SCB & SGB kuumakypärätransformatorit selitetty

1. Johdanto

Muuntaja toimii sähkömagneettisen induktioperiaatteen perusteella. Muuntajan pääkomponentit ovat kytkennät ja ydin. Toiminnassa kytkennät toimivat sähkövirran polkuna, kun taas ydin toimii magneettifluksin polkuna. Kun sähköenergiaa syötetään primäärikytkentään, vaihtovirta luo vaihtuvan magneettikentän ytimeen (eli sähköenergia muuntuu magneettikenttäenergiaksi). Magneettiyhteyden (fluksiyhteyden) vuoksi magneettifluksissa, joka kulkee sekundäärikytkennän läpi, tapahtuu jatkuvia muutoksia, mikä aiheuttaa sähkömotorisena voiman (EMF) sekundäärikytkennään. Kun ulkoinen piiri on yhdistetty, sähköenergiaa tuodaan kuormalle (eli magneettikenttäenergia muuntuu takaisin sähköenergiaksi). Tämä "sähkö–magneetti–sähkö" -muunnosprosessi toteutetaan sähkömagneettisen induktioperiaatteen perusteella, ja tämä energiamuunnosprosessi muodostaa muuntajan toimintaperiaatteen.

U1N2 = U2N1

U1: Primäärijännite；N1: Primäärikytkennän kierrosten määrä；U2: Sekundäärijännite；N2: Sekundäärikytkennän kierrosten määrä

Kiinan kansallisen standardin GB 1094.16 mukaan kuiva muuntaja on selvästi määritelty muuntajaksi, jonka ydin ja kytkennät eivät ole upotettu eristävään nesteeseen. Sen eristys- ja jähdytysväline on ilma. Laajemmin ottaen kuivat muuntajat voidaan jakaa kahteen päätyyppiin: tiivistettyihin ja avoimeen kytkentään.

• "SC(B)"-tyyppi viittaa epoksiharjakastelluun kuivaan muuntajaan (merkkimerkinnössä "B" tarkoittaa, että kytkennät on tehty kuparilevyistä; "SG(B)"-merkinnössä "B" tarkoittaa samaa). Korkeajännitekytkennä on kokonaan tiivistetty epoksiharjalla, kun taas alijännitekytkennä ei yleensä ole kokonaan kasteltu epoksiharjalla—vain päätepisteet on suljettu epoksiharjalla (tämä johtuu myös siitä, että alijännitesivulla kulkee korkeampi virta, ja täysi kastelu vaikuttaisi haitallisesti lämpövuotoon). Nykyisin SC(B)-tyypin kuivat muuntajat ovat markkinoiden päävalmiste, ja tässä artikkelissa käytetään niitä esimerkkinä analysointiin. Useimmat SC(B)-tyypin muuntajat ovat luokka F:n eristysluokkaa, mutta osa on luokiteltu luokka H:ksi.

• "SG(B)"-tyyppi on avoin kytkentäkuiva muuntaja, jossa käytetään DuPontin (Yhdysvallat) NOMEX-eristepapua kierroksen välisten eristystarpeiden tyyppiin. Alijännitekytkennä on tehty kuparilevyistä, ja molemmat korkeajännite- ja alijännitekytkennät käsitellään VPI (vakiovirta-impregnaatio) -eristyksen avulla. Pinta on maalattu kerroksella epoksiharjaeristysmaalia. Useimmat SG(B)-tyypin kuivat muuntajat ovat luokka H:n eristysluokkaa, mutta osa on luokiteltu luokka C:ksi.

• On olemassa toinen kuivan muuntajan tyyppi, joka on merkitty "SCR(B)", se on tiivistetty tyypi, mutta ei kastellu epoksiharjalla. Se on tiivistetty kokonaan NOMEX-papuilla ja silikonigelilla Ranskan teknologian perusteella. Tämän tuotteen kysyntä on hyvin rajoitettua. Kaikki SCR(B)-tyypin kuivat muuntajat ovat luokka H:n eristysluokkaa.

2 Kuivien muuntajien edut

• Turvallisia, palamisvaikeuttavia, palopuolustuskykyisiä, räjähteenvaikeuttavia, saasteita vältteleviä ja asennettavissa suoraan kuorman keskipisteeseen;

• Huoltovapaat, yleiset toimintakustannukset pienet;

• Erinomainen kosteuseristys—toimii normaalisti 100 % kosteudessa ja voidaan uudelleen kytkiä ilman ennakkokuivattamista sammutuksen jälkeen;

• Pienet häviöt, pieni osittainen vapautuminen, vähän melua, vahva lämpövuoto, ja kyky toimia 150 % suorituskykyisestä kuormasta pakollisen ilmajäähdytystä sovellettaessa;

• Varustettu kattavalla lämpösuojauksella ja -ohjelmistolla, tarjoaa luotettavan turvallisuuden toiminnalle;

• Kompakti koko, kevyt paino, pieni varausala ja pienet asennuskustannukset.

3.Kuivien muuntajien haitat

• Samalla kapasiteetilla ja jänniteluokalla kuivat muuntajat ovat kalliimpia öljyupotetuista muuntajista;

• Jänniteluokka on rajoitettu—yleensä enintään 35 kV, vain muutamilla malleilla saavutetaan 110 kV;

• Yleensä käytetään sisätiloissa; ulkoilmoissa käytettäessä tarvitaan suojakuoretta, jolla on korkea suojaluokka (IP);

• Harjakastelluille kytkennyksille, jos ne vahingoittuvat, ne usein tarvitsevat kokonaisuudessaan romutuksen, koska korjaus on yleensä vaikeaa.

4. Kuivien muuntajien rakenne

4.1 Kytkennät
(1) Kerrosrakenne: Tehdään tasaisilla tai pyöreillä johtoilla ja kytkemällä ne spiraalipituudesta muodostamaan useita kerroksia. Kerrosten välissä on eristys tai ilmaputket. Kytkentä kastetaan ja kypsetetään vakio-olosuhteissa mallin ja erityisten kastelujärjestelmien avulla. Prosessi: kerrostettu spiraalikytkentä → laitetaan malleihin → vakiovakio-kastelu.

(2) Foilirakenne: Tehdään ohuilla, leveillä johtoilla, yksi kierros per kerros. Kerroskerroksen eristys toimii myös kierroksen välisenä eristyksenä. Foiliryhmät yleensä käyttävät aksiaalista jähdytysputkea: kytkennässä välimuodot lisätään määritettyihin kierrokseen ja poistetaan myöhemmin muodostaakseen aksiaalisen ilmakuljetuksen. Kytkennän jälkeen foilikoneella, kytkentä tarvitsee vain lämmittää ja kypsetä—ei tarvita mallia tai kastelua.

Miksi korkean jännitteen kytkentä sijoitetaan ulkoiseen kerrokseen ja matalan jännitteen kytkentä sisäiseen kerrokseen?
Koska matalajännitepuoli toimii alhaisemmalla jännitteellä ja vaatii pienemmän eristysvälin, sen sijoittaminen lähemmäs ydinmekaanista vähentää etäisyyttä kytkennän ja ytimen välillä, mikä vähentää koko muuntajan kokoa ja kustannuksia. Lisäksi korkeajännitekytkennällä on usein napayhteystoimintoja; sen sijoittaminen ulkopuolelle tekee käytöstä helpompaa ja turvallisempaa.

4.2 Ydin

• Rakennettu pinomalla monia silikoniterälehtiä, jotka on maalattu eristysmaalin kanssa;

• Ydin painetaan pääasiassa kiinnitysraidoilla ja -nauhoilla;

• Ylä- ja alakiinnitysraida puristavat ydintä ja kytkennöitä sidonta-putkien tai -levyjen kautta;

• Ydin eristyskomponentit sisältävät rakenneraidan eristyksen, nauhon eristyksen tai sidontalevyn eristyksen.

