SCB és SGB szárított transzformátorok kifejtve

1. Bevezetés

A transzformátor működése az elektromos indukció elvén alapul. A transzformátor főbb elemei a tekercsek és a mag. Működés közben a tekercsek szolgálnak áramútaként, míg a mag pedig a mágneses folyamat útjának. Amikor elektromos energia kerül be a primáris tekercsbe, az alternatív áram egy alternatív mágneses mezőt hoz létre a magban (azaz az elektromos energia átalakul mágneses mezőenergiává). A mágneses összeköttetés (folyamathivatkozás) miatt a mágneses folyam, amely áthalad a másodlagos tekercsen, folyamatosan változik, ezzel indukálva egy elektromotív erőt (EMF) a másodlagos tekercsben. Ha külső áramkör csatlakoztatódik, az elektromos energia továbbítódik a terhelésre (azaz a mágneses mezőenergia visszaalakul elektromos energiává). Ez az "elektromosság–mágnezség–elektromosság" átalakulási folyamat valósul meg az elektromos indukció elvének alapján, és ez az energiaátalakulási folyamat alkotja a transzformátor működési elvét.

U1N2 = U2N1

U1: Primáris feszültség；N1: Primáris tekercs tekerésainak száma；U2: Másodlagos feszültség；N2: Másodlagos tekercs tekerésainak száma

A kínai nemzetis tandard GB 1094.16 szerint a szárított transzformátor egy olyan transzformátor, amelynek magja és tekercsei nincsenek elmerülve izoláló folyadékban. Izoláló és hűtő közegje a levegő. Szélesebb értelemben a szárított transzformátorok két fő típusra oszthatók: behúzott és nyílt tekercsű.

• Az "SC(B)" típusú epoxidharccal behúzott szárított transzformátor (a modell jelölésében az "B" azt jelenti, hogy a tekercsek rézlapból készültek; az "SG(B)" jelölésben is ugyanez a jelentés). A magasfeszültségi tekercs teljesen behúzódik epoxidharccal, míg a növényfeszültségi tekercs általában nem teljesen behúzódik epoxidharccal – csak a végtekerései zártak epoxidharccal (ez azért van, mert a növényfeszültségi oldal nagyobb áramot visz, és a teljes behúzás negatívan befolyásolná a hűtést). Jelenleg az SC(B)-típusú szárított transzformátorok a piaci főáruk, és ezt a cikk példaként használja fel elemzésre. A legtöbb SC(B)-típusú transzformátor F osztályú izolációjú, néhány H osztályú.

• Az "SG(B)" típusú nyílt tekercsű szárított transzformátor DuPont (Egyesült Államok) NOMEX izolációs papírját használja a tekerésenkénti izolációnál. A növényfeszültségi tekercs rézlapból készül, és mind a magasfeszültségi, mind a növényfeszültségi tekercsek VPI (Vakuumszögnyomásos Impregnáció) izolációs kezelésen megyenek keresztül. A felszínük egy epoxidizált izolációs vernőssel van lefedve. A legtöbb SG(B)-típusú szárított transzformátor H osztályú izolációjú, néhány C osztályú.

• Van még egy típusú szárított transzformátor, az "SCR(B)", ami behúzott típus, de nem epoxidharccal behúzott. Teljesen behúzódik NOMEX papír és szilikon gel segítségével, francia technológián alapul. Ez a termék rendkívül korlátozott piaci igényre számíthat. Minden SCR(B)-típusú szárított transzformátor H osztályú izolációjú.

2. Szárított Transzformátorok Előnyei

• Biztonságos, lángretardáló, tűzellenálló, robbanásvédett, szennyezésmentes, és közvetlenül a terhelés központjába telepíthető;

• Karbantartásmentes, alacsony üzemanyagköltségekkel;

• Kiváló nedvességérzékenység – normálisan működhet 100%-os páratartalom mellett, és előzetes szárítás nélkül újraindulhat a leállítást követően;

• Alacsony veszteségek, alacsony részleges kioltódás, alacsony zajszint, erős hűtés, és képes 150%-os terhelésre szükséges hűtés mellett működni;

• Teljes körű hőmérsékleti védelem és ellenőrzési rendszerrel, biztonságos működés megbízható garanciával;

• Kompakt méret, könnyű súly, kis helyigény, és alacsony telepítési költségek.

