SCB i SGB sušni transformatori objašnjeni

1. Uvod

Transformator funkcionira na principu elektromagnetske indukcije. Glavni komponenti transformatora su zavojnice i jezgra. Tijekom rada, zavojnice služe kao put za električni struj, dok jezgro služi kao put za magnetski tok. Kada se električna energija unese u primarnu zavojnicu, izmjenični struj stvara izmjenično magnetsko polje u jezgru (tj. električna energija pretvara se u magnetsku energiju). Zbog magnetske veze (veze toka), magnetski tok koji prođe kroz sekundarnu zavojnicu neprestano se mijenja, time inducirajući elektromotornu snagu (EMF) u sekundarnoj zavojnici. Kada se spoljašnji krug spoji, električna energija prenosi se opterećenju (tj. magnetska energija vraća se u električnu energiju). Ovaj proces "struja-magnetizam-struja" ostvaruje se na principu elektromagnetske indukcije, a ovaj proces pretvorbe energije čini radni princip transformatora.

U1N2 = U2N1

U1: Primarna naponska razina; N1: Broj zavoja primarne zavojnice; U2: Sekundarna naponska razina; N2: Broj zavoja sekundarne zavojnice

Prema kineskom nacionalnom standardu GB 1094.16, suhi transformator jasno se definira kao transformator čije je jezgro i zavojnice nisu potopljeni u izolacijsku tekućinu. Njegova izolacijska i hlađeća sredstva su zrak. Šire gledano, suhi transformatori mogu se podijeliti u dvije glavne vrste: kapsulirane i otvorene zavojnice.

• Vrsta "SC(B)" odnosi se na suhi transformator otopljen epoksidnim smole (oznaka "B" u modelu označava da su zavojnice izrađene od bakrene folije; "B" u "SG(B)" ima isto značenje). Visokonaponska zavojnica je potpuno kapsulirana epoksidnom smolom, dok niskonaponska zavojnica obično nije potpuno otopljena epoksidnom smolom - samo krajevi zavoja su zaplavljeni epoksidnom smolom (to je također zbog toga što niskonaponska strana nosi veći struj, a potpuna otopljenost bi negativno utjecala na odbijanje topline). Trenutno, SC(B)-tipovi suhih transformatora su dominantni proizvodi na tržištu, a ovaj članak koristi ih kao primjer za analizu. Većina SC(B)-tipova transformatora ima izolaciju klase F, s nekoliko modela ocijenjenih na klasi H.

• Vrsta "SG(B)" je suhi transformator s otvorenom zavojnicom koji koristi NOMEX izolacijski papir od DuPont-a (SAD) za izolaciju između zavoja. Niskonaponska zavojnica izrađena je od bakrene folije, a visoko- i niskonaponske zavojnice podvrgnute su VPI (vakuumskoj pritiskoj impregnaciji) izolacijskoj obradi. Površina je pokrivena slojem epoksidne izolacijske laki. Većina SG(B)-tipova suhih transformatora ima izolaciju klase H, s nekoliko modela ocijenjenih na klasi C.

• Postoji još jedan tip suhoga transformatora, označen kao "SCR(B)", koji je kapsuliran, ali ne otopljen epoksidnom smolom. Potpuno je kapsuliran koristeći NOMEX papir i silikonski gel, temeljeći se na francuskoj tehnologiji. Ovaj proizvod ima vrlo ograničenu tržišnu potražnju. Svi SCR(B)-tipovi suhih transformatora imaju izolaciju klase H.

2 Prednosti suhih transformatora

• Sigurni, vatroganni, otporni na požar, eksploziju, bez zagađivanja, mogu se instalirati direktno u centru opterećenja;

• Bez održavanja, s niskim ukupnim troškovima rada;

• Odlična otpornost na vlagu - mogu raditi normalno pri 100% vlagoznosti i mogu se ponovno podići bez predrijetanja nakon isključivanja;

• Niske gubitke, niska djelomična emitancija, niski buka, jak odbijaj topline, sposobni raditi na 150% nominalnog opterećenja uz prisilno hlađenje zrakom;

• Opremljeni su kompletnim sustavom zaštite i kontrole temperature, pružajući pouzdanu osiguranost za sigurni rad;

• Kompaktni, lagani, mali prostor potreban za instalaciju, niske troškove instalacije.