Miksi ydin täytyy maata?
Normaalin toiminnon aikana muuntajan ydissä täytyy olla vain yksi luotettava maapiste. Ilman maamista ytimessä ja maassa voisi kehittyä liukuvirta, mikä johtaisi väliaikaisiin sähkökatkaisuihin ydiltä maahan. Ydin maamisella yhdellä pisteellä poistetaan mahdollisuus liukuvirtaan. 

Jos ydin maataan kahdella tai useammalla pisteellä, epätasainen potentiaali ydinosa-alueiden välillä aiheuttaa virtakierrosten muodostumisen maapisteiden välillä, mikä johtaa monipisteisiin maamivirheisiin ja paikalliseen ylikuumenemiseen. Tällaiset ydin maamivirheet voivat aiheuttaa vakavan paikallisen lämpötilan nousun, mikä saattaa laukaista suoja-kuorman. Äärimmäisissä tapauksissa ytimessä syntyvät sulaneet pisteet luovat lyhytkatkaisuja lehtienvälillä, mikä lisää huomattavasti ydinmenetyksiä ja vaikuttaa vakavasti muuntimen suorituskykyyn ja toimintaan—jossain tapauksissa tarvitaan silikoniterälehtien korvaaminen korjauksen toteuttamiseksi. Siksi muuntimessa ei saa olla useita maapisteitä; sallittu on vain yksi ja tasan yksi maapiste.

5. Lämpötilavalvontajärjestelmä

Kuiva-muuntimen turvallinen toiminta ja käyttöikä riippuvat suuresti kytkennän erityksen turvallisuudesta ja luotettavuudesta. Jos kytkennän lämpötila ylittää erityksen lämpökestokyvyn, eritys tuhoutuu—tämä on yksi pääsyy muuntimen virheille. Siksi on erittäin tärkeää seurata toimintalämpötilaa ja ottaa käyttöön hälytys- ja katkaisuvalvonta.

(1) Automaattinen tuuletinohjaus: Lämpötilasignaalit mitataan Pt100-resistanssilämpömittareilla, jotka on upotettu matalajännitekytkennän kuumaan osaan. Kun muuntimen kuormitus kasvaa ja toimintalämpötila nousee, järjestelmä käynnistää automaattisesti jähdyttävät tuuletinvaiheet, kun kytkennän lämpötila saavuttaa 110°C, ja pysäyttää ne, kun lämpötila laskee 90°C:n tasolle.

(2) Korkean lämpötilan hälytys ja ylikuumentuminen katkaisu: Lämpötilasignaalit kytkennästä tai ytimestä kerätään PTC-ei-lineaaristen termistorien avulla, jotka on upotettu matalajännitekytkennän kuumaan osaan. Jos kytkennän lämpötila jatkaa nousua ja saavuttaa 155°C, järjestelmä antaa ylikuumentumishälytysmerkin. Jos lämpötila nousee edelleen 170°C:een, muuntin ei voi enää toimia turvallisesti, ja ylikuumentumiskatkaisumerkki on lähetettävä sekundääriseen suojakiekoon.

(3) Lämpötilanäyttöjärjestelmä: Lämpötilaarvot mitataan Pt100-termistoreilla, jotka on upotettu matalajännitekytkennän kuumaan osaan, ja näyttävät suoraan jokaisen vaiheen kytkennän lämpötilan (kolmivaiheinen valvonta, maksimiarvon näyttö ja historiallisen huippulämpötilan tallentaminen). Järjestelmä tarjoaa 4–20 mA-analogisen lähteen korkeimmalle lämpötilalle. Jos pitkämatkaista tietokoneeseen lähetettävä signaali on tarpeen (jopa 1200 metriä), voidaan varustaa tietokoneen rajapinnalla ja yhdellä siirtolaitteella, mikä mahdollistaa samanaikaisen valvonnan jopa 31 muuntimesta. Pt100-termistorisignaali voi myös aktivoitua ylikuumentumishälytyksiin ja katkaisuihin, mikä parantaa lämpötilasuojajärjestelmän luotettavuutta.

6. Kuivamuuntimen kotelu

Kuivamuuntimiin voidaan asentaa erilaisia koteluja riippuen toimintaympäristön ominaisuuksista ja suojaukselta asetetuista vaatimuksista. Yleensä valitaan IP20-suosituksen mukainen kotelu, joka estää yli 12 mm halkaisijan pehmeät vieraslappaset ja pieneläimet, kuten rotut, madot, kissat ja linnut, pääsemästä muuntimeen, mikä välttää vakavia virheitä, kuten lyhytkatkaisuja ja sähkökatkoksia, ja tarjoaa turvaverkon levottomille osille.

Jos muuntimen on asennettava ulkona, voidaan käyttää IP23-suosituksen mukaista kotelua. Lisäksi IP20-suojauksen lisäksi se estää vesipisarat, jotka putoavat korkeintaan 60° vaakatasosta. Kuitenkin IP23-kotelu vähentää muuntimen jähdytyskykyä, joten on huomioitava muuntimen toimintakyvyn alentaminen sen valitessa tällaisen kotelun.

7. Kuivatransformatorien jähdytysmenetelmät

Kuivatransformatorit käyttävät kahta jähdytysmenetelmää: luonnollista ilmajähdytystä (AN) ja pakotettua ilmajähdytystä (AF).

Luonnollisen ilmajähdytyksen alla transformaattori voi toimia jatkuvasti sen asetettuna kapasiteetissa pitkään aikaan.

Pakotetun ilmajähdytyksen alla transformaattorin tuotantojoustavuus voidaan lisätä 50%, mikä tekee siitä sopivan väliaikaisen ylilatauksen tai hätätilanteiden käsittelyyn. Kuitenkin ylilatauksella toiminnassa kuormitusvuodet ja impedanssispannukset kasvavat huomattavasti, mikä tekee toiminnasta epäedullisen; siksi pitkä jatkuva ylilatauksella toiminta tulisi välttää.

8. Testauskohteet kuivatransformatorille

• Virtakaapelien suoravirtarresistenssin mittaaminen:
  Tarkistaa sisäisten johtojen hitsauslaadun, tapansiirtojen ja johtojen välisen kontaktin sekä vaiheiden resistenssien tasapainon. Yleisesti linja-linja-resistenssin epätasapaino ei saa ylittää 2 %, ja vaihe-vaihe-epätasapaino ei saa ylittää 4 %. Liian suuri suoravirtarresistenssin epätasapaino voi aiheuttaa kierrontavirtoja kolmessa vaiheessa, mikä lisää kierrontavirtahäviöitä ja johtaa epäsuotuisiin vaikutuksiin, kuten transformaattorin ylikuumenemiseen.

• Tarkista jänniteosamäärä kaikissa tappisijoin:
  Varmistaa oikean pitoisuuden ja kaikkien tappiyhteyksien oikean kytkennän. Kun sovitetaan 1000 V korkeajännitelaidalle (ja sen eri tappisijoille), tarkista, että transformaattori tuottaa noin 400 V alijännitelaidalla.

• Tarkista kolmivaiheinen sylinteriryhmä ja polariteetti.

• Mittaile ruostevaimuksen sylinteriä ja itse ruostevaimuksen eristyssävyys.

• Mittaile sylinterien eritysresistenssiä:
  Arvioi eritystä korkeajännitteisen, alijännitteisen sylinterin ja maan välillä. Yleisesti käytetään 2500 V megaohmmimetria, ja mitatut eritysresistenssiarvot (HV–LV, HV–maa, LV–maa) on oltava suurempia kuin määritellyt standardiarvot.

