Vysvětlení suchých transformátorů SCB & SGB

1. Úvod

Transformátor funguje na zásadě elektromagnetické indukce. Hlavními komponenty transformátoru jsou cívky a jádro. Během provozu slouží cívky jako cesta elektrického proudu, zatímco jádro slouží jako cesta magnetického toku. Když je elektrická energie zavedena do primární cívky, střídavý proud vytváří střídavé magnetické pole v jádře (tj. elektrická energie se přeměňuje na energii magnetického pole). V důsledku magnetické vazby (tokové vazby) se magnetický tok, který prochází sekundární cívkou, neustále mění, čímž se v sekundární cívlce indukuje elektromotorická síla (EMF). Když je připojen externí obvod, elektrická energie je dodána zátěži (tj. energie magnetického pole se opět přemění zpět na elektrickou energii). Tento proces "elektrina–magnetismus–elektrina" je realizován na základě principu elektromagnetické indukce a tento energetický převod tvoří funkční princip transformátoru.

U1N2 = U2N1

U1: Primární napětí；N1: Počet závitů primární cívky；U2: Sekundární napětí；N2: Počet závitů sekundární cívky

Podle čínské národní normy GB 1094.16 je suchý transformátor jasně definován jako transformátor, jehož jádro a cívky nejsou ponořeny do izolační kapaliny. Jeho izolační a chladicí médium je vzduch. Z širšího hlediska lze suché transformátory rozdělit do dvou hlavních typů: zapouzdřené a s otevřenými cívkami.

• Typ "SC(B)" označuje suchý transformátor s lemovým ulitím (písmeno "B" v označení modelu naznačuje, že cívky jsou vyrobeny z měděného lemu; písmeno "B" v "SG(B)" má stejný význam). Vysokonapěťová cívka je plně zapouzdřena epoxidovým lemem, zatímco níkonapěťová cívka obvykle není úplně ulita epoxidovým lemem – pouze koncové závity jsou uzavřeny epoxidovým lemem (to proto, že strana s nízkým napětím nese vyšší proud a úplné ulití by negativně ovlivnilo odvádění tepla). V současnosti jsou SC(B)-typy suchých transformátorů hlavní produkty na trhu, a tohle článek je analyzuje jako příklad. Většina SC(B)-typů suchých transformátorů má izolaci třídy F, několik má třídu H.

• Typ "SG(B)" je suchý transformátor s otevřenými cívkami, který používá NOMEX izolační papír od společnosti DuPont (USA) k izolaci mezi závity. Níkonapěťová cívka je vyrobena z měděného lemu, a jak vysokonapěťové, tak i níkonapěťové cívky podstoupily VPI (vacuum pressure impregnation) izolační zpracování. Povrch je pokryt vrstvou epoxidového izolačního lakem. Většina SG(B)-typů suchých transformátorů má izolaci třídy H, několik má třídu C.

• Existuje další typ suchého transformátoru, označený jako "SCR(B)", což je zapouzdřený typ, ale neulitý epoxidovým lemem. Je plně zapouzdřen pomocí NOMEX papíru a silikonového gelu na základě francouzské technologie. Tento produkt má velmi omezenou poptávku na trhu. Všechny SCR(B)-typy suchých transformátorů mají izolaci třídy H.

2 Výhody suchých transformátorů

• Bezpečné, odpálné, nepromokavé, explózně bezpečné, bez znečištění a mohou být instalovány přímo v centru zátěže;

• Bez údržby, s nízkými celkovými provozními náklady;

• Vynikající odpornost proti vlhkosti – mohou pracovat za 100% vlhkosti a mohou být znovu zapojeny bez předchozího sušení po vypnutí;

• Nízké ztráty, nízké částečné výboje, nízký hluk, silné odvádění tepla a schopnost pracovat při 150% nominálního zatížení za podmínek přinutěného chlazení vzduchem;

• Opraveny komplexním systémem teplotní ochrany a řízení, poskytující spolehlivé zajištění bezpečného provozu;

• Kompaktní rozměry, lehká hmotnost, malá plocha zabíraná, nízké náklady na instalaci.