3.Nedostaci suhih transformatora

• Pri istoj kapaciteti i naponskoj razini, suhi transformatori su skuplji od transformatora potopljenih u ulje;

• Naponska razina je ograničena - obično do 35 kV, s nekoliko modela koje dosegu 110 kV;

• Obično se koriste unutar zgrade; kada se koriste vani, potrebna je zaštitna oklopna kutija s visokim stupnjem zaštite (IP);

• Za zavojnice otopljene smolom, ako su oštećene, često moraju biti potpuno odbačene, jer je popravak obično težak.

4. Struktura suhih transformatora

4.1 Zavojnice
(1) Slojasta zavojnica: Izrađena je složenjem ravnih ili okruglih vodilaca i njihovim zavijanjem u spiralni oblik kako bi se formirao više slojeva. Između slojeva postavljena je izolacija ili ventilacijski kanal. Zavojnica se otopljava i kuvana pod vakuumom pomoću kalupa i specijalne opreme za otopljavanje. Postupak: slojasto zavijanje u spiralu → postavljanje u kalup → vakuumsko otopljavanje.

(2) Folijasta zavojnica: Izrađena je zavijanjem tankih, širokih vodilaca, s jednim zavojem po sloju. Međuslojna izolacija također služi kao izolacija između zavoja. Folijaste zavojnice obično koriste akcijske hlađeće kanale: tijekom zavijanja, umetnuti su razmaci na određenim pozicijama zavoja, kasnije su uklonjeni kako bi se formirali akcijski zračni kanali. Nakon zavijanja na stroju za folijastu zavojnicu, bobina samo treba zagrijati i kuvati - ne treba kalup ni otopljavanje.

Zašto se visokonaponska namotnica postavlja u vanjski sloj, a niskonaponska u unutarnji sloj?
Zbog toga što niskonaponska strana radi na nižem naponu i zahtijeva manje izolacijsko razmak, postavljanjem bliže jezgru smanjuje se udaljenost između namotnice i jezgre, time se smanjuje ukupna veličina transformatora i trošak. Osim toga, visokonaponska namotnica obično ima priključne ogranke; postavljanjem na vanjskoj strani operacija je pogodnija i sigurnija.

4.2 Jezgra

• Izrađena slaganjem više limova silicijevog čelika premazanih izolacionim lakom;

• Jezgra se steže uglavnom pomoću okvira za stezanje i vijaka za stezanje;

• Gornji i donji okviri za stezanje komprimiraju jezgru i namotnice putem nosača ili spojnih ploča;

• Izolacijski dijelovi jezgre uključuju izolaciju okvira, izolaciju vijaka ili izolaciju spojne ploče.

Zašto mora biti uzemljena jezgra?
Tijekom normalnog rada, jezgra transformatora mora imati jednu i samo jednu pouzdanu uzemljenu točku. Bez uzemljenja, razvila bi se plutajući napon između jezgre i zemlje, što bi dovelo do povremenih probojnih pražnjenja iz jezgre prema zemlji. Jednostrano uzemljenje jezgre eliminira mogućnost pojavljivanja plutajućeg potencijala. 

Međutim, ako je jezgra uzemljena na dvije ili više točaka, nejednaki potencijali između dijelova jezgre uzrokovat će cirkulirajuće struje između točaka uzemljenja, što rezultira kvarovima zbog višestrukog uzemljenja i lokalnim pregrijavanjem. Takvi kvarovi uzemljenja jezgre mogu uzrokovati ozbiljno lokalno povećanje temperature, što može pokrenuti zaštitno isključenje. U ekstremnim slučajevima, otopljeni dijelovi na jezgri stvaraju kratke spojeve između limova, znatno povećavajući gubitke u jezgri i ozbiljno utječući na rad i performanse transformatora – ponekad je potrebna zamjena limova silicijevog čelika radi popravka. Stoga transformatori ne smiju imati višestruka uzemljenja; dopuštena je samo jedna i točno jedna točka uzemljenja.

