SCB i SGB: Transformadors de sec explicats

1. Introducció

Un transformador funciona segons el principi de la inducció electromagnètica. Els components principals d'un transformador són les bobines i el nucli. Durant l'operació, les bobines serveixen com a camí per la corrent elèctrica, mentre que el nucli serveix com a camí per al flux magnètic. Quan l'energia elèctrica s'introdueix a la bobina primària, la corrent alternada crea un camp magnètic alternat al nucli (és a dir, l'energia elèctrica es converteix en energia del camp magnètic). Degut a l'enllaç magnètic (enllaç de flux), el flux magnètic que passa a través de la bobina secundària canvia continuament, induint així una força electromotriu (FEM) a la bobina secundària. Quan es connecta un circuit extern, l'energia elèctrica es lliura a la càrrega (és a dir, l'energia del camp magnètic es converteix de nou en energia elèctrica). Aquest procés de conversió "electricitat–magnetisme–electricitat" es realitza basant-se en el principi de la inducció electromagnètica, i aquest procés de conversió d'energia constitueix el principi de funcionament d'un transformador.

U1N2 = U2N1

U1: Tensió primària；N1: Nombre de voltants de la bobina primària；U2: Tensió secundària；N2: Nombre de voltants de la bobina secundària

Segons la norma nacional xinesa GB 1094.16, un transformador sec és clarament definit com un transformador el nucli i les bobines del qual no estan immersos en líquid aïllant. El seu mitjà aïllant i refredant és l'aire. En termes generals, els transformadors secs es poden dividir en dos tipus principals: encapsulats i amb bobines obertes.

• El tipus "SC(B)" fa referència a un transformador sec de resina epoxi (la "B" en la designació del model indica que les bobines estan fetes de full de cobre; la "B" en "SG(B)" té el mateix significat). La bobina de alta tensió està totalment encapsulada amb resina epoxi, mentre que la bobina de baixa tensió generalment no està totalment col·lida amb resina epoxi—només els voltants finals estan sellats amb resina epoxi (això també és degut al fet que el costat de baixa tensió porta una corrent més elevada, i la colla total hauria d'affectar negativament la dissipació de calor). Actualment, els transformadors secs de tipus SC(B) són els productes més populars al mercat, i aquest article els utilitza com a exemple per a l'anàlisi. La majoria dels transformadors de tipus SC(B) tenen aïllament de classe F, amb uns pocs calificats com a classe H.

• El tipus "SG(B)" és un transformador sec de bobines obertes que utilitza paper aïllant NOMEX de DuPont (EUA) per a l'aïllament entre voltants. La bobina de baixa tensió està feta de full de cobre, i tant les bobines de baixa com d'alta tensió subministren tractament d'aïllament VPI (Impregnació sota Vacum i Pressió). La superfície està revestida amb una capa de vernís aïllant d'epoxi. La majoria dels transformadors secs de tipus SG(B) tenen aïllament de classe H, amb uns pocs calificats com a classe C.

• Hi ha un altre tipus de transformador sec, designat com a "SCR(B)", que és de tipus encapsulat però no col·lit amb resina epoxi. Està totalment encapsulat utilitzant paper NOMEX i gel de silici, basant-se en tecnologia francesa. Aquest producte té una demanda de mercat molt limitada. Tots els transformadors secs de tipus SCR(B) tenen aïllament de classe H.

2 Avantatges dels Transformadors Secs

• Segurs, retardant de flames, ignífugos, antiexplosius, sense contaminació, i poden ser instal·lats directament al centre de càrrega;

• Sense manteniment, amb un cost operatiu global baix;

• Excel·lent resistència a l'humitat—poden funcionar normalment amb una humitat del 100% i es poden reactivar sense necessitat de presecar després de estar apagats;

• Baixes pèrdues, baixa descàrrega parcial, baix soroll, forta dissipació de calor, i capaços de funcionar al 150% de la càrrega nominal en condicions de refrigeració forçada;

• Equipats amb un sistema complet de protecció i control de temperatura, proporcionant una garantia fiable per a l'operació segura;

• Molt compactes, lleugers, ocupen una superfície reduïda, i tenen un baix cost d'instal·lació.