3.Nedostatky suchých transformátorů

• Při stejné kapacitě a nominálném napětí jsou suché transformátory dražší než transformátory s olejem;

• Omezěné nominální napětí – obvykle až 35 kV, s několika modelem dosahujícím 110 kV;

• Obecně používány uvnitř budov; při použití venku je potřeba chránit skříní s vysokou stupně ochrany (IP);

• Pro cívky ulité lemem, pokud jsou poškozeny, obvykle je třeba je kompletně sešrotovat, protože oprava je obvykle obtížná.

4. Struktura suchých transformátorů

4.1 Cívky
(1) Cívka vrstevnatá: Vyrábí se složením plochých nebo kulatých vodičů a jejich vinutím v šroubové formě, aby vytvořila několik vrstev. Mezi vrstvami jsou umístěny izolace nebo vzdušné kanály. Cívka je ulita a vycelována pod vakuem pomocí formy a speciálního lisovacího zařízení. Proces: vrstevnaté šroubové vinutí → umístěno do formy → vakuové lisování.

(2) Cívka lemová: Vyrábí se vinutím tenkých a širokých vodičů, s jedním závitem na vrstvu. Mezivrstevní izolace také slouží jako izolace mezi závity. Lemové cívky obvykle používají axiální chladicí kanály: během vinutí jsou v určitých závitech vloženy mezery, které jsou později odebrány, aby vytvořily axiální vzdušné kanály. Po vinutí na stroji na lemové cívky stačí, aby se cívka ohřela a vycelovala – není potřeba forma ani lisování.

Proč je vysokonapěťové vinění umístěno na vnější vrstvě a níkonapěťové vinění uvnitř?
Protože strana s nízkým napětím pracuje při nižším napětí a vyžaduje menší izolační vzdálenosti, její umístění blíže jádru snižuje vzdálenost mezi viněním a jádrem, což snižuje celkovou velikost a náklady transformátoru. Kromě toho vysokonapěťové vinění obvykle má přípojkové styky; jeho umístění na vnější straně způsobuje, že operace jsou pohodlnější a bezpečnější.

4.2 Jádro

• Vytvořeno složením mnoha laminací z křemíku oceli potažených izolačním lakem;

• Jádro je převážně stlačeno pomocí klešťovacích rámu a klešťovacích šroubů;

• Horní a dolní klešťovací rám stlačují jádro a vinění prostřednictvím spojovacích tyčí nebo desek;

• Izolační komponenty jádra zahrnují izolaci rámu, izolaci šroubů nebo izolaci desek.

Proč musí být jádro uzeměno?
Během normálného provozu musí mít jádro transformátoru jediný a pouze jeden spolehlivý bod uzemění. Bez uzemění by se mezi jádrem a zemí vyvinulo plavající se napětí, což by vedlo k pravidelným poruchovým výbojkám jádra do země. Uzemění jádra v jednom bodě eliminuje možnost plavajícího se potenciálu. 

Pokud je však jádro uzeměno ve dvou nebo více bodech, nerovnoměrné potenciály mezi částmi jádra způsobí cirkulační proudy mezi body uzemění, což vede k poruchám v důsledku vícevrcholového uzemění a lokálnému přetopení. Takové poruchy v uzemění jádra mohou způsobit značné lokální zvýšení teploty, což může aktivovat ochranné vypnutí. V extrémních případech mohou na jádru vzniknout roztavená místa, která vytvoří krátké spojení mezi laminacemi, což značně zvýší ztráty v jádru a vážně ovlivní výkonnost a provoz transformátoru - někdy je tedy nutné nahradit laminace křemíkové oceli pro opravu. Proto nesmí mít transformátory více bodů uzemění; povolen je pouze jeden a přesně jeden bod uzemění.