3. Szárított Transzformátorok Hátrányai

• Ugyanazon a kapacitáson és feszültségen a szárított transzformátorok drágábbak, mint a folyadékban elmerült transzformátorok;

• A feszültségkorlátolt – általában 35 kV-ig, néhány modell esetén 110 kV-ig;

• Általában belső használatra szántak; ha külső használatra szántak, akkor magas IP beszívesítési értékű védelmi burkoló szükséges;

• Az epoxidharccal behúzott tekercsek esetén, ha sérülnek, általában teljesen el kell ejteni őket, mivel a javítás általában nehéz.

4. Szárított Transzformátorok Struktúrája

4.1 Tekercsek
(1) Rétegzett tekercs: Lapos vagy kerek vezetékek rácson történő rakása és csavarvarázsló mintázatú tekercsbe varázsolása, több réteg formájában. A rétegek között izoláló vagy szellőztetési csatornák találhatók. A tekercs vakuum alatt formavetszeres eszközökkel és speciális behúzási berendezésekkel behúzódik. Folyamat: csavarvarázsló tekercs → behelyezés a formába → vakuum behúzás.

(2) Foliatekercs: Vastag, széles vezetékekkel készül, egy tekerésen egy tekerés. A rétegek közötti izoláció is szolgál tekerésenkénti izolációként. A foliatekercsek általában tengelyes hűtési csatornákat használnak: a tekercs közben, a megadott tekerési pozíciókban szeparátort szalagokat helyeznek, majd később eltávolítják, hogy axiális levegőcsatornákat hozzanak létre. A foliatekercs gépen, a tekercs után csak melegítésre és korszerűsítésre van szükség – nincs szükség formára vagy behúzásra.

Miért helyezik a magasfeszültségi tekercset a külső rétegbe, míg az alacsonyfeszültségi tekercs a belső rétegben található?
Mivel az alacsonyfeszültségű oldal alacsonyabb feszültségen működik, és kisebb izolációs távolságot igényel, a közeli elhelyezése a tömörítéshez csökkenti a tekercs és a tömörítés közötti távolságot, ezzel csökkentve a transzformátor teljes méretét és költségét. Emellett a magasfeszültségi tekercs általában kapcsolópontokkal rendelkezik; a külső elhelyezése egyszerűbb és biztonságosabb használatot tesz lehetővé.

4.2 Tömörítés

• Többszörös silikonvas rétegekből készül, amelyek izoláló festékkel vannak bevonva;

• A tömörítést elsősorban rögzítő keretek és rögzítő csavarak szoríttatják;

• A felső és alsó rögzítő keretek a szíjkulcsok vagy szíjlappal a tömörítést és a tekercseket szorítják meg;

• A tömörítés izolációs elemei tartalmazzák a keretizolációt, a csavarizolációt, vagy a szíjlapi izolációt.

Miért kell a tömörítést földelni?
A normális működés során a transzformátor tömörítésének egyetlen, megbízható földelési pontja kell legyen. Földelés nélkül a tömörítés és a föld között létrejönne egy lebegő feszültség, ami időnkénti töréspusztulásokhoz vezethet a tömörítésről a földre. A tömörítés egyetlen ponton történő földelése kiküszöböli a lebegő potenciál lehetőségét. 

Azonban ha a tömörítést két vagy több ponton földelik, a tömörítés részei közötti nem egyenletes potenciálok keringő áramokat eredményezhetnek a földelési pontok között, ami többpontos földelési hibákat és helyi túlzott hőmérsékleti emelkedést okoz. Ilyen tömörítési földelési hibák súlyos helyi hőmérsékleti emelkedést okozhatnak, amely akár védelmi kiváltást is indíthat. Extrém esetben a tömörítésen létrejövő olvadt helyek látenskapcsolatokat teremthetnek a rétegek között, jelentősen növelve a tömörítési veszteségeket, és komolyan befolyásolva a transzformátor teljesítményét és működését—néha a silikonvas rétegek cseréje szükséges a javításra. Ezért a transzformátoroknak nem lehet több földelési pontja, csak egy és pontosan egy.

5.Hőmérséklet-irányító rendszer

A szárított transzformátor biztonságos működése és élettartama nagyban függ a tekercsi izoláció biztonságától és megbízhatóságától. Ha a tekercs hőmérséklete meghaladja az izoláció hőtűrő határát, az izoláció sérül—ez a transzformátor hibáinak egyik fő oka. Ezért a működési hőmérséklet figyelése, valamint a riasztási és kiváltási ellenőrzések kritikusan fontosak.

