Объяснение сухих трансформаторов SCB и SGB

1. Введение

Трансформатор работает на принципе электромагнитной индукции. Основные компоненты трансформатора — это обмотки и сердечник. Во время работы обмотки служат путем для электрического тока, а сердечник — путем для магнитного потока. Когда электрическая энергия подается на первичную обмотку, переменный ток создает в сердечнике переменное магнитное поле (то есть электрическая энергия преобразуется в энергию магнитного поля). Из-за магнитной связи (магнитной наводки) магнитный поток, проходящий через вторичную обмотку, постоянно изменяется, что вызывает появление электродвижущей силы (ЭДС) во вторичной обмотке. При подключении внешней цепи электрическая энергия передается нагрузке (то есть энергия магнитного поля снова преобразуется в электрическую энергию). Этот процесс "электричество-магнетизм-электричество" реализуется на основе принципа электромагнитной индукции, и этот процесс преобразования энергии составляет рабочий принцип трансформатора.

U1N2 = U2N1

U1: Напряжение первичной обмотки; N1: Количество витков первичной обмотки; U2: Напряжение вторичной обмотки; N2: Количество витков вторичной обмотки

Согласно китайскому государственному стандарту GB 1094.16, сухой трансформатор четко определяется как трансформатор, у которого сердечник и обмотки не погружены в изоляционную жидкость. Его изолирующая и охлаждающая среда — воздух. В широком смысле сухие трансформаторы можно разделить на два основных типа: заливные и открытые.

• Тип "SC(B)" относится к эпоксидному заливному сухому трансформатору (буква "B" в обозначении модели указывает, что обмотки изготовлены из медной фольги; буква "B" в "SG(B)" имеет то же значение). Высоковольтная обмотка полностью заливается эпоксидной смолой, тогда как низковольтная обмотка обычно не заливается полностью — только концы витков запечатываются эпоксидной смолой (это также связано с тем, что на низковольтной стороне проходит больший ток, и полная заливка отрицательно повлияет на теплоотвод). В настоящее время трансформаторы типа SC(B) являются основными продуктами на рынке, и в этой статье они используются в качестве примера для анализа. Большинство трансформаторов типа SC(B) имеют класс F изоляции, некоторые — класс H.

• Тип "SG(B)" — это открытый сухой трансформатор, который использует NOMEX изоляционную бумагу от DuPont (США) для изоляции между витками. Низковольтная обмотка изготовлена из медной фольги, а высоковольтная и низковольтная обмотки проходят VPI (вакуумно-прессовое пропитывание) изоляционную обработку. Поверхность покрыта слоем эпоксидной изоляционной лаковой краски. Большинство трансформаторов типа SG(B) имеют класс H изоляции, некоторые — класс C.

• Есть еще один тип сухого трансформатора, обозначенный как "SCR(B)", который является заливным, но не заливается эпоксидной смолой. Он полностью заливается с использованием NOMEX бумаги и силиконового геля, на основе французской технологии. Этот продукт имеет очень ограниченный спрос на рынке. Все трансформаторы типа SCR(B) имеют класс H изоляции.

2 Преимущества сухих трансформаторов

• Безопасны, огнестойкие, негорючие, взрывобезопасные, экологически чистые, могут быть установлены непосредственно в центре нагрузки;

• Не требуют технического обслуживания, с низкими общими эксплуатационными затратами;

• Отличная влагостойкость — могут работать при 100% влажности и могут быть повторно подключены без предварительной сушки после выключения;

• Низкие потери, низкий частичный разряд, низкий шум, сильное теплоотведение, способны работать при 150% номинальной нагрузки при принудительном воздушном охлаждении;

• Оснащены комплексной системой защиты и контроля температуры, обеспечивающей надежную безопасность при эксплуатации;

• Компактные размеры, малый вес, небольшая занимаемая площадь, низкие затраты на установку.

3. Недостатки сухих трансформаторов

• При одинаковой мощности и напряжении сухие трансформаторы дороже масляных трансформаторов;

• Ограничение по напряжению — обычно до 35 кВ, с некоторыми моделями до 110 кВ;

• Обычно используются внутри помещений; при использовании на открытом воздухе требуется защитный корпус с высоким классом защиты (IP);

• Для заливных обмоток, если они повреждены, часто необходимо полностью списывать, так как ремонт обычно затруднен.

4. Структура сухих трансформаторов

4.1 Обмотки
(1) Многослойная обмотка: изготавливается путем укладки плоских или круглых проводников и их намотки в виде спирали, образуя несколько слоев. Между слоями устанавливаются изоляционные или вентиляционные каналы. Обмотка заливается и отверждается под вакуумом с использованием формы и специального оборудования для заливки. Процесс: многослойная спиральная намотка → помещение в форму → вакуумная заливка.

(2) Фольговая обмотка: изготавливается путем намотки тонких широких проводников, с одним витком на слой. Межслойная изоляция также служит изоляцией между витками. Фольговые обмотки обычно используют осевые вентиляционные каналы: при намотке в определенных местах вставляются прокладки, которые затем удаляются, образуя осевые воздушные каналы. После намотки на машине для фольговых обмоток катушка только нуждается в нагреве и отверждении — форма и заливка не требуются.

Почему высоковольтная обмотка размещается на внешнем слое, а низковольтная — на внутреннем?
Потому что сторона с низким напряжением работает при меньшем напряжении и требует меньшего изоляционного зазора. Размещение ее ближе к сердечнику уменьшает расстояние между обмоткой и сердечником, что в свою очередь уменьшает общие размеры и стоимость трансформатора. Кроме того, высоковольтная обмотка обычно имеет отводы; ее размещение снаружи делает эксплуатацию более удобной и безопасной.

4.2 Сердечник

• