Wyjaśnienie transformatorów suchych SCB i SGB

1. Wprowadzenie

Transformator działa na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Głównymi elementami transformatora są zwitki i rdzeń. W trakcie działania, zwitki stanowią drogę dla prądu elektrycznego, podczas gdy rdzeń służy jako ścieżka dla strumienia magnetycznego. Gdy energia elektryczna jest wprowadzana do zwitki pierwotnej, prąd przemienny tworzy pole magnetyczne przemienne w rdzeniu (czyli energia elektryczna jest zamieniana na energię pola magnetycznego). Ze względu na powiązanie magnetyczne (połączenie strumieniowe), strumień magnetyczny przechodzący przez zwitek wtórny ciągle się zmienia, co prowadzi do indukcji siły elektromotorycznej (SEM) w zwitce wtórnej. Gdy dołączony jest zewnętrzny obwód, energia elektryczna jest dostarczana do obciążenia (czyli energia pola magnetycznego jest ponownie zamieniana na energię elektryczną). Ten proces konwersji "elektryczność-magnetyzm-elektryczność" jest realizowany na podstawie zasady indukcji elektromagnetycznej, a ten proces konwersji energii stanowi zasadę działania transformatora.

U1N2 = U2N1

U1: Napięcie pierwotne; N1: Liczba zwojów zwitki pierwotnej; U2: Napięcie wtórne; N2: Liczba zwojów zwitki wtórnej

Zgodnie z chińskim standardem narodowym GB 1094.16, transformator suchy jest jasno zdefiniowany jako transformator, którego rdzeń i zwitki nie są zanurzone w cieczy izolacyjnej. Jego medium izolujące i chłodzące to powietrze. W szerokim znaczeniu, transformatory suche można podzielić na dwa główne typy: zakryte i otwarte.

• Typ "SC(B)" oznacza transformator suchy zlewkowy z żywicą epoksydową (litera "B" w oznaczeniu modelu wskazuje, że zwitki wykonane są z folii miedzianej; litera "B" w "SG(B)" ma takie samo znaczenie). Zwitek napięcia wysokiego jest całkowicie zaklejany żywicą epoksydową, podczas gdy zwitek napięcia niskiego zazwyczaj nie jest całkowicie zlewkowany żywicą epoksydową - tylko końcowe zwoje są zapieczętowane żywicą epoksydową (co wynika również z faktu, że strona napięcia niskiego przewodzi wyższy prąd, a pełna zlewka miałaby negatywny wpływ na odprowadzanie ciepła). Obecnie transformatory suche typu SC(B) są głównymi produktami na rynku, a ten artykuł używa ich jako przykładu do analizy. Większość transformatorów suchych typu SC(B) ma izolację klasy F, z kilkoma ocenionymi na klasę H.

• Typ "SG(B)" to transformator suchy otworowy, który używa papieru izolacyjnego NOMEX firmy DuPont (USA) do izolacji między zwojami. Zwitek napięcia niskiego wykonany jest z folii miedzianej, a zarówno zwitek napięcia wysokiego, jak i niskiego, podlegają zabiegom izolacyjnym VPI (Wakuowe Impregnowanie Pod Ciśnieniem). Powierzchnia jest pokryta warstwą lakieru izolacyjnego epoksydowego. Większość transformatorów suchych typu SG(B) ma izolację klasy H, z kilkoma ocenionymi na klasę C.

• Istnieje jeszcze jeden typ transformatora suchego, oznaczony jako "SCR(B)", który jest typem zakrytym, ale nie jest zlewkowany żywicą epoksydową. Jest całkowicie zakryty przy użyciu papieru NOMEX i żelu krzemowego, oparty na technologii francuskiej. Produkt ten ma bardzo ograniczoną popyt rynkowy. Wszystkie transformatory suchy typu SCR(B) mają izolację klasy H.

2. Zalety transformatorów suchych

• Bezpieczne, oporne na pożary, ogniotrwałe, wybuchobezpieczne, bez zanieczyszczeń, mogą być instalowane bezpośrednio w centrum obciążenia;

• Bez konserwacji, z niskimi całkowitymi kosztami eksploatacji;

• Doskonała odporność na wilgoć - mogą pracować normalnie przy 100% wilgotności i mogą być ponownie uruchomione bez wcześniejszego suszenia po wyłączeniu;

• Niskie straty, niska emisja częściowa, niski poziom hałasu, silne odprowadzanie ciepła, zdolne do pracy przy 150% obciążenia nominalnego w warunkach chłodzenia siłowanego powietrzem;

• Wyposażone w kompleksowy system ochrony i sterowania temperaturą, zapewniający niezawodne gwarancje bezpieczeństwa;

• Kompaktowy rozmiar, niewielka waga, mała powierzchnia podstawy, niskie koszty instalacji.

