилатори, когато температурата на обвивката достигне 110°C, и ги спира, когато температурата падне до 90°C.

(2) Аларма за висока температура и спускане при прекомерно повишена температура: Температурните сигнали от обвивките или ядрото се събират от PTC нелинейни термистори, вградени в нисконапрегнатата обвивка. Ако температурата на обвивката продължи да се повишава и достигне 155°C, системата изпраща сигнал за аларма при прекомерно повишена температура. Ако температурата се увеличи до 170°C, трансформаторът вече не може да работи безопасно, и трябва да се изпрати сигнал за спускане при прекомерно повишена температура към вторичната защитна верига.

(3) Система за индикация на температурата: Температурните стойности се измерват от Pt100 термистори, вградени в нисконапрегнатата обвивка, и директно индикират температурата на всяка фазова обвивка (с трифазен мониторинг, индикация на максимална стойност и запис на исторически максимална температура). Системата предоставя аналоген изход 4–20 mA за най-високата температура. Ако е необходима отдалечена трансмисия до компютър (до 1200 метра), може да се оснаести с компютърен интерфейс и един изпращащ, позволявайки същевременно мониторинг на до 31 трансформатора. Сигналът от Pt100 термистора може също да активира аларми и спускане при прекомерно повишена температура, допълнително подобрявайки надеждността на системата за защита на температурата.

6. Обвивка на сухите трансформатори

В зависимост от характеристиките на работната среда и изискванията за защита, сухите трансформатори могат да бъдат оборудвани с различни видове обвивки. Обикновено се избира обвивка с клас IP20, която предотвратява влизането на твърди чужди предмети с диаметър над 12 мм и малки животни като миши, змии, котки и птици в трансформатора, което предотвратява сериозни дефектности като коротки замыкания и прекъсвания на електричеството, и предоставя безопасна бариера за живи части.

Ако трансформаторът трябва да бъде инсталиран в открито, може да се използва обвивка с клас IP23. Освен защитата, предлагана от IP20, тя предотвратява и падането на капки вода под ъгъл до 60° от вертикалната посока. Обаче, обвивката с клас IP23 намалява охладителната способност на трансформатора, затова при избора на такъв тип обвивка трябва да се обърне внимание на намаляване на оперативната способност.

7. Методи охлаждане на сухите трансформатори

Сухите трансформатори използват два метода за охлаждане: естествено въздушно охлаждане (AN) и принудително въздушно охлаждане (AF).

При естественото въздушно охлаждане трансформаторът може да работи непрекъснато при своята номинална мощност за продължителен период.

При принудителното въздушно охлаждане мощността на изхода на трансформатора може да бъде увеличена с 50%, което го прави подходящ за интермитентна преобременена работа или условия на аварийна преобремененост. Въпреки това, по време на преобременена работа, загубите от зареждане и импедансното напрежение се увеличават значително, водейки до невыгодна работа; следователно, трябва да се избягва продължителна непрекъсната преобременена работа.

8. Тестове за сухите трансформатори

• Измерване на DC съпротивление на обиколките:
  Проверява качеството на сваряването на вътрешните проводници, контактното състояние между превключвателите за промяна на стъпките и въвеждащите жици, както и дали фазовите съпротивления са несбалансирали. Обикновено, дисбалансът на съпротивлението между линии не трябва да надвишава 2%, а дисбалансът между фази - 4%. Прехилен DC дисбаланс може да предизвика циркулиращи токове между трите фази, което увеличава загубите от циркулиращия ток и довежда до нежелани ефекти като прекомерно затопляне на трансформатора.

• Проверка на отношенията на напреженията при всички стъпки:
  Потвърждава дали броят на витките е правилен и дали всички връзки на стъпките са правилно подключени. Когато се приложи 1000 V към високонапрегнатата страна (и нейните различни стъпки), проверете дали трансформаторът извежда приблизително 400 V на нисконапрегнатата страна.

• Проверка на трифазната връзка на обиколките и полярността.

• Измерване на диелектричното съпротивление на изолираните закрепителни елементи и самия ядро.

• Измерване на диелектричното съпротивление на обиколките:
  Оценява нивото на изолацията между високонапрегнатите, нисконапрегнатите обиколки и земята. Обикновено се използва мегометър с 2500 V, а измерените стойности на диелектричното съпротивление (HV–LV, HV–земя, LV–земя) трябва да надхвърлят зададените стандартни стойности.

• Тест за издръжливост на AC напрежение на обиколките:
  Оценява основната изолационна устойчивост между HV, LV и земя чрез тестове на диелектричната устойчивост. Този тест е решаващ за откриването на локализирани дефекти, въведени по време на производството. За сухите трансформатори, типичните тестови напрежения са: 35 kV за 10 kV обиколка и 3 kV за 0.4 kV обиколка, всяко приложено за 1 минута без разрушение, за да бъде считано за приемливо.

• Превключване и тестове за взаимна блокировка на автоматичните превключватели от всички страни на трансформатора:
  Потвърждава надеждността на операциите на защитните реле и потвърждава, че превключващото оборудване е непокътнато и без дефекти.

9. Импулсно превключване (вход)

(1) При отключване на незареден трансформатор, може да възникне переключващо напрежение. В електроенергийни системи с незаземен нейтрален проводник или нейтрален проводник, заземен чрез аркусорен калъф, големината на переключващото напрежение може да достигне 4–4.5 пъти фазното напрежение; в системи с директно заземен нейтрален проводник, то може да достигне до 3 пъти фазното напрежение. За да се провери дали изолацията на трансформатора може да издържи пълното напрежение или переключващото напрежение, е необходим импулсивен тест.