3.Desavantatges dels Transformadors Secs

• Amb la mateixa capacitat i classificació de tensió, els transformadors secs són més caros que els transformadors immersos en oli;

• La classificació de tensió està limitada—generalment fins a 35 kV, amb alguns models que arriben a 110 kV;

• Generalment utilitzats en interiors; quan s'utilitzen a l'exterior, es requereix una caixa protectora amb un nivell d'estanqueïtat (IP) elevat;

• Per a les bobines de resina col·lida, si s'endeguen, sovint cal escorcollar-les completament, ja que la reparació sol ser difícil.

4. Estructura dels Transformadors Secs

4.1 Bobines
(1) Bobina de tipus capa: Fabricada empilant conductors plans o rodons i enrolant-los en un patró helicoidal per formar diverses capes. S'han col·locat aïllaments o ductes de ventilació entre les capes. La bobina es col·la i cura sota vacum utilitzant un molde i maquinari especialitzat de col·la. Process: enrullament helicoidal en capes → col·locat al molde → col·la sota vacum.

(2) Bobina de tipus full: Fabricada enrotllant conductors fins i llargs, amb un voltant per cada capa. L'aïllament entre capes també serveix com a aïllament entre voltants. Les bobines de full generalment utilitzen ductes de refredament axial: durant l'enrullament, es col·loquen tiraespais a les posicions de voltants designades i després s'eliminen per formar canals d'aire axials. Després de l'enrullament en una màquina d'enrullament de full, la bobina només necessita ser escalfada i curada—no es necessita cap molde ni col·la.

Per què es col·loca l'enrotllament d'alta tensió a la capa exterior i l'enrotllament de baixa tensió a la capa interior?
Perquè el costat de baixa tensió opera amb una tensió més baixa i necessita un menor espai d'aïllament, col·locant-lo més a prop del nucli reduix la distància entre l'enrotllament i el nucli, així reduint la mida total i el cost del transformador. A més, l'enrotllament d'alta tensió sol tenir connexions de derivació; col·locar-lo a l'exterior ho fa més convenient i segur.

4.2 Nucli

• Construït apilant diverses laminacions d'acer siliciós revestit amb vernís aïllant;

• El nucli es pren principalment amb marcades i polsos de prensat;

• Les marcades superiors i inferiors comprimeixen el nucli i els enrotllaments mitjançant barrals o plaques de prensat;

• Els components d'aïllament del nucli inclouen aïllament de marcada, aïllament de polsos o aïllament de plaques de prensat.

Per què s'ha de terra el nucli?
En funcionament normal, el nucli del transformador ha de tenir un i només un punt de terra fiable. Sense aquesta terra, s'originaria una tensió flotant entre el nucli i la terra, provocant descàrregues intermitents des del nucli a la terra. Terra el nucli en un sol punt elimina la possibilitat d'aquesta tensió flotant. 

Tanmateix, si el nucli es terrea en dos o més punts, les diferències de potencial entre seccions del nucli causaran corrents circulars entre els punts de terra, resultant en faults de terra múltiples i sobrecalents localitzats. Aquests faults de terra del nucli poden causar augment de temperatura local sever, potencialment activant el disparador de protecció. En casos extrems, els punts fonits al nucli creen circuits curts entre laminacions, incrementant significativament les pèrdues del nucli i afectant greument el rendiment i operació del transformador—en alguns casos, caldrà reemplaçar les laminacions d'acer siliciós per reparar. Per tant, els transformadors no han de tenir diversos punts de terra; només es permet un i exactament un punt de terra.

5. Sistema de Control de Temperatura

La operació segura i la vida útil d'un transformador sec depèn en gran mesura de la seguretat i fiabilitat de l'aïllament dels enrotllaments. Si la temperatura dels enrotllaments supera el límit tèrmic de resistència de l'aïllament, aquest es deteriorarà—una de les causes principals de fallida del transformador. Per tant, monitoritzar la temperatura d'operació i implementar controls d'alarma i disparador són críticament importants.