(1) Automatikus szellító irányítás: A hőmérsékleti jeleket Pt100 ellenállásos hőmérők mérik, amelyek a legmelegebb részben vannak beágyazva az alacsonyfeszültségi tekercsben. Ahogy a transzformátor terhelése nő és a működési hőmérséklet emelkedik, a rendszer automatikusan elindítja a hűtő szellítókat, amikor a tekercs hőmérséklete 110°C-ra emelkedik, és leállítja őket, amikor a hőmérséklet 90°C-ra csökken.

(2) Magas hőmérsékletű riasztás és túlmelegesedési kiváltás: A tekercsek vagy a tömörítés hőmérsékleti jeleit PTC-nelinéaris termisztorok gyűjtik, amelyek beágyazva vannak az alacsonyfeszültségi tekercsben. Ha a tekercs hőmérséklete tovább emelkedik és 155°C-ra éri, a rendszer túlmelegesedési riasztási jelet ad ki. Ha a hőmérséklet tovább nő és 170°C-ra éri, a transzformátor már nem működhet biztonságosan, és túlmelegesedési kiváltási jelet kell küldenie a másodlagos védelmi körbe.

(3) Hőmérséklet-megjelenítő rendszer: A hőmérsékleti értékeket Pt100 termisztorok mérjék, amelyek beágyazva vannak az alacsonyfeszültségi tekercsben, és közvetlenül megjelenítik minden fázis tekercsének hőmérsékletét (háromfázisos figyeléssel, maximum érték megjelenítéssel és történeti csúcshőmérsékleti feljegyzéssel). A rendszer 4–20 mA analóg kimenetet nyújt a legmagasabb hőmérsékletre. Ha távoli továbbítás szükséges (legfeljebb 1200 méterre), a rendszerrel számítógépes interfész és egy továbbító eszköz telepíthető, amely lehetővé teszi akár 31 transzformátor egyszerre való figyelését. A Pt100 termisztor jelével is aktiválható a túlmelegesedési riasztás és kiváltás, ezzel tovább növelve a hőmérsékleti védelmi rendszer megbízhatóságát.

6. Szárított transzformátor burkolata

A működési környezet jellemzőinek és a védelem igényeinek függvényében a szárított transzformátorok különböző típusú burkolattal felszerelhetők. Általában IP20-os burkolatot választanak, amely 12 mm-es átmérőnél nagyobb szilárd idegen testek, például patkányok, kígyók, macskák és madarak betolakodását megakadályozza a transzformátorba, így elkerülve súlyos hibákat, mint a látenskapcsolatok és a villamos energiamegszakítás, valamint biztosítva a működő részek biztonsági bariéerét.

Ha a transzformátort kívülről kell telepíteni, IP23-os burkolatot használhatnak. Az IP20 által nyújtott védelem mellett ez a burkolat akár 60 fokos szögben leeső vízcseppek ellen is védi. Azonban az IP23 burkolat csökkenti a transzformátor hűtőképességét, ezért a burkolattípus kiválasztása során a működési kapacitás megfelelő lecsökkentésére is szükség van.

7. Hűtési módok száraz transzformátoroknál

A száraz transzformátorok két hűtési módot alkalmaznak: természetes légkeringés (AN) és erőltetett légkeringés (AF).

Természetes léghűtés mellett a transzformátor folyamatosan működhet kiemelt teljesítményén hosszabb időre.

Erőltetett légkeringés esetén a transzformátor kiadásának kapacitása 50%-kal növekedhet, ami alkalmas rövid ideig tartó túlterhelési működésre vagy válságos túlterhelési feltételekhez. Azonban a túlterhelési működés során a terhelésveszteségek és az impedanciavolt jelentősen megnövekednek, ami gazdaságtalanságot okoz; ezért kerülni kell a hosszú távú folyamatos túlterhelési működést.

8. Próbafeladatok száraz transzformátorokhoz

• Az áramkörök DC ellenállásának mérésének:
  Ellenőrzi a belső vezetékök hegyezésminőségét, a fáziskapcsolók és vezetékek közötti kapcsolódási állapotot, valamint hogy a fázisellenállások egyensúlyban vannak-e. Általánosságban a vonalak közötti ellenállás-egyensúly nem haladhatja meg a 2%-ot, a fázisok közötti pedig a 4%-ot. A túlzott DC ellenállás-egyensúlyhiány keringő áramokat okozhat a három fázis között, ami növeli a keringő áramveszteségeket, és olyan nem kívánt hatásokhoz vezethet, mint a transzformátor túlmelegedése.

