SCB & SGB tørrelærtransformatorer forklart

1. Innføring

En transformator fungerer basert på prinsippet for elektromagnetisk induksjon. De viktigste komponentene i en transformator er vindinger og kjernen. Under drift fungerer vindinger som vei for elektrisk strøm, mens kjernen fungerer som vei for magnetisk flyt. Når elektrisk energi sendes til primær vindingen, opprettes et alternerende magnetfelt i kjerne (dvs. elektrisk energi blir konvertert til magnetfeltenergi). På grunn av magnetisk kobling (flytkobling) forandres det magnetiske flytet gjennom sekundær vinding kontinuerlig, noe som dermed inducerer en spenningskilde (EMF) i sekundær vinding. Når en ekstern krets kobles, leveres elektrisk energi til belastningen (dvs. magnetfeltenergi blir konvertert tilbake til elektrisk energi). Denne "elektrisitet–magnetisme–elektrisitet" konverteringsprosessen realiseres basert på prinsippet for elektromagnetisk induksjon, og denne energikonverteringsprosessen utgjør arbeidsprinsippet for en transformator.

U1N2 = U2N1

U1: Primærespennning；N1: Antall vindinger i primær vinding；U2: Sekundærespennning；N2: Antall vindinger i sekundær vinding

Ifølge den kinesiske nasjonale standarden GB 1094.16, er en tørtransformator klart definert som en transformator hvor kjernen og vindinger ikke er neddykket i isolerende væske. Dens isolerende og kjølemedium er luft. I bred forstand kan tørtransformatorer deles inn i to hovedtyper: kapslet og åpenvindet.

• Typen "SC(B)" refererer til en epoksyhårdende tørtransformator (bokstaven "B" i typenotasjonen indikerer at vindinger er laget av kobberfolie; bokstaven "B" i "SG(B)" har samme betydning). Høytrykkvinding er fullstendig kapslet med epoksy, mens lavtrykkvinding generelt ikke er fullstendig gipsa med epoksy—bare endevindinger er seglert med epoksy (dette er også fordi lavspenningsiden bærer høyere strøm, og full gipsing ville ha negativ effekt på varmeavledning). For øyeblikket er SC(B)-type tørtransformatorer de mest populære produktene på markedet, og denne artikkelen bruker dem som eksempel for analyse. De fleste SC(B)-type transformatorer har klasse F-isolasjon, med noen få rangert som klasse H.

• Typen "SG(B)" er en åpenvindet tørtransformator som bruker NOMEX-isoleringpapir fra DuPont (USA) for vinding til vinding isolasjon. Lavtrykkvinding er laget av kobberfolie, og både høy- og lavtrykkvindinger undergår VPI (vakuum trykk impregnering) isolasjonsbehandling. Overflaten er belagt med et lager epoksy isolerende lak. De fleste SG(B)-type tørtransformatorer har klasse H-isolasjon, med noen få rangert som klasse C.

• Det er en annen type tørtransformator, merket som "SCR(B)", som er en kapslet type, men ikke gipsa med epoksy. Den er fullstendig kapslet ved hjelp av NOMEX-papir og silikongel, basert på fransk teknologi. Dette produktet har meget begrenset markedsbehov. Alle SCR(B)-type tørtransformatorer har klasse H-isolasjon.

2. Fordeler med tørtransformatorer

• Sikker, flammebestandig, brannsikker, eksplosjonsbestandig, forureningsfri, og kan monteres direkte i belastningsmidten;

• Underholdelsesfri, med lav total driftskostnad;

• Utmerket fuktighetstålighet—kan operere normalt ved 100% fuktighet og kan bli reaktivert uten forhåndsvarming etter at den er skrudd av;

• Lave tap, lav delvis utslipp, lav støy, sterk varmeavledning, og kan operere ved 150% av nominalbelasting under tvungen luftkjøling;

• Utrüstet med et komplett temperaturbeskyttelsessystem, gir pålitelig sikkerhet for sikkert drift;

• Kompakt størrelse, lett vekt, liten fotavtrykk, og lav installasjonskostnad.