5.Systém kontroly teploty

Bezpečný provoz a životnost suchého transformátoru z velké míry závisí na bezpečnosti a spolehlivosti izolace vinění. Pokud teplota vinění překročí termickou odolnost izolace, izolace se poškodí - to je jedním z hlavních důvodů selhání transformátoru. Proto je kriticky důležité sledovat provozní teplotu a implementovat alarmové a vypínačové řízení.

(1) Automatické řízení ventilátoru: Teplotní signály jsou změřeny Pt100 odporovými teplotními čidly zabudovanými do nejteplejší části níkonapěťového vinění. S rostoucím zatížením transformátoru a zvýšením provozní teploty systém automaticky spustí chladicí ventilátory, když teplota vinění dosáhne 110°C, a zastaví je, když teplota klesne na 90°C.

(2) Alarm při vysoké teplotě a vypnutí při přetopení: Teplotní signály z vinění nebo jádra jsou shromažďovány PTC nelineárními termistory zabudovanými do níkonapěťového vinění. Pokud teplota vinění dále stoupá a dosáhne 155°C, systém vydá signál alarmu při přetopení. Pokud teplota dále stoupne na 170°C, transformátor již nemůže pracovat bezpečně, a musí být vyslán signál k vypnutí při přetopení do sekundárné ochranné obvodu.

(3) Systém zobrazení teploty: Teplotní hodnoty jsou změřeny Pt100 termistory zabudovanými do níkonapěťového vinění a přímo zobrazují teplotu každé fázové vinění (s monitorováním tří fází, zobrazováním maximální hodnoty a záznamem historického vrcholu teploty). Systém poskytuje analogový výstup 4–20 mA pro nejvyšší teplotu. Pokud je potřeba vzdálené přenos do počítače (až do 1200 metrů), lze ho vybavit rozhraním počítače a jedním vysílačem, umožňující současnou kontrolu až 31 transformátorů. Signál Pt100 termistoru může také aktivovat alarma a vypnutí při přetopení, což dále zvyšuje spolehlivost systému ochrany proti přetopení.

6. Obal suchých transformátorů

V závislosti na charakteristice pracovního prostředí a požadavcích na ochranu lze suché transformátory vybavit různými typy obalu. Typicky se vybírá obal s označením IP20, který brání proniknutí tuhých cizorodých objektů větších než 12 mm v průměru a malých zvířat jako jsou krysy, hadi, kočky a ptáci do transformátoru, což prevence závažných poruch jako krátké spojení a výpadky proudu, a poskytuje bezpečnostní bariéru živým částem.

Pokud je transformátor nutné instalovat venku, lze použít obal s označením IP23. Kromě ochrany nabízené IP20 brání také kapkám deště padajícím pod úhlem až 60° od svislé osy. Nicméně, obal IP23 snižuje chladicí schopnost transformátoru, proto je třeba při výběru tohoto typu obalu upozornit na snížení jeho provozní kapacity.

7. Chlazení suchých transformátorů

Suché transformátory používají dvě metody chlazení: přirozené vzduchové chlazení (AN) a vynucené vzduchové chlazení (AF).

Při přirozeném vzduchovém chlazení může transformátor dlouhodobě pracovat na svém nominálním výkonu.

Při vynuceném vzduchovém chlazení se výkon transformátoru může zvýšit o 50 %, což ho činí vhodným pro občasné přetížení nebo nouzové přetížení. Však během provozu s přetížením se ztráty na zatížení a impedanční napětí značně zvyšují, což vedou k neekonomickému provozu; proto by se mělo vyhnout dlouhodobému přetížení.

8. Testy suchých transformátorů

• Měření stejnosměrného odporu vinutí:
  Prověřuje jakost svařování vnitřních vodičů, stav kontaktu mezi stupňovačem a vedeními a zda jsou fázové odpory vyváženy. Obecně by nerovnováha odpornosti mezi fázemi neměla přesahovat 2 %, a mezi fázemi 4 %. Příliš velká nerovnováha stejnosměrného odporu může způsobit cirkulační proudy mezi třemi fázemi, což zvýší ztráty cirkulačního proudu a může vést k nežádoucím efektům jako přehřátí transformátoru.

• Kontrola poměru napětí ve všech polohách stupňovače:
  Verifikuje správnost počtu otáček a zda jsou všechny spojení stupňovače správně provedena. Když se na vysokonapěťovou stranu (a její různé stupně) aplikuje 1000 V, kontroluje se, zda transformátor na nízkonapěťové straně vypisuje přibližně 400 V.

• Kontrola skupiny spojení třífázového vinutí a polaritu.

• Měření izolačního odporu izolovaných pevných spojů jádra a samotného jádra.

• Měření izolačního odporu vinutí:
  Hodnotí úroveň izolace mezi vysokonapěťovým, nízkonapěťovým vinutím a zemí. Typicky se používá megohmmetr 2500 V, a měřené hodnoty izolačního odporu (VN–NN, VN–země, NN–země) musí překročit specifikované standardní hodnoty.

• Test stálého napětí na vinutích:
  Hodnotí hlavní sílu izolace mezi VN, NN a zemí prostřednictvím testu dielektrické síly. Tento test je rozhodující pro detekci lokalizovaných vad zavedených během výroby. Pro suché transformátory jsou typická testovací napětí: 35 kV pro vinutí 10 kV a 3 kV pro vinutí 0,4 kV, každé aplikované po dobu 1 minuty bez poruchy, aby bylo považováno za přijatelné.

• Test přepínání a zapnutí spínačů na všech stranách transformátoru:
  Verifikuje spolehlivost operací ochranných relé a potvrzuje, že přepínací zařízení je nepoškozené a bez vad.

9. Test impulsního přepínání (vstupní impuls)

(1) Při odpojování nezatíženého transformátoru může dojít k přepínacímu přetlaku. V elektrických systémech s nezazeměným neutrálem nebo neutrálem zazeměným přes drcící cívku může velikost přetlaku dosáhnout 4–4,5 násobku fázového napětí; v systémech s přímým zazeměním neutrálu může dosáhnout až 3 násobku fázového napětí. Aby bylo ověřeno, zda izolace transformátoru unese plné napětí nebo přepínací přetlaky, je vyžadován impulsní test.

(2) Při zapínání nezatíženého transformátoru se produkuje magnetizační vstupní proud, který může dosáhnout 6–8 násobku nominálního proudu. Vstupní proud rychle klesá na začátku – obvykle se snižuje na 0,25–0,5 násobek nominálního proudu během 0,5–1 sekundy – ale kompletní vyhasnutí může trvat mnohem déle, až desítky sekund u transformátorů s velkou kapacitou. Díky velkým elektromagnetickým silám generovaným vstupním proudem se provádí impulsní test, aby byla hodnocena mechanická pevnost transformátoru a zjištěno, zda ochranná relé mohou nefunkčně fungovat během rané fáze vyhasnutí vstupního proudu.
Obecně podléhají nově instalované transformátory 5 impulsním testům, zatímco opravené transformátory 3 impulsním testům.

10. Test bez zatížení

Cílem testu bez zatížení je:

• změřit ztráty a proudy transformátoru bez zatížení;

• ověřit, zda návrh a výroba jádra splňují technické specifikace a normy;

• detekovat vady jádra, jako jsou lokální přehřevy nebo špatná lokální izolace.

Během testu je vysokonapěťová strana otevřena a na nízkonapěťovou stranu je aplikováno nominální napětí. Ztráty bez zatížení jsou primárně ztráty jádra (železa).