5. Sustav upravljanja temperaturom

Siguran rad i vijek trajanja suhom izoliranog transformatora u velikoj mjeri ovise o sigurnosti i pouzdanosti izolacije namotnica. Ako temperatura namotnice premaši termičku otpornost izolacije, izolacija će biti oštećena – to je jedan od glavnih razloga kvara transformatora. Stoga je nadzor radne temperature i provedba alarma i isključenja kritično važan.

(1) Automatska kontrola ventilatora: Temperaturni signali mjere se Pt100 senzorima otpornosti na temperaturu koji su ugrađeni u najtoplijem dijelu niskonaponske namotnice. Kako opterećenje transformatora raste i radna temperatura se povećava, sustav automatski pokreće hlađene ventilatore kada temperatura namotnice dostigne 110°C, a zaustavlja ih kada temperatura padne na 90°C.

(2) Alarm pri visokoj temperaturi i isključenje pri previsokoj temperaturi: Temperaturni signali s namotnica ili jezgre prikupljaju se pomoću PTC nelinearnih termistora ugrađenih u niskonaponsku namotnicu. Ako temperatura namotnice nastavi rasti i dostigne 155°C, sustav daje signal alarma pri previsokoj temperaturi. Ako temperatura dalje naraste na 170°C, transformator više ne može sigurno raditi, te se signal isključenja pri previsokoj temperaturi mora poslati sekundarnom zaštitnom krugu.

(3) Sustav prikaza temperature: Vrijednosti temperature mjere se pomoću Pt100 termistora ugrađenih u niskonaponsku namotnicu i izravno prikazuju temperaturu svake faze namotnice (s nadzorom tri faze, prikazom maksimalne vrijednosti i zapisivanjem povijesnog maksimuma temperature). Sustav nudi analogni izlaz 4–20 mA za najvišu temperaturu. Ako je potrebna daljinska transmisija na računalo (do 1200 metara), može se opremiti sučeljem za računalo i jednim predajnikom, omogućujući istovremeno nadgledanje do 31 transformatora. Pt100 termistor signal također može pokrenuti alarm pri previsokoj temperaturi i isključenje, dodatno povećavajući pouzdanost sustava zaštitne temperature.

6. Kućište suhom izoliranih transformatora

Ovisno o karakteristikama radnog okruženja i zahtjevima za zaštitu, suhom izolirani transformatori se mogu opremiti različitim tipovima kućišta. Obično se bira kućište s IP20 klasom zaštite, koje sprječava ulazak čvrstih stranih tijela većih od 12 mm u promjeru i malih životinja poput pacova, zmija, mačaka i ptica u transformator, time se izbjegavaju ozbiljni kvarovi kao što su kratki spojevi i prekidi napajanja, te pruža sigurnosna barijera za dijelove pod naponom.

Ako transformator mora biti instaliran vani, može se koristiti kućište s IP23 klasom zaštite. Osim zaštite koju nudi IP20, ono dodatno sprječava ulazak kapljica vode koje padaju pod kutem do 60° od vertikalnog smjera. Međutim, IP23 kućište smanjuje hlađenje transformatora, pa se mora obratiti pozornost na smanjenje radne snage prilikom odabira ovog tipa kućišta.

7. Metode hlađenja suhih transformatora

Suhi transformatori koriste dvije metode hlađenja: prirodno zračno hlađenje (AN) i prisilno zračno hlađenje (AF).

Pri prirodnom zračnom hlađenju, transformator može neprekidno raditi na svojoj nominiranoj snazi tijekom dugo vremena.

Pri prisilnom zračnom hlađenju, izlazna snaga transformatora se može povećati za 50%, što ga čini prikladnim za povremeni preoptereženi rad ili hitne preopterežene uvjete. Međutim, tijekom preoptereženog rada, gubitci opterećenja i impedancijski napon znatno porastu, što dovodi do neekonomičnog rada; stoga treba izbjegavati dugotrajan neprekidan preoptereženi rad.