3. Ulemper med tørtransformatorer

• Ved samme kapasitet og spenningsklasse, er tørtransformatorer dyrere enn oljeinnholdige transformatorer;

• Spenningsklasse er begrenset—typisk opptil 35 kV, med bare noen få modeller som når 110 kV;

• Brukes generelt innendørs; når brukt utendørs, kreves en beskyttelseskasse med høy inngangsbeskyttelse (IP);

• For gipsede vindinger, hvis de blir skadet, må de ofte skrotes helt, da reparasjon vanligvis er vanskelig.

4. Struktur av tørtransformatorer

4.1 Vindinger
(1) Lagsvinding: Laget ved å stape flate eller runde ledere og vindes i en spireform for å danne flere lag. Isolasjon eller ventilasjonskanaler plasseres mellom lag. Vindingen er gipsa og hardet under vakuum ved hjelp av en form og spesialisert gipsutstyr. Prosess: stapla spiralvinding → plassert i form → vakuumgipsing.

(2) Folievinding: Laget ved å vinde tynne, brede ledere, med ett omslag per lag. Mellomlagsisolasjon fungerer også som omgangsisolasjon. Folievindinger bruker generelt aksial kjølekanaler: under vindingen settes mellomromsstreifer ved bestemte omslagstillater og fjernes senere for å danne aksiale luftkanaler. Etter vindingen på en folievindmaskin, trenger spolen bare å bli oppvarmet og hardet—ingen form eller gipsing er nødvendig.

Hvorfor er høyspenningssvindingen plassert på den ytre laget og lavspenningssvindingen på det indre laget?
Fordi lavspenningsiden opererer med en lavere spenning og krever mindre isoleringsavstand, ved å plassere den nærmere kjernen reduseres avstanden mellom svindingen og kjernen, noe som reduserer transformatorens totale størrelse og kostnad. I tillegg har høyspenningssvindingen ofte tappeforbindelser; ved å plassere den på utsiden blir drift mer praktisk og trygg.

4.2 Kjerne

• Konstruert ved å stape flere lamineringsplater av silisjern dekket med isolerende lak;

• Kjernen klemmes primært av klemmeframverk og klemmebolter;

• Over- og underklemmeframverk komprimerer kjernen og svindingene gjennom krympstenger eller krympplate;

• Kjerneisoleringkomponenter inkluderer rammeisolering, boltisolering, eller krympplateisolering.

Hvorfor må kjernen jordas?
Under normal drift må transformatorkjernen ha ett og bare ett pålitelig jordepunkt. Uten jording vil det oppstå en flytende spenning mellom kjernen og jord, som kan føre til periodiske brytningsløsninger fra kjernen til jord. Ved å jorde kjernen på ett punkt elimineres muligheten for en flytende potensial. 

Hvis imidlertid kjernen jordes på to eller flere punkter, vil ulike potensialer mellom kjernedeler føre til sirkulerende strømmer mellom jordepunkter, som resulterer i flerpunktsjordingsfeil og lokal overoppvarming. Slike kjernejordingsfeil kan forårsake alvorlig lokal temperaturøkning, som potensielt kan utløse beskyttelsesspark. I ekstreme tilfeller skaper smeltepunkter på kjernen kortslutninger mellom lamineringsplater, noe som øker kjernelister betydelig og påvirker transformatorens ytelse og drift sterkt—noe som noen ganger krever erstattelse av silisjernlamineringsplater for reparasjon. Derfor må ikke transformatorer ha flere jordepunkter; kun ett og nøyaktig ett jordepunkt er tillatt.