3. Wady transformatorów suchych

• Przy tej samej pojemności i napięciu, transformatory suche są droższe niż transformatory zanurzone w oleju;

• Ograniczone napięcie - zazwyczaj do 35 kV, z kilkoma modelami osiągającymi 110 kV;

• Zwykle używane wewnątrz pomieszczeń; gdy są używane na zewnątrz, wymagana jest obudowa o wysokiej stopniu ochrony przed wniknięciem (IP);

• Dla zwitków zlewkowych, jeśli zostaną uszkodzone, często trzeba je skasować, ponieważ naprawa jest zwykle trudna.

4. Budowa transformatorów suchych

4.1 Zwitki
(1) Zwitek warstwowy: Wykonany przez ułożenie płaskich lub okrągłych przewodników i nawinięcie ich w formie spiralnej, tworząc wiele warstw. Między warstwami umieszczane są izolacje lub kanały wentylacyjne. Zwitek jest zlewkowany i hartowany w próżni za pomocą formy i specjalistycznego sprzętu do zlewkowania. Proces: nawinięcie helikoidalne → umieszczenie w formie → zlewkowanie w próżni.

(2) Zwitek foliowy: Wykonany przez nawinięcie cienkich, szerokich przewodników, z jednym zwojem na warstwę. Izolacja między warstwami służy również jako izolacja między zwojami. Zwitki foliowe zazwyczaj używają kanałów chłodzących osiowych: podczas nawijania, na określone pozycje zwojów wstawiane są taśmy przestrzeniowe, które później są usunięte, tworząc kanały powietrzne osiowe. Po nawinięciu na maszynie do nawijania foliowego, cewka wymaga tylko nagrzanego hartowania - nie potrzebuje formy ani zlewkowania.

Dlaczego cewka wysokiego napięcia jest umieszczana na zewnętrznej warstwie, a cewka niskiego napięcia na wewnętrznej?
Ponieważ strona niskiego napięcia działa przy niższym napięciu i wymaga mniejszych odstępów izolacyjnych, umieszczenie jej bliżej rdzenia zmniejsza odległość między cewką a rdzeniem, co pozwala skrócić całkowite rozmiary transformatora i obniżyć koszty. Ponadto, cewka wysokiego napięcia zwykle ma podłączenia odcinkowe; umieszczenie jej na zewnątrz sprawia, że obsługa jest bardziej wygodna i bezpieczna.

4.2 Rdzeń

• Zbudowany przez ułożenie wielu warstw laminacji ze stopu krzemu pokrytych lakierem izolacyjnym;

• Rdzeń jest przede wszystkim zaciskany przez ramy zaciskające i śruby zaciskające;

• Górne i dolne ramy zaciskające kompresują rdzeń i cewki za pomocą prętów łącznikowych lub płyt łącznikowych;

• Komponenty izolacji rdzenia obejmują izolację ramek, izolację śrub lub izolację płyt łącznikowych.

Dlaczego rdzeń musi być zazemiony?
Podczas normalnej pracy, rdzeń transformatora musi mieć jedno i tylko jedno pewne punkt zaziemienia. Bez zaziemienia, pomiędzy rdzeniem a ziemią powstanie dryfujące napięcie, prowadząc do okresowych przebicia z rdzenia do ziemi. Zaziemienie rdzenia w jednym punkcie eliminuje możliwość wystąpienia dryfującego potencjału. 

Jednak, jeśli rdzeń jest zazemiony w dwóch lub więcej punktach, nierównomierne potencjały między sekcjami rdzenia spowodują obiegi prądów między punktami zaziemienia, powodując awarie wielopunktowego zaziemienia i lokalne przegrzewanie. Takie awarie zaziemienia rdzenia mogą powodować silny lokalny wzrost temperatury, który może prowadzić do uruchomienia ochrony. W ekstremalnych przypadkach, topniejące miejsca na rdzeniu tworzą zwarcia między laminacjami, znacząco zwiększając straty w rdzeniu i poważnie wpływając na działanie i pracę transformatora—czasami wymagając wymiany laminacji ze stopu krzemu do naprawy. Dlatego transformatory nie mogą posiadać wielu punktów zaziemienia; dozwolony jest tylko jeden i dokładnie jeden punkt zaziemienia.

5. System kontroli temperatury

Bezpieczna praca i żywotność suchego transformatora w dużej mierze zależą od bezpieczeństwa i niezawodności izolacji cewek. Jeśli temperatura cewek przekroczy termiczne granice wytrzymałości izolacji, izolacja zostanie uszkodzona—jest to jedna z głównych przyczyn awarii transformatora. Dlatego monitorowanie temperatury pracy oraz implementacja alarmów i kontrolek odcięcia są kluczowe.

(1) Automatyczna kontrola wentylatora: Sygnały temperatury są mierzone przez czujniki oporu temperatury Pt100 osadzone w najgorętszej części cewki niskiego napięcia. Gdy obciążenie transformatora rośnie i temperatura pracy wzrasta, system automatycznie uruchamia wiatraki chłodzące, gdy temperatura cewki osiąga 110°C, a zatrzymuje je, gdy temperatura spada do 90°C.

(2) Alarm wysokiej temperatury i odcięcie przy przegrzaniu: Sygnały temperatury z cewek lub rdzenia są zbierane przez nieliniowe termistory PTC osadzone w cewce niskiego napięcia. Jeśli temperatura cewek nadal rośnie i osiąga 155°C, system generuje sygnał alarmu przegrzania. Jeśli temperatura dalej wzrasta do 170°C, transformator nie może już bezpiecznie pracować, a sygnał odcięcia przegrzania musi zostać wysłany do obwodu ochronnego drugiego stopnia.

(3) System wyświetlania temperatury: Wartości temperatury są mierzone przez termistory Pt100 osadzone w cewce niskiego napięcia i bezpośrednio wyświetlają temperaturę każdej fazy cewki (z monitorowaniem trójfazowym, wyświetleniem maksymalnej wartości i rejestrowaniem historycznej najwyższej temperatury). System zapewnia analogowy sygnał wyjściowy 4–20 mA dla najwyższej temperatury. Jeśli wymagana jest zdalna transmisja do komputera (do 1200 metrów), można go wyposażić w interfejs komputerowy i jeden nadajnik, umożliwiając jednoczesne monitorowanie do 31 transformatorów. Sygnał termistora Pt100 może również wywoływać alerty przegrzania i odcięcia, dalej zwiększając niezawodność systemu ochrony przed przegrzaniem.

6. Obudowa suchych transformatorów

W zależności od charakterystyki środowiska pracy i wymogów ochronnych, suche transformatory mogą być wyposażone w różne rodzaje obudów. Zwykle wybiera się obudowę o klasie IP20, która zapobiega dostępowi stałych obcych ciał o średnicy większej niż 12 mm oraz małych zwierząt, takich jak szczury, węże, koty i ptaki, do wnętrza transformatora, co zapobiega poważnym awariom, takim jak zwarcia i awarie zasilania, oraz zapewnia barierę bezpieczeństwa dla części pod napięciem.

Jeśli transformator musi być zamontowany na zewnątrz, można użyć obudowy o klasie IP23. Oprócz ochrony oferowanej przez IP20, zapobiega ona również wpadaniu kropel wody padających pod kątem do 60° względem pionu. Jednak obudowa IP23 zmniejsza zdolność chłodzenia transformatora, więc należy zwrócić uwagę na odpowiednie obniżenie jego zdolności operacyjnej przy wyborze tego typu obudowy.

7. Metody chłodzenia suchych transformatorów

Suche transformatory wykorzystują dwie metody chłodzenia: naturalne chłodzenie powietrzem (AN) i wymuszone chłodzenie powietrza (AF).

Przy naturalnym chłodzeniu powietrza transformator może działać ciągle na swojej nominalnej mocy przez dłuższy okres.

Przy wymuszonym chłodzeniu powietrza moc wyjściowa transformatora może być zwiększona o 50%, co sprawia, że jest odpowiednia dla przejściowego obciążenia przekroczonym lub awaryjnego stanu przeciążenia. Jednakże podczas pracy przy przeciążeniu straty obciążeniowe i napięcie zastępcze wzrastają znacząco, prowadząc do nieekonomicznej pracy; dlatego należy unikać długotrwałego ciągłego przeciążenia.