(1) Control automàtic de ventiladors: Els senyals de temperatura es mesuren mitjançant detectores de temperatura de resistència Pt100 incrustats en la part més calenta de l'enrotllament de baixa tensió. A mesura que la càrrega del transformador augmenta i la temperatura d'operació augmenta, el sistema inicia automàticament els ventiladors de refrigeració quan la temperatura de l'enrotllament arriba a 110°C, i els atura quan la temperatura disminueix a 90°C.

(2) Alarma de temperatura alta i disparador de sobretemperatura: Els senyals de temperatura dels enrotllaments o del nucli són recollits per termistors no lineals PTC incrustats en l'enrotllament de baixa tensió. Si la temperatura dels enrotllaments continua augmentant i arriba a 155°C, el sistema emet un senyal d'alarma de sobretemperatura. Si la temperatura augmenta encara més fins als 170°C, el transformador ja no pot operar de manera segura, i s'ha de enviar un senyal de disparador de sobretemperatura al circuit de protecció secundari.

(3) Sistema de visualització de temperatura: Els valors de temperatura es mesuren mitjançant termistors Pt100 incrustats en l'enrotllament de baixa tensió i mostren directament la temperatura de cada enrotllament de fase (amb monitorització trifàsica, visualització del valor màxim i registre de la temperatura màxima històrica). El sistema proporciona una sortida analògica de 4–20 mA per la temperatura més elevada. Si es requereix transmissió remota a un ordinador (fins a 1200 metres), es pot equipar amb una interfície d'ordinador i un emissor, permetent la monitorització simultània de fins a 31 transformadors. El senyal del termistor Pt100 també pot activar alarms i disparadors de sobretemperatura, millorant així la fiabilitat del sistema de protecció de temperatura.

6. Caixa de Transformadors Secs

Depenent de les característiques de l'entorn d'operació i els requisits de protecció, els transformadors secs poden estar equipats amb diferents tipus de caixes. Normalment, es selecciona una caixa de classe IP20, que evita l'entrada d'objectes estranys solids més grans de 12 mm de diàmetre i petits animals com ranyes, serps, gats i ocells, evitant així falles severes com circuits curts i tallades de corrent, i proporcionant una barreira de seguretat per a les parts electrificades.

Si el transformador s'ha d'instal·lar a l'exterior, es pot utilitzar una caixa de classe IP23. A més de la protecció oferida per la classe IP20, també evita les gotes d'aigua que cauen en angles fins a 60° respecte de la vertical. Tanmateix, la caixa IP23 reduix la capacitat de refrigeració del transformador, per la qual cosa s'ha de prestar atenció a la reducció de la capacitat d'operació corresponent quan es selecciona aquest tipus de caixa.

7. Mètodes de refrigeració de transformadors de tipus sec

Els transformadors de tipus sec utilitzen dos mètodes de refrigeració: la refrigeració natural d'aire (AN) i la refrigeració forçada d'aire (AF).

Amb la refrigeració natural d'aire, el transformador pot funcionar de manera contínua a la seva capacitat nominal durant un període prolongat.

Amb la refrigeració forçada d'aire, la capacitat de sortida del transformador es pot incrementar en un 50%, fent-lo adequat per a operacions sobrecàrrega intermitents o condicions d'emergència. No obstant això, durant l'operació sobrecàrrega, les pèrdues de càrrega i la tensió d'impedància augmenten significativament, resultant en una operació econòmicament no viable; per tant, s'ha d'evitar una operació sobrecàrrega contínua i prolongada.