5.Temperaturreguleringssystem

Sikker drift og levetid for en tørtransformator avhenger stor del av sikkerheten og påliteligheten til svindingisoleringen. Hvis svindingstemperaturen overstiger isoleringens termiske tålmodighet, vil isoleringen bli skadet—dette er en av de viktigste grunnene til transformatorfeil. Derfor er overvåking av driftstemperaturen og implementering av alarm- og sparkontroller kritisk viktig.

(1) Automatisk viftekontroll: Temperaturmålinger utføres av Pt100 motstandstemperatursensorer innsatt i den varmeste delen av lavspenningssvindingen. Når transformatorbelastningen øker og driftstemperaturen stiger, starter systemet automatisk kjølevifter når svindingtemperaturen når 110°C, og stopper dem når temperaturen synker til 90°C.

(2) Høytemperaturalarm og overtemperaturspark: Temperaturmålinger fra svindingene eller kjernen samles inn av PTC ikke-lineære termistorer innsatt i lavspenningssvindingen. Hvis svindingtemperaturen fortsetter å stige og når 155°C, sender systemet et overtemperaturalarm-signal. Hvis temperaturen videre øker til 170°C, kan transformatoren ikke lenger driftes sikkert, og et overtemperaturspark-signal må sendes til sekundærbeskyttelseskretsen.

(3) Temperatursystem for visning: Temperaturverdier måles av Pt100 termistorer innsatt i lavspenningssvindingen og viser direkte temperaturen for hver fasensvinding (med trefasemonitoring, maksimalverdi-visning, og historisk toppetemperaturregistrering). Systemet gir et 4–20 mA analogt utdata for den høyeste temperaturen. Hvis fjernoverføring til en datamaskin er nødvendig (opp til 1200 meter unna), kan det utstyres med en datagrensesnitt og én transmitter, noe som gjør at opptil 31 transformatorer kan overvåkes samtidig. Pt100 termistor-signalet kan også utløse overtemperaturalarmer og -sparke, noe som øker påliteligheten til temperaturbeskyttelsessystemet.

6. Omslutning av tørtransformatorer

Avhengig av driftsmiljøets egenskaper og beskyttelseskrav, kan tørtransformatorer utstyres med forskjellige typer omslutninger. Typisk velges en IP20-ratet omslutning, som forhindrer faste fremmedlegemer større enn 12 mm i diameter og små dyr som rotter, slanger, katter og fugler fra å komme inn i transformator, noe som unngår alvorlige feil som kortslutninger og strømtap, og gir en sikkerhetsbarriere for live deler.

Hvis transformatoren må installeres utendørs, kan en IP23-ratet omslutning brukes. I tillegg til beskyttelsen som IP20 gir, hindrer den også vannkuber som faller med vinkler opp til 60° fra vertikalen. Imidlertid reduserer IP23-omslutningen transformatorens kjølevne, så man må ta hensyn til nedjustering av driftsevnen når denne typen omslutning velges.

7. Kjølingsmetoder for tørtransformatorer

Tørtransformatorer bruker to kjølingsmetoder: naturlig luftkjøling (AN) og tvungen luftkjøling (AF).

Ved naturlig luftkjøling kan transformatoren operere kontinuerlig på sitt nominale kapasitetsnivå over en lang periode.

Ved tvungen luftkjøling kan transformatorens utdanningskapasitet økes med 50%, noe som gjør den egnet for intermitterende overlastdrift eller nødsituasjoner med overlast. Imidlertid, under overlastdrift, øker lasttap og impedansespennings betydelig, noe som resulterer i uøkonomisk drift; derfor bør langvarig, kontinuerlig overlastdrift unngås.

8.Testprosjekter for tørtransformatorer

• Måling av spenningsfri motstand i vindinger:
  Kontrollerer svettedokvaliteten av de interne lederne, kontakttilstanden mellom tapendringskontaktene og ledene, samt om fasemotstandene er ubalanserte. Generelt bør ubalansen i motstand mellom linjer ikke overstige 2%, og ubalansen mellom faser bør ikke overstige 4%. For stor ubalans i spenningsfri motstand kan føre til sirkulasjonstrømmer mellom de tre fasene, øke sirkulasjonstrømtap og føre til uønskede effekter som overoppvarming av transformatoren.