• Sylinterien vaihtovirtarupputestaus:
  Arvioi pääeritystä korkeajännitteisen, alijännitteisen sylinterin ja maan välillä dielektrisen testauksen avulla. Tämä testi on ratkaiseva paikallisten valmistuksen aikana syntyneiden defektioiden havaitsemisessa. Kuivatransformatorien typiikaniset testijännitteet ovat: 35 kV 10 kV sylinterille ja 3 kV 0.4 kV sylinterille, jokainen sovellettu 1 minuutin ajan ilman rikkoutumista.

• Kaikkien transformaattorin puolten sulkuvalvojien sulku- ja lukitustestaus:
  Varmistaa suojauskuluttimien toiminnan luotettavuuden ja vahvistaa, että sulkuvälineet ovat kunnossa ja vialittaista.

9. Impulssisulku (riskyys) testi

(1) Tyhjän transformaattorin kytkentä pois aiheuttaa mahdollisesti sulkuylivirtauksen. Järjestelmissä, joissa neutraali on joko kytketty maahan tai maanjäristyksen kautta, ylivirtauksen suuruus voi saavuttaa 4–4.5 kertaa vaihejännitteen; järjestelmissä, joissa neutraali on suoraan kytketty maahan, se voi saavuttaa jopa 3 kertaa vaihejännitteen. Tarkastellaakseen, kestääkö transformaattorin eritys täysi jännite tai sulkuylivirtaus, tarvitaan impulssitestaus.

(2) Tyhjän transformaottorin virkistäminen tuottaa magnetisoivaan riskyyden, joka voi saavuttaa 6–8 kertaa asetetun sähkövirtauksen. Riskyys virta laskee nopeasti alussa – tyypillisesti se laskee 0.25–0.5 kertaa asetettuun sähkövirtaukseen 0.5–1 sekunnin kuluessa – mutta täydellinen lasku voi kestää paljon pidempään, jopa useita kymmeniä sekunteja suurelle kapasiteetille. Riskyys virta tuottaa suuria sähkömagneettisia voimia, joista impulssitestaus arvioi transformaattorin mekaanista kestävyyttä ja tutkii, voisiko suojauskuluttimet virheellisesti toimia riskyys virtan alussa.
Yleisesti uudet transformaattorit käyvät läpi 5 impulssitestiä, kun taas remontoitujen transformaattoreiden käsittelyyn tarvitaan 3 impulssitestiä.

10. Epävarastoitu testi

Epävarastoitu testin tarkoitus on:

• Mittaa transformaattorin varastovihollisuus ja varastovirta;

• Varmista, että ruostevaimuksen suunnittelu ja valmistus vastaavat teknisiä määritelmöintejä ja standardeja;

• Havaita ruostevaimuksen defektejä, kuten paikallinen ylikuumeneminen tai heikko paikallinen eritys.

Testissä korkeajännitelaidan on oltava suljettu silmukka, ja asetettu jännite sovelletaan alijännitelaidan kautta. Varastovihollisuus on pääasiassa ruostevaimuksen (teräksen) vihollisuus.

Defektit, jotka voidaan havaita varastotestin kautta, sisältävät:

• Heikko eritys sinkkiäpin leikateiden välillä;

• Paikalliset lyhyyskuljetukset tai poltto vaurioita ruostevaimuksen leikateiden välillä;

• Erityksen epäonnistuminen ruostevaimuksen läpi kulkevissa nippuissa, teräs-sidonnissa, painelevyissä, yläkylissä jne., mikä aiheuttaa lyhyyskuljetuksia;

• Lohdottomat, väärästi asetetut sinkkiäpin leikat tai liian suuret ilmakappaleet magneettisessa piirissä;

• Ruostevaimuksen monipisteen maajäristys;

• Lyhyyskuljetukset tai -kerrosten välillä sylinterissä, tai epätasapaino ampere-kierroksissa paralleelinopeissa aiheuttamalla;

• Korkean vihollisuuden, alhaislaatuisen sinkkiäpin käyttö tai virheitä suunnittelulaskelmissa.