(2) Зареждането на незареден трансформатор произвежда магнетизиращ входящ ток, който може да достигне 6–8 пъти номиналния ток. Входният ток бързо намалява в началото – обикновено намалява до 0.25–0.5 пъти номиналния ток в рамките на 0.5–1 секунда, но пълното намаляване може да отнеме много повече време, до десетки секунди за трансформатори с голяма капацитет. В резултат на големите електромагнитни сили, породени от входния ток, импулсивният тест се извършва, за да се оцени механичната устойчивост на трансформатора и да се прецени дали защитните реле могат да реагират неправилно в ранната фаза на намаляване на входния ток.
Обикновено, ново инсталираните трансформатори се подлагат на 5 импулсни теста, а ремонтирани трансформатори – на 3 импулсни теста.

10. Тест без нагрузка

Целта на теста без нагрузка е:

• Да се измерят загубите и тока без нагрузка на трансформатора;

• Да се провери дали проектирането и производството на ядрото отговарят на техническите спецификации и стандарти;

• Да се откриват дефекти на ядрото, като местно прекомерно затопляне или лоша местна изолация.

По време на теста, високонапрегнатата страна е отворена, а номиналното напрежение се прилага на нисконапрегнатата страна. Загубите без нагрузка са главно загуби от ядрото (желязно).

Дефекти, които могат да бъдат открити чрез тест без нагрузка, включват:

• Лоша изолация между ламинираните силиконови желязна;

• Местни краткосрочни или горещи повреди между ламините на ядрото;

• Неуспех на изолацията в болтовете, които минават през ядрото, стоманените въжета, зажимащите плочки, горните яки и т.н., причиняващи краткосрочни връзки;

• Разхлабени, неправилно подредени силиконови желязна или прекомерни въздушни пробели в магнитната верига;

• Множествено заземяване на ядрото;

• Краткосрочни връзки между витките или слоеве на обиколките, или неравни виткове в паралелни клони, причиняващи дисбаланс на ампервитковете;

• Използване на силиконови желязна с високи загуби и ниско качество, или грешки в изчисленията на проекта.

11. Тест при краткосрочна връзка

Изпитването при кратко съединение в основни линии измерва загубите при кратко съединение и импеданса. То се провежда при включването, за да се провери правилната конструкция на обмотките, и след замяна на обмотките, за да се проверят значителни отклонения от предходните резултати от изпитвания.

Източникът на напрежението за изпитване може да бъде трифазен или еднофазен, прилаган до високонапрегованата страна, докато нисконапрегованата страна е кратко съединена. По време на изпитването токът на високонапрегованата страна се повишава до номиналната му стойност, а токът на нисконапрегованата страна се контролира да остане при номинален ток.

12. Обработка на аномални условия на сухите трансформатори

12.1 Аномални шумове на трансформатора

• Механичен шум, причинен от:

• Разслабени болтове за затегване на ядрото;

• Деформация на ъглите на ядрото поради неправилно обхождане по време на транспортиране или монтаж;

• Чужди предмети, свързващи части на ядрото;

• Разслабени винтове за монтаж на вентилатора или чуждо вещество във вентилатора;

• Разслабени винтове за монтаж на кутията, които причиняват вибрации и шум на панела;

• Разслабени винтове за фиксиране на нисконапрегованата шина или липса на гъвкави връзки, водещи до вибрации и шум.

• Свърхвисоко входно напрежение, което причинява прекомерна екситация и по-громко жужене.

• Шум от високоредовни хармоники: нерегулярен по характер – променящ се по интензитет и периодично наличен. Основно причинен от устройства, генериращи хармоники (например, електрически печи, тиристорни преобразуватели) от страна на източника или нагрузката, които подават хармоники обратно в трансформатора.

• Екологични фактори: малка трансформаторна станция с гладки стени създава резонансен „динамик“ ефект, увеличавайки възприемания шум.

12.2 Аномално показване на температурата

• Сензорът не е включен в разбивката на задната страна на единицата за показване на температурата – светлината за съобщаване на дефект свети;

• Разслабена връзка на разбивката на сензора увеличава съпротивлението, причинявайки фалшиво високи показания на температурата;

• Безкрайно показание на температурата в един фазен канал указва отворен контур в платиновата резистивна нишка на сензора;

• Аномално високо показание в един фазен канал сочи, че платиновият резистор е в частично повредено (интермитентно) състояние.

Трансформаторът работи на принципа на електромагнитната индукция. Основните компоненти на трансформатора са обмотките и ядрото. По време на работа обмотките служат като път за електрическия ток, докато ядрото служи като път за магнитния поток. Когато електрическа енергия се подава към первичната обмотка, алтернативният ток създава алтернативно магнитно поле в ядрото (т.е. електрическата енергия се преобразува в енергия на магнитното поле). В резултат на магнитната връзка (магнитна свързаност), магнитният поток, минаващ през вторичната обмотка, непрекъснато се изменя, което предизвиква електродвижещо напрежение (ЕДН) във вторичната обмотка. Когато е включена външна верига, електрическата енергия се доставя до нагрузката (т.е. енергията на магнитното поле се преобразува обратно в електрическа енергия). Този процес на преобразуване „електричество–магнетизъм–електричество“ се реализира на базата на принципа на електромагнитната индукция, и този процес на преобразуване на енергията представлява работния принцип на трансформатора.