8. Testiranje suhih transformatora

• Mjerenje otpornosti strujnih zavojnica u jednosmjernom toku:
  Provjerava kvalitet svarenja unutarnjih vodnika, stanje kontakta između promjenjivača tapova i izvoda te je li otpornost faza neravnotežna. Općenito, neravnotežnost otpornosti između linija ne smije preći 2%, a između faza 4%. Prevelika neravnotežnost otpornosti u jednosmjernom toku može uzrokovati cirkulaciju struja među tri faze, povećavajući gubitke cirkulacijske struje i dovodeći do neželjenih učinaka, kao što je pregrejanje transformatora.

• Provjerite omjer napona na svim položajima tapova:
  Potvrđuje je li broj zavojnica točan te jesu li sve veze tapova pravilno spojene. Kada se primijeni 1000 V na visokonaponsku stranu (i njene različite tapove), provjerite je li izlazni napon transformatora na niskonaponskoj strani približno 400 V.

• Provjerite vezu trofaznih zavojnica i polaritet.

• Mjerenje otpornosti izolacije pričvršćujućih elemenata s izoliranim jezgrom i same jezgro.

• Mjerenje otpornosti izolacije zavojnica:
  Ocjenjuje razinu izolacije između visokonaponskih, niskonaponskih zavojnica i zemlje. Obično se koristi megohmmeter od 2500 V, a vrijednosti mjerenih otpornosti izolacije (HV-LV, HV-zemlja, LV-zemlja) moraju biti veće od propisanih standardnih vrijednosti.

• Test izdržljivosti na izmjenični napon zavojnica:
  Procjenjuje glavnu izolacijsku čvrstoću između HV, LV i zemlje putem testiranja dielektrične čvrstoće. Taj test je odlučujući u otkrivanju lokalnih defekata uvedenih tijekom proizvodnje. Za suhe transformatore, tipični testni naponi su: 35 kV za zavojnicu od 10 kV i 3 kV za zavojnicu od 0.4 kV, svaki primijenjen tijekom 1 minute bez rušenja da bi se smatrao prihvatljivim.

• Testiranje prekidača i interlokova na svim stranama transformatora:
  Potvrđuje pouzdanost radnje zaštita reléa te potvrđuje da su prekidni uređaji integritetni i bezbježni.

9. Impulsni test (test prekidanja)

(1) Kada se isključi transformator bez opterećenja, može doći do prekidnog prenapona. U električnim sustavima s neutralom koja nije zemljena ili je zemljena putem duge petlje, magnituda prenapona može dosegnuti 4–4.5 puta fazonapona; u sustavima s direktno zemljenom neutralom, može dosegnuti do 3 puta fazonapona. Da bi se provjerilo može li izolacija transformatora podnijeti puni napon ili prekidni prenapon, potreban je impulsni test.

(2) Energiziranje transformatora bez opterećenja stvara magnetizirajuću struju ubrzane prijelazne, koja može dosegnuti 6–8 puta nominirana struja. Struja ubrzane prijelazne brzo opada početno - obično se smanji na 0.25–0.5 puta nominirana struja unutar 0.5–1 sekundi - ali potpuna degradacija može potrajati mnogo duže, do desetak sekundi za velike kapacitete transformatora. Zbog velikih elektromagnetskih sila generiranih strujom ubrzane prijelazne, impulsni test se obavlja kako bi se procjenila mehanička čvrstoća transformatora te ocijenilo bi moglo li doći do pogrešnog radnog stanja zaštita reléa tijekom rane faze degradacije struje ubrzane prijelazne.
Obično, novi instalirani transformatori podvrgnuti su 5 impulsnim testovima, dok su preuređeni transformatori podvrgnuti 3 impulsnim testovima.

10. Test bez opterećenja

Cilj testa bez opterećenja je:

• Mjerenje gubitaka bez opterećenja i struje bez opterećenja transformatora;

• Potvrda da li projektiranje i proizvodnja jezgra zadovoljavaju tehničke specifikacije i standarde;

• Otkrivanje defekata jezgra, kao što su lokalno pregrejanje ili loša lokalna izolacija.

Tijekom testa, visokonaponska strana se isključuje, a na niskonaponsku stranu se primjenjuje nominirani napon. Gubitci bez opterećenja su uglavnom gubitci jezgra (željeznog gubitka).