• Feszültségarány ellenőrzése minden fáziskapcsoló helyzetben:
  Ellenőrzi, hogy a teherciklusok száma helyes-e, és hogy minden fáziskapcsoló helyesen van-e összerakva. Ha 1000 V-ot alkalmazunk a magfeszültség oldalán (és annak különböző fáziskapcsolói), ellenőrizni kell, hogy a transzformátor körülbelül 400 V-ot ad-e ki a csonkafeszültség oldalon.

• Háromfázis csomópont- és polaritás-ellenőrzés.

• A tömörítés-izolált csavarok és a tömörítés magának izolációs ellenállásának mérése.

• Az áramkörök izolációs ellenállásának mérése:
  Becslést ad a magfeszültség, csonkafeszültség és föld közötti izolációs szintjekről. Általánosságban 2500 V megohmm-mérőt használnak, és a mértek izolációs ellenállás értékei (MV–CV, MV–föld, CV–föld) el kell hogy lépjenek a meghatározott standard értékektől.

• Az áramkörök AC ellenállósszabadsági próba:
  Az alapvető izoláció erejét méri a magfeszültség, csonkafészültség és föld között dielektrikus erőtlenség vizsgálat segítségével. Ez a próba döntő jelentőségű a gyártás során bevezetett helyi hibák felismerésében. A száraz transzformátorokhoz a tipikus próba feszültségek: 35 kV a 10 kV áramkörhöz, 3 kV a 0,4 kV áramkörhöz, mindegyiket 1 percig alkalmazva, anélkül, hogy törvénytelenül viselkedne, tekintendő elfogadhatónak.

• Oldalszerű áramkörök átkapcsoló és zárolóproblémái:
  Ellenőrzi a védelmi relék működésének megbízhatóságát, és bizonyítja, hogy a kapcsoló berendezések sérülésmentesek és hibamentesek.

9. Impulzusos kapcsoló (beviteli) próba

(1) Amikor egy üresen futó transzformátort kapcsolunk ki, akkor előfordulhat kapcsoló túlfeszültség. Nemelektromos rendszerekben vagy elektromos rendszerekben, ahol a neutrális kötélen vagy induktív kötélen van, a túlfeszültség nagysága elérheti a fázisfeszültség 4–4,5-szeresét; közvetlenül lefödött neutrális rendszerekben pedig a fázisfeszültség 3-szorosát. Annak ellenőrzéséhez, hogy a transzformátor izolációja képes-e kiállni a teljes feszültségen vagy a kapcsoló túlfeszültségen, impulzusos próba szükséges.

(2) Amikor energiát adunk egy üresen futó transzformátorhoz, magnetizáló beviteli áram keletkezik, amely elérheti a kiemelt teljesítmény 6–8-szeresét. A beviteli áram gyorsan csökken – általában 0,5–1 másodperc alatt 0,25–0,5-szeresére csökken a kiemelt teljesítményhez képest –, de a teljes csökkenés sokkal hosszabb időt vehet igénybe, akár több tíz másodpercet is nagy kapacitású transzformátoroknál. Mivel a beviteli áram nagy elektromos erőket generál, az impulzusos próba azt vizsgálja, hogy a transzformátor mechanikai ereje elegendő-e, és hogy a védelmi relék hibás működését okozhatja-e a beviteli áram korai csökkenési fázisa.
Általában a frissen telepített transzformátorok 5 impulzusos próbat vesznek, míg a karbantartás után 3 impulzusos próbat.

10. Üresjárati próba

Az üresjárati próba célja:

• Az üresjárati veszteség és az üresjárati áram mérése;

• Annak ellenőrzése, hogy a tömörítés tervezése és gyártása megfelel-e a technikai specifikációknak és normáknak;

• Tömörítési hibák, például helyi túlmelegedés vagy rossz helyi izoláció felismerése.

A próba során a magfeszültség oldalát kihúzzuk, és a csonkafeszültség oldalán kiemelt feszültséget alkalmazunk. Az üresjárati veszteség elsősorban tömörítési (vas) veszteség.

Az üresjárati próba révén feloldható hibák:

• Rossz izoláció a silikonvas lappangok között;

• Helyi rövidzárs vagy égés a tömörítési lappangok között;

• Izolációs hiba a tömörítés áthatoló csavarkaiban, acél kötőszirákban, szorítólapokban, felső nyeregben stb., ami rövidzárt okoz;

• Rohadt, eltolódott silikonvas lappangok vagy túl nagy levegőrések a mágneses körben;

• Több pontú földkapcsolás a tömörítésben;

• Rövidzárs vagy rétegzési rövidzárs az áramkörökben, vagy nem egyenletes teherciklus párhuzamos ágakban, ami ampere-teherciklus-egyensúlytalanságot okoz;

• Magveszteségű, alacsony minőségű silikonvas lappangok használata, vagy hibák a tervezési számításokban.

11.Rövidzárs próba

A rövidzárlat-próba elsősorban a rövidzárlati veszteségeket és az ellenállást méri. A próbát a beindítás során végezik el, hogy ellenőrizzék a tekercsstruktúra helyességét, valamint a tekercscsere után, hogy ellenőrizzék a korábbi próbaeredményekkel szemben jelentős eltéréseket.

A próbátápellátás háromfázisú vagy egyfázisú lehet, amelyet a magasfeszültségi oldalon alkalmaznak, miközben a napszakfeszültségi oldalt rövidzárlatolják. A próba során a magasfeszültségi oldali áramot emelik a nominális értékére, és a napszakfeszültségi oldali áramot ellenőrzik, hogy a nominális áramon maradjon.

12. A szárított transzformátorok rendellenes állapotának kezelése

12.1 Rendellenes transzformátorhang

• Mechanikai zaj, amelyet okoz:

• Rohadt mag-szorítócsavarak;

• A mag sarokainak deformálódása a transportálás vagy a telepítés során bekövetkezett rossz bánya miatt;

• Idegen tárgyak, amelyek a mag részeit összekötik;

• Rohadt fűtőgép csavarak vagy idegen anyagok a fűtőgépen belül;

• Rohadt burkoló csavarak, ami rezgést és zajt okoz a paneleknél;

• Rohadt alacsony-feszültségi buszszerelő csavarak vagy hiányzó rugalmas kapcsolat, ami rezgést és zajt eredményez;

• Túl magas bemeneti ellátási feszültség, ami túlfeszültséget és nagyobb hurrálást okoz.

• Zaj a magasabb rendű harmonikusokból: szabálytalan mintázat—változó hangerő és időnként jelenléte. Főleg harmonikust termelő eszközök (pl. elektromos tűzhelyek, thyristor rektifikátorok) hatására jön létre a hálózaton vagy a terhelésen keresztül, amelyek visszaadnak harmonikusokat a transzformátornak.

• Környezeti tényezők: kis transzformátorhely, sima falakkal, ami rezonanciát hoz létre, mintha "hangszóródoboz" lenne, ami megnöveli a hallható zajt.

12.2 Rendellenes hőmérséklet-megjelenítés

• Szenzor, amely nem illesztve van a hőmérséklet-megjelenítő egység hátulsó fülébe—hiba-indikátor lámpa felgyúlik;

• Rohadt kapcsolat a szenzor csatlakozóján, ami növeli az ellenállást, és hamisul magas hőmérsékletet mutat;

• Végtelen hőmérséklet-érték egy fázison, ami a szenzor platina-ellenállás drótjának nyílt áramkört jelez;

• Nagyobb hőmérséklet-érték egy fázison, ami azt jelezheti, hogy a platina-ellenállás részlegesen megsérült (intermittens) állapotban van.

A transzformátor az elektromágneses indukció elvén működik. A transzformátor főbb elemei a tekercsek és a mag. A működés során a tekercsek az áramútaként, a mag pedig a mágneses fluxus útként szolgál. Amikor elektromos energia kerül a primáris tekercsbe, az alternáló áram váltakozó mágneses mezőt hoz létre a magban (azaz az elektromos energia mágneses mezőenergiává alakul). A mágneses kötődés (fluxus-kötődés) miatt a mágneses fluxus a másodlagos tekercsen átmenően folyamatosan változik, így indukálva egy elektromotív erőt (EMF) a másodlagos tekercsben. Ha külső áramkör kapcsolódik, az elektromos energia továbbítódik a terhelésre (azaz a mágneses mezőenergia visszaalakul elektromos energiává). Ez az "elektricitás–mágnesesség–elektricitás" konverziós folyamat az elektromágneses indukció elvére alapul, és ez az energiaátalakítási folyamat képezi a transzformátor működési elvét.