8. Testy dla suchych transformatorów

• Pomiar oporu stałoprądowego cewek:
  Sprawdza jakość spawania wewnętrznych przewodników, stan połączeń między przełącznikami odstępowymi a przewodami, oraz czy opory faz są zbilansowane. Ogólnie, nierównowaga oporów między liniami nie powinna przekraczać 2%, a nierównowaga między fazami nie powinna przekraczać 4%. Zbyt duża nierównowaga oporu stałeprądowego może powodować prądy wirujące między trzema fazami, zwiększając straty prądów wirujących i prowadząc do niepożądanych skutków, takich jak nadmierny nagrzewanie się transformatora.

• Sprawdzenie stosunku napięć we wszystkich pozycjach odstępowych:
  Weryfikuje, czy liczba zwitków jest poprawna i czy wszystkie połączenia odstępowe są prawidłowo przewiedzione. Podczas zastosowania 1000 V do strony wysokiego napięcia (i jej różnych odstępów), sprawdza, czy transformator wydaje około 400 V na stronie niskiego napięcia.

• Sprawdzenie grupy połączeń cewek trójfazowych i polarności.

• Pomiar oporu izolacyjnego mocowanych elementów izolacji rdzenia i samego rdzenia.

• Pomiar oporu izolacyjnego cewek:
  Ocenia poziom izolacji między cewkami wysokiego i niskiego napięcia, a ziemią. Zwykle używa się megomierza 2500 V, a zmierzony opór izolacyjny (HV–LV, HV–ziemia, LV–ziemia) musi przekroczyć określone wartości standardowe.

• Test wytrzymałości na napięcie przemiennoprądowe cewek:
  Ocena głównej wytrzymałości izolacji między HV, LV, a ziemią poprzez testowanie wytrzymałości dielektrycznej. Ten test jest decydujący w wykrywaniu lokalnych defektów wprowadzonych podczas produkcji. Dla suchych transformatorów typowe napięcia testowe to: 35 kV dla cewki 10 kV i 3 kV dla cewki 0,4 kV, z aplikacją przez 1 minutę bez przepalania, aby było uznane za dopuszczalne.

• Testy przełączania i blokady przekaźników na wszystkich stronach transformatora:
  Weryfikują niezawodność działania urządzeń ochronnych i potwierdzają, że urządzenia przełączające są nietknięte i wolne od usterek.

9. Test impulsowy (impuls napędowy)

(1) Podczas rozłączania transformatora bez obciążenia może wystąpić napięcie przełączania. W systemach energetycznych z neutralą niezakłóconą lub zneutralizowaną przez cewkę tłumiącą łuk, amplituda napięcia przełączania może osiągnąć 4–4,5 razy napięcie fazowe; w systemach z bezpośrednio zneutralizowaną neutralą może osiągnąć do 3 razy napięcie fazowe. Aby zweryfikować, czy izolacja transformatora może wytrzymać pełne napięcie lub napięcie przełączania, wymagany jest test impulsowy.

(2) Wzbudzenie transformatora bez obciążenia powoduje powstanie prądu magnetyzującego, który może osiągnąć 6–8 razy nominalny prąd. Prąd ten początkowo szybko maleje – zazwyczaj do 0,25–0,5 razy nominalny prąd w ciągu 0,5–1 sekundy – ale pełny rozpad może zająć znacznie więcej czasu, nawet kilkadziesiąt sekund dla transformatorów o dużej mocy. Ze względu na duże siły elektromagnetyczne generowane przez prąd magnetyzujący, wykonuje się test impulsowy, aby ocenić wytrzymałość mechaniczną transformatora i sprawdzić, czy urządzenia ochronne mogą działać niepoprawnie w początkowej fazie rozpadu prądu magnetyzującego.
Zwykle nowo zamontowane transformatory poddaje się 5 testom impulsowym, a transformatory po remoncie poddaje się 3 testom impulsowym.

10. Test bezobciążeniowy

Celem testu bezobciążeniowego jest:

• Pomiar strat bezobciążeniowych i prądu bezobciążeniowego transformatora;

• Weryfikacja, czy projekt i produkcja rdzenia spełniają techniczne specyfikacje i normy;

• Wykrywanie defektów rdzenia, takich jak lokalne przegrzewanie lub słaba lokalna izolacja.

Podczas testu strona wysokiego napięcia jest otwarta, a nominalne napięcie jest zastosowane do strony niskiego napięcia. Straty bezobciążeniowe są głównie stratami rdzenia (żelaza).

Defekty wykrywalne poprzez test bezobciążeniowy obejmują:

• Słaba izolacja między laminatami stali silikonowej;

• Lokalne zwarcia lub uszkodzenia spaleniowe między laminatami rdzenia;

• Awaria izolacji w śrubach przechodzących przez rdzeń, stalowych taśmach wiążących, płytach zaciskowych, górnych jarmach itp., powodująca zwarcia;

• Luźne, niewłaściwie ułożone laminaty stali silikonowej lub zbyt duże luki w obwodzie magnetycznym;

• Wielopunktowe ziemienie rdzenia;

• Zwarcia między zwitkami lub warstwami cewek, lub nierównomierne zwitki w równoległych gałęziach powodujące nierównowagę ampere-obrotów;

• Użycie stali silikonowej o wysokich stratach i niskiej jakości lub błędy w obliczeniach projektowych.

11. Test krótkiego zwarcia

Test krótkiego spięcia przede wszystkim mierzy straty w przypadku spięcia i impedancję. Jest przeprowadzany podczas uruchomienia, aby zweryfikować poprawność struktury zwojów, oraz po wymianie zwojów, aby sprawdzić znaczące odchylenia od poprzednich wyników testów.

Źródło zasilania do testu może być trójfazowe lub jednofazowe, stosowane na stronie wysokiego napięcia, podczas gdy strona niskiego napięcia jest krótko spięta. W trakcie testu prąd na stronie wysokiego napięcia jest podniesiony do wartości nominalnej, a prąd na stronie niskiego napięcia jest kontrolowany, aby utrzymać się na prądzie nominalnym.

12. Obsługa nieprawidłowych stanów transformatorów suchych

12.1 Nieprawidłowy hałas transformatora

• Hałas mechaniczny spowodowany przez:

• Luźne śruby zaciskające rdzeń;

• Zniekształcenie rogów rdzenia ze względu na nierozważną obsługę podczas transportu lub montażu;

• Obce obiekty mostkujące części rdzenia;

• Luźne śruby mocowania wentylatora lub obce ciała wewnątrz wentylatora;

• Luźne śruby mocowania obudowy powodujące drgania i hałas panełów;

• Luźne śruby mocowania magistrali niskiego napięcia lub brak elastycznych połączeń, prowadzące do drgań i hałasu.

• Zbyt wysoki napięcie wejściowe powodujące nadwzbudzenie i głośniejszy dźwięk pomruku.

• Hałas z wyższych harmonicznych: nieregularny w charakterze – zmieniający się w natężeniu i okresowo występujący. Głównie spowodowany urządzeniami generującymi harmoniczne (np., piec elektryczny, prostowniki thyristorowe) na stronie zasilania lub obciążenia, które wprowadzają harmoniczne do transformatora.

• Czynniki środowiskowe: mała sala transformatora z gładkimi ścianami tworzy efekt rezonansu "puszki akustycznej", wzmacniając odczuwany hałas.

12.2 Nieprawidłowy wyświetlacz temperatury

• Czujnik nie został włożony do gniazda na tylnej części wyświetlacza temperatury – wskaźnik awarii świeci się;

• Luźne połączenie przy wtyczce czujnika zwiększa opór, powodując fałszywie wysokie odczyty temperatury;

• Nieskończone odczyty temperatury dla jednej fazy wskazują na rozłączoną pętlę w drucie opornym platynowym czujnika;

• Zanormalnie wysokie odczyty dla jednej fazy sugerują, że opornik platynowy jest w stanie częściowego uszkodzenia (przewidywanego).

Transformator działa na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Podstawowe elementy transformatora to zwoje i rdzeń. W trakcie działania zwoje służą jako droga dla prądu elektrycznego, podczas gdy rdzeń służy jako droga dla linii magnetycznej. Gdy energia elektryczna jest wprowadzana do zwoju pierwotnego, prąd zmienny tworzy pole magnetyczne zmiennicze w rdzeniu (czyli energia elektryczna jest przekształcana w energię pola magnetycznego). Ze względu na sprzężenie magnetyczne (linie magnetyczne), pole magnetyczne przechodzące przez zwoje wtórne ciągle się zmienia, co powoduje indukcję siły elektromotorycznej (SEM) w zwoju wtórnym. Gdy dołączony jest zewnętrzny obwód, energia elektryczna jest dostarczana do obciążenia (czyli energia pola magnetycznego jest ponownie przekształcana w energię elektryczną). Ten proces konwersji "elektryczność–magnetyzm–elektryczność" jest realizowany na zasadzie indukcji elektromagnetycznej, a ten proces konwersji energii stanowi zasadę działania transformatora.