Defekti otkrivljivi putem testa bez opterećenja uključuju:

• Loša izolacija između lamina silikonskog čelika;

• Lokalni kratični putevi ili oštećenja izgoranjem između lamina jezgra;

• Propadanje izolacije kod pričvršćujućih šrafova, čelikovih oklopaca, klampi, gornjih jareva itd., što dovodi do kratičnih puteva;

• Rasute, nepravilno poravnate lamine silikonskog čelika ili preveliki zračni razmaci u magnetskom krugu;

• Višetocko zemljenje jezgra;

• Kratični putevi između zavoja ili slojeva, ili nejednak broj zavojnica u paralelnim granama što dovodi do neravnoteže amper-zavojnica;

• Korištenje visoko-gubitnih, niskokvalitetnih lamina silikonskog čelika ili greške u računskim projektima.

11. Test kratičnog spoja

Ispitivanje kratkog spoja uglavnom mjeri gubitke pri kratkom spoju i impedanciju. Ispitivanje se provodi prilikom uvođenja u promet kako bi se provjerila točnost strukture zavojnice, te nakon zamjene zavojnice kako bi se provjerile značajne odstupanja od prethodnih rezultata ispitivanja.

Napajanje za ispitivanje može biti trofazno ili jednofazno, primijenjeno na visokonaponsku stranu dok je niskonaponska strana kratkospojena. Tijekom ispitivanja, struja na visokonaponskoj strani podiže se do njenih imenskih vrijednosti, a struja na niskonaponskoj strani kontrolira se kako bi ostala na imenskoj struji.

12. Obrada nepravilnih stanja suhosrednjih transformatora

12.1 Nepravilan buka transformatora

• Mehanički buka uzrokovani:

• Slabim vijcima kojima se fiksira jezgra;

• Deformacijom kutova jezgre zbog nepravilnog rukovanja tijekom prijevoza ili montaže;

• Stranim predmetima koji moste dijelove jezgre;

• Slabim vijcima za montažu ventilatora ili stranim predmetima unutar ventilatora;

• Slabim vijcima za montažu oklopne kutije što dovodi do vibracija i buke ploče;

• Slabim vijcima za fiksiranje niskonaponske šine ili nedostatkom fleksibilnih spajanja, što dovodi do vibracija i buke.

• Previsok napon ulaznog napajanja što dovodi do preopterećenja i glasnijeg bukanja.

• Buka iz visokih harmonika: neregularan uzorak—varira u intenzitetu i povremeno prisutan. Glavni uzrok su uređaji koji generiraju harmonike (npr. elektropeći, tiristori) na strani napajanja ili opterećenja, koji vraćaju harmonike u transformator.

• Faktori okruženja: mali prostor transformatora s gladkim zidovima stvara rezonantni "zvučnik" efekt, povećavajući percepciju buke.

12.2 Nepravilna prikazana temperatura

• Senzor nije umetnut u utičnicu na stražnjoj strani jedinice za prikaz temperature—sijalište greške svjeti;

• Slaba veza na utičnici senzora povećava otpor, što dovodi do lažno visokih čitanja temperature;

• Beskonačno čitanje temperature na jednoj fazi ukazuje na otvorenu vezu u platinskom upornom žicu senzora;

• Neobično visoko čitanje na jednoj fazi sugerira da je platinski otpornik u djelomično oštećenom (intermitentnom) stanju.

Transformator funkcionira na principu elektromagnetske indukcije. Glavni komponenti transformatora su zavojnice i jezgra. Tijekom rada, zavojnice služe kao put za električnu struju, dok jezgra služi kao put za magnetski tok. Kada se električna energija unese u primarnu zavojnicu, izmjenjiva struja stvara izmjenjivo magnetsko polje u jezgri (tj. električna energija pretvori se u energiju magnetskog polja). Zbog magnetske veze (veze magnetskog toka), magnetski tok koji prolazi kroz sekundarnu zavojnicu neprestano se mijenja, time inducirajući electromotornu snagu (EMF) u sekundarnoj zavojnici. Kada se vanjski krug spoji, električna energija prenosi se na opterećenje (tj. energija magnetskog polja pretvori se natrag u električnu energiju). Taj proces "elektriciteta–magnetizma–elektriciteta" realizira se na osnovu principa elektromagnetske indukcije, i taj proces pretvorbe energije čini radni princip transformatora.