• Sjekk spenningforhold ved alle tapstillinger:
  Verifiserer om antallet vikter er riktig og om alle taptilkoblinger er riktig koblet. Når 1000 V anlegges på høyspenningsiden (og dens ulike taps), sjekk om transformatoren gir omtrent 400 V på lavspenningsiden.

• Sjekk trefasvindingers koblingsgruppe og polaritet.

• Mål isolasjonsmotstand av kjerneisolerende fastgjøringsmaterialer og selve kernen.

• Mål isolasjonsmotstand av vindinger:
  Vurderer isolasjonsnivået mellom høy- og lavspenningsvindinger, samt jord. Vanligvis brukes en 2500 V megaohmmeter, og målte isolasjonsmotstandsverdier (HV–LV, HV–jord, LV–jord) må overstige angitte standardverdier.

• Alternativt spenningsprøvetest av vindinger:
  Vurderer hovedisolasjonstyrken mellom HV, LV, og jord via dielektriske styrkeprøver. Denne prøven er avgjørende for å oppdage lokale defekter introdusert under produksjon. For tørtransformatorer er typiske prøvespenninger: 35 kV for 10 kV-vindingen og 3 kV for 0.4 kV-vindingen, hver anvendt i 1 minutt uten nedbryting for å bli betraktet som akseptabel.

• Skruving- og låseprøver for strømbrytere på alle sider av transformatoren:
  Kontrollerer påliteligheten av beskyttelsesreléoperasjoner og bekrefter at skruvutstyr er intakt og feilfritt.

9. Impulsomskring (Inrush) Test

(1) Når en ubelasted transformator kobles fra, kan det oppstå skruvovervoltage. I kraftsystemer med en ubelasted neutral eller neutral belasted gjennom en buelukningsbobin, kan overvoltagehøyden nå 4–4.5 ganger fasevoltage; i systemer med direkte belasted neutral, kan den nå opptil 3 ganger fasevoltage. For å verifisere om transformatorisolasjonen kan tåle full voltage eller skruvovervoltage, kreves en impulsprøve.

(2) Inngang av en ubelasted transformator produserer magnetiseringsinrushstrøm, som kan nå 6–8 ganger nominell strøm. Inrushstrømmen reduserer raskt i begynnelsen - typisk til 0.25–0.5 ganger nominell strøm innen 0.5–1 sekund - men full reduksjon kan ta mye lenger, opp til titusener av sekunder for transformatorer med stor kapasitet. På grunn av de store elektromagnetiske kreftene generert av inrushstrøm, utføres impulsprøven for å evaluere transformatorens mekaniske styrke og for å vurdere om beskyttelsesreléer kan misfire under den tidlige reduksjonsfasen av inrushstrøm.
Generelt gjennomføres 5 impulsprøver for nye installerte transformatorer, mens overhauled transformatorer gjennomføres 3 impulsprøver.

10. Ubelastet Prøve

Formålet med ubelastet prøve er:

• Å måle transformatorens ubelasted tap og ubelasted strøm;

• Å verifisere om design og produksjon av kernen oppfyller tekniske spesifikasjoner og standarder;

• Å oppdage kernedefekter som lokal overoppvarming eller dårlig lokal isolasjon.

Under prøven er høyvoltage siden åpen, og nominell spenning anlegges på lavvoltage siden. Ubelasted tap er primært kernetap (jern).