11.Lyhytkircuitointitestaus

Lyhyyskokeella mitataan pääasiassa lyhyyskuormahäviöt ja impedanssi. Sitä suoritetaan käyttöönoton yhteydessä varmistaaksemme vijauksen rakenteen oikeellisuuden sekä vijauksen vaihdettua tarkistamaan merkittäviä poikkeamia aiemmista koetuloksista.

Koepotentiaali voi olla kolmivaiheinen tai yksivaiheinen, joka kytketään korkean napajännitepuolen päähän, kun matala napajännitepuoli on lyhennetty. Koetta suorittaessa korkean napajännitepuolen virta nostetaan sen nimitilavirtaan, ja matalan napajännitepuolen virta ohjataan pysymään nimitilavirtana.

12.Kuiva-tyyppisten muuntimien epänormaalien tilanteiden käsittely

12.1 Epänormali muuntimen ääni

• Mekaaninen melu, joka johtuu:

• Lepotuilla kiinnitysviivaimilla;

• Ytimen kulmien muodostumiseen liittyvistä vahingoista kuljetuksen tai asennuksen aikana;

• Vieraat esineet, jotka siltavat osia ytimessä;

• Lepotuilla tuuletuslaitteen kiinnitysviivaimilla tai vieraat esineet tuuletuslaitteessa;

• Lepotuilla asennuslaatikon kiinnitysviivaimilla, jotka aiheuttavat paneelin värähtelyn ja melun;

• Lepotuilla matalan napajännitepuolen busbarin kiintämisperillä tai puutteellisilla joustavilla yhteyksillä, mikä johtaa värähtelyyn ja meluun.

• Liian korkea syöttövirta aiheuttaa ylivihkutuksen ja kovemman suminaisen melun.

• Melu korkeammalta harmonialta: säännöllisyys on epäsäännöllistä—melun voimakkuus vaihtelee ja se on välillä läsnä. Pääasiassa aiheutuu harmoonisia signaaleja tuottavasta laitteistosta (esim. sähköpeitat, thyristorirectifierejä) syöttö- tai kuormapuolella, jotka tuovat harmoniat takaisin muuntimeen.

• Ympäristötekijät: pieni muuntimenhuone, jonka seinät ovat sileitä, luo resonanssin "kaiuttimelaatikon" vaikutuksen, joka vahvistaa havaittavaa melua.

12.2 Epänormali lämpötilanäyttö

• Anturi ei ole upotettu lämpötilanäyttölaitteen takaosan pistoon—virheen ilmaisin valaisee;

• Lepotuilla anturin pistokkeessa kasvaa vastus, mikä aiheuttaa virheellisesti korkeita lämpötilalukuja;

• Ääretön lämpötilaluku yhdellä vaiheella viittaa avoimeen piiriin anturin platinaresistanssivoimassa;

• Epänormaalisti korkea lukema yhdellä vaiheella viittaa siihen, että platinaresistori on osittain rikki (väliaikainen tila).

Muuntin toimii sähkömagneettisen induktioperiaatteen perusteella. Muuntimen päärakenteet ovat vijaukset ja ydin. Toiminnassa vijaukset toimivat sähkövirtausten polkuna, kun taas ydin toimii magneettifluxin polkuna. Kun sähköenergia annetaan primääripuolen vijaukseen, vaihtovirta luo vaihtuvan magneettikentän ytimeen (eli sähköenergia muuntuu magneettikenttäenergiaksi). Magneettikytkeytyksen (fluxinkytkeytyksen) vuoksi magneettifluxi, joka kulkee sekundääripuolen vijauksen läpi, muuttuu jatkuvasti, mikä aiheuttaa sähkömotoriivirran (EMF:n) sekundääripuolen vijauksessa. Kun ulkoiset piirit yhdistetään, sähköenergia toimitetaan kuormalle (eli magneettikenttäenergia muuntuu uudelleen sähköenergiaksi). Tämä "sähkö–magneetti–sähkö" -muunnosprosessi toteutetaan sähkömagneettisen induktioperiaatteen perusteella, ja tämä energiamuunnosprosessi muodostaa muuntimen toiminnan periaatteet.