8. Proves per a transformadors de tipus sec

• Mesurament de la resistència CC de les bobines:
  Comprova la qualitat de la soldadura dels conductors interns, la condició de contacte entre els canviadors de tàp i els cabdals, i si les resistències de fase estan desequilibrades. Generalment, el desequilibri de resistència entre línia i línia no hauria de superar el 2%, i el desequilibri entre fase i fase no hauria de superar el 4%. Un desequilibri excessiu de la resistència CC pot causar corrents circulars entre les tres fases, augmentant les pèrdues de corrent circular i conduint a efectes indesitjables com el sobrecalentament del transformador.

• Comprovació de la raó de tensió en totes les posicions de tàp:
  Verifica si el nombre de voltes és correcte i si totes les connexions tàp estan cablades correctament. Quan s'apliquen 1000 V al costat d'alta tensió (i les seves diverses tàps), es comprova si el transformador produeix aproximadament 400 V al costat de baixa tensió.

• Comprovació del grup de connexió de les bobines trifàsiques i la polaritat.

• Mesurament de la resistència aïllant dels elements fixadors aïllats del nucli i del propi nucli.

• Mesurament de la resistència aïllant de les bobines:
  Avalua el nivell d'aïllament entre les bobines d'alta tensió, les de baixa tensió i la terra. Normalment, es fa servir un megohmmetre de 2500 V, i els valors mesurats de resistència aïllant (HT–BT, HT–terra, BT–terra) han de superar els valors estandards especificats.

• Prova de tensió alterna de les bobines:
  Avalua la fortalesa principal de l'aïllament entre HT, BT i terra mitjançant proves de resistència dielèctrica. Aquesta prova és decisiva per detectar defectes localitzats introduïts durant la fabricació. Per als transformadors de tipus sec, les tensions de prova habituals són: 35 kV per a la bobina de 10 kV i 3 kV per a la bobina de 0,4 kV, aplicades durant 1 minut sense trencament per considerar-se acceptables.

• Proves de commutació i interbloqueig per als interruptors de tots els costats del transformador:
  Verifica la fiabilitat de les operacions dels relés protectors i confirma que l'equip de commutació està intacte i sense defectes.

9. Prova de commutació impulsiva (inrush)

(1) Quan es desconecta un transformador buit, pot produir-se una sobretensió de commutació. En sistemes elèctrics amb neutre no aterrada o aterrada a través d'una bobina de supressió d'arc, la magnitud de la sobretensió pot arribar a 4–4,5 vegades la tensió de fase; en sistemes amb neutre directament aterrada, pot arribar a 3 vegades la tensió de fase. Per verificar si l'aïllament del transformador pot suportar la tensió total o la sobretensió de commutació, és necessària una prova impulsiva.

(2) L'energització d'un transformador buit produeix una corrent d'inrush magnètica, que pot arribar a 6–8 vegades la corrent nominal. La corrent d'inrush decreix ràpidament inicialment—normalment reduint-se a 0,25–0,5 vegades la corrent nominal en 0,5–1 segon—però el decaïment complet pot trigar molt més, fins a deu segons per a transformadors de gran capacitat. Degut a les grans forces electromagnètiques generades per la corrent d'inrush, la prova impulsiva es realitza per avaluar la fortalesa mecànica del transformador i per avaluat si els relés protectors podrien malfuncionar durant la fase inicial de decaïment de la corrent d'inrush.
Generalment, els transformadors nous instal·lats subiran 5 proves impulsives, mentre que els transformadors revisats subiran 3 proves impulsives.

10. Prova sense càrrega

El propòsit de la prova sense càrrega és:

• Mesurar la pèrdua sense càrrega i la corrent sense càrrega del transformador;

• Verificar si el disseny i la fabricació del nucli compleixen les especificacions tècniques i estàndards;

• Detectar defectes del nucli com el sobrecalentament local o l'aïllament local deficient.

Durant la prova, el costat d'alta tensió queda obert i es li aplica la tensió nominal al costat de baixa tensió. La pèrdua sense càrrega és principalment la pèrdua del nucli (ferro).

Defectes detectables mitjançant la prova sense càrrega inclouen:

• Aïllament deficient entre les laminacions d'acer siliciós;

• Circuits locals curts o danys per cremat entre les laminacions del nucli;

• Falla de l'aïllament en els tirants que travessen el nucli, les cintes d'acer, les plaques de premsa, els yocs superiors, etc., causant circuits curts;

• Laminacions d'acer siliciós sueltos, desalineades o amb intervals d'aire excesius en el circuit magnètic;

• Aterrament múltiple del nucli;

• Circuits curts entre voltas o capes en les bobines, o nombres diferents de voltas en branques paral·leles causant un desequilibri d'ampere-voltas;

• Ús de laminacions d'acer siliciós de pèrdues altes i baixa qualitat o errors en els càlculs de disseny.

11. Prova de curto-circuit

La prova de curtcircuït mesura principalment la pèrdua per curtcircuït i la impedància. Es realitza durant la posada en marxa per verificar la correctesa de l'estructura de les bobines, i després de la substitució de les bobines per comprovar si hi ha desviacions significatives respecte als resultats de proves anteriors.

El subministrament d'energia per a la prova pot ser trifàsic o monofàsic, aplicat al costat d'alta tensió mentre que el costat de baixa tensió està en curtcircuït. Durant la prova, la corrent del costat d'alta tensió es porta al seu valor nominal, i la corrent del costat de baixa tensió s'ajusta per mantenir-se al valor nominal.

12.Gestió de condicions anòmals en transformadors secos

12.1 Soroll anòmal del transformador

• Soroll mecànic causat per:

• Perns de fixació del nucli suaus;

• Deformació de les cantonades del nucli deguda a un maltractament durant el transport o la instal·lació;

• Objectes estranys que connecten parts del nucli;

• Perns de muntatge del ventilador suaus o detritus interiors del ventilador;

• Perns de muntatge de la carcassa suaus que provoquen vibracions i soroll de la placa;

• Perns de fixació de la barra de distribució de baixa tensió suaus o falta de connexions flexibles, provocant vibracions i soroll.

• Tensió d'alimentació d'entrada excessivament alta que provoca sobreexcitació i un soroll de zum més fort.

• Soroll degut a harmònics d'ordre superior: irregular en el patró—variable en volum i present de manera intermitent. Principalment causat per equips generadors d'harmònics (p. ex., forns elèctrics, retificadors de tiristor) al costat d'alimentació o càrrega que alimenten harmònics cap al transformador.

• Factors ambientals: una sala de transformadors petita amb parets suaus crea un efecte resonant de "caixa d'altaveus", amplificant el soroll percebut.

12.2 Indicació anòmala de temperatura

• Sensor no inserit a la presa a l'esquena de la unitat d'indicació de temperatura—la llum indicadora de fal·lia s'encén;

• Connexió suau a la clau del sensor augmenta la resistència, causant lectures de temperatura falsament altes;

• Lectura de temperatura infinita en una fase indica un circuit obert en el fil de resistència de platí del sensor;

• Lectura anormalment alta en una fase suggerix que el resistor de platí està en un estat parcialment trencat (intermitent).

Un transformador opera basant-se en el principi de la inducció electromagnètica. Les principals components d'un transformador són les bobines i el nucli. Durant l'operació, les bobines serveixen com a camí per a la corrent elèctrica, mentre que el nucli serveix com a camí per a la flux magnètic. Quan s'introdueix energia elèctrica a la bobina primària, la corrent alternada crea un camp magnètic alternat al nucli (és a dir, l'energia elèctrica es converteix en energia de camp magnètic). Degut a l'enllaç magnètic (ligadura de flux), el flux magnètic que passa a través de la bobina secundària canvia continuament, induint així una força electromotriu (EMF) a la bobina secundària. Quan es connecta un circuit extern, l'energia elèctrica es lliura a la càrrega (és a dir, l'energia de camp magnètic es converteix de nou en energia elèctrica). Aquest procés de conversió "electricitat-magnetisme-electricitat" es realitza basant-se en el principi de la inducció electromagnètica, i aquest procés de conversió d'energia constitueix el principi de funcionament d'un transformador.