Defekter som kan oppdages gjennom ubelastet prøve inkluderer:

• Dårlig isolasjon mellom silisiumstål lameller;

• Lokale kortslutter eller forbrenning mellom kernelameller;

• Isolasjonsfeil i kjerne-gjennomgående bolt, stålbindestropp, klammekløfter, øvre yokes, etc., som fører til kortslutter;

• Løse, misjusterte silisiumstålark eller for store luftgapper i magnetkretsen;

• Flerpunkt grounding av kernen;

• Kortslutning mellom vindinger eller ulikt antall vikter i parallelle grenner som fører til amperturn ubalans;

• Bruk av høytap, lavkvalitets silisiumstålark eller feil i designberegninger.

11.Kortslutningsprøve

Kortslutningsprøven måler hovedsakelig tap og impedans ved kortslutning. Den utføres ved satsing for å bekrefte korrektheten av viklingens struktur, og etter utskifting av viklinger for å sjekke om det foreligger betydelige avvik fra tidligere prøveresultater.

Teststrømforsyningen kan være trefase eller enfase, påført på høyspenningsiden mens lavspenningsiden er kortsluttet. Under testen heves strømmen på høyspenningsiden til dens nominelle verdi, og strømmen på lavspenningsiden kontrolleres for å forbli på nominell strøm.

12. Håndtering av unormale tilstander for tørtransformatorer

12.1 Unormal transformatorstøy

• Mekanisk støy forårsaket av:

• Løse kjerneklemmeboltene;

• Deformasjon av kjernehjørner grunnet feil håndtering under transport eller installasjon;

• Fremmedlegemer som danner bro mellom deler av kjernen;

• Løse festebolt for vifte eller fremmed smuss inne i viften;

• Løse festebolt for skapet som fører til vibrasjoner og støy fra panelene;

• Løse festebolt for lavspenningsbussen eller fravær av fleksible koblinger, som fører til vibrasjoner og støy.

• For høy inngangsspenning som fører til overeksitasjon og økt brummestøy.

• Støy fra harmoniske svingninger av høyere orden: uregelmessig i mønster – varierende i styrke og tilstedeværende med pauser. Forårsakes hovedsakelig av utstyr som genererer harmoniske svingninger (f.eks. elektriske ovner, tyristorlikestrømmer) på forsynings- eller lastsiden som leder harmoniske svingninger tilbake til transformatoren.

• Miljøfaktorer: lite transformatorrom med glatte vegger skaper en resonant "høyttalerboks"-effekt som forsterker opplevd støy.

12.2 Unormal temperaturvisning

• Sensoren er ikke stukket inn i sokkelen på baksiden av temperaturvisningsenheten – feilindikatorlyset tennes;

• Løs tilkobling i sensorstøpselet øker motstanden og fører til uriktig høy temperaturavlesning;

• Uendelig temperaturavlesning på en fase indikerer brudd i platinaresistanslederen i sensoren;

• Unormalt høy avlesning på en fase tyder på at platinaresistoren er delvis brutt (intermitterende tilstand).

En transformator virker etter prinsippet om elektromagnetisk induksjon. De viktigste komponentene i en transformator er viklingene og kjernen. I drift fungerer viklingene som vei for elektrisk strøm, mens kjernen fungerer som vei for magnetisk fluks. Når elektrisk energi tilføres primærviklingen, skaper vekselstrømmen et skiftende magnetfelt i kjernen (dvs. elektrisk energi konverteres til magnetisk feltenergi). På grunn av magnetisk kobling (flukskobling), endrer den magnetiske fluksen som passerer gjennom sekundærviklingen seg kontinuerlig, noe som dermed induserer en elektromotorisk spenning (EMK) i sekundærviklingen. Når en ytre krets er tilkoblet, levers elektrisk energi til lasten (dvs. magnetisk feltenergi konverteres tilbake til elektrisk energi). Denne «elektrisitet–magnetisme–elektrisitet»-konverteringsprosessen realiseres basert på prinsippet om elektromagnetisk induksjon, og denne energikonverteringsprosessen utgjør driftsprinsippet for en transformator.