Defekty detekovatelné pomocí testu bez zatížení zahrnují:

• špatnou izolaci mezi laminacemi z křemenitého železa;

• lokální krátké spojení nebo spálení mezi laminacemi jádra;

• selhání izolace v propustkách jádra, ocelových vazbách, stlačovacích deskách, horních yokech atd., způsobující krátké spojení;

• volné, nesprávně zarovnané laminace z křemenitého železa nebo příliš velké vzduchové mezery v magnetickém okruhu;

• vícebodové zazemění jádra;

• krátké spojení mezi vytáčky nebo vrstvami vinutí, nebo nerovnoměrný počet otáček v paralelních větvích způsobující nerovnováhu ampérských otáček;

• použití vysokoúčinných, nízkokvalitních laminací z křemenitého železa nebo chyby v návrhových výpočtech.

11.Test při krátkém spojení

Zkušební zátěž krátkým spojením primárně měří ztráty při krátkém spojení a impedanci. Provede se při uvedení do provozu k ověření správnosti vytvoření cívek, a po jejich výměně k zjištění významných odchylek od předchozích výsledků zkoušky.

Zdroj napájení pro zkoušku může být třífázový nebo jednofázový, aplikovaný na vysokonapěťovou stranu, zatímco níkonapěťová strana je krátko spojena. Během zkoušky se proud na vysokonapěťové straně zvýší na jmenovitou hodnotu, a proud na níkonapěťové straně se řídí tak, aby zůstal na jmenovité hodnotě.

12.Zpracování neočekávaných stavů suchých transformátorů

12.1 Neočekávaný hluk transformátoru

• Mechanický hluk způsobený:

• Uvolněnými šrouby stlačujícími jádro;

• Deformací rohů jádra způsobenou špatnou manipulací při transportu nebo instalaci;

• Cizími předměty, které propojují části jádra;

• Uvolněnými šrouby montáže větráku nebo cizími látkami uvnitř větráku;

• Uvolněnými šrouby montáže obalu, způsobující vibrace a hluk panelu;

• Uvolněnými šrouby fixace níkonapěťové sběrné lišty nebo chybějícími pohyblivými spoji, vedoucí k vibracím a hluku.

• Příliš vysoké napětí zdroje způsobující přepínání a hlasitější brumot.

• Hluk vyšší harmonické složky: nepravidelný vzor – mění se v intenzitě a je průběžně přítomný. Hlavně způsoben zařízeními generujícími harmonické složky (např., elektrickými pecemi, thyristorovými rectifikátory) na straně zdroje nebo zatížení, které harmonické složky zpětně vrací do transformátoru.

• Vliv prostředí: malá místnost s hladkými stěnami vytváří rezonanční efekt "boxu reproduktoru", což zesiluje vnímaný hluk.

12.2 Neočekávané zobrazení teploty

• Senzor není zapojen do zásuvky na zadní straně zobrazovacího jednotky teploty – světlo indikátoru chyby se rozsvítí;

• Uvolněné spojení na zapojce senzoru zvyšuje odpor, což způsobuje falešně vysoké čtení teploty;

• Neomezené čtení teploty na jedné fázi naznačuje přerušení v platinovém odporniku senzoru;

• Výrazně vysoké čtení na jedné fázi naznačuje, že platinový odporník je v částečně porušeném (intermitentním) stavu.

Transformátor funguje na principu elektromagnetické indukce. Základními komponenty transformátoru jsou cívky a jádro. Během provozu slouží cívky jako cesta elektrickému proudu, zatímco jádro slouží jako cesta magnetickému toku. Když se elektrická energie podává do primární cívky, střídavý proud vytváří střídavé magnetické pole v jádře (tj. elektrická energie se přeměňuje na energii magnetického pole). V důsledku magnetické vazby (tok magnetického fluxu) projíždí magnetický flux sekundární cívkou nepřetržitě, což způsobuje indukci elektromotorické síly (EMF) ve sekundární cívce. Když se připojí vnější obvod, elektrická energie se doručuje zátěži (tj. energie magnetického pole se opět přemění na elektrickou energii). Tento proces "elektrina–magnetismus–elektrina" je realizován na základě principu elektromagnetické indukce, a tento energetický převodový proces tvoří pracovní princip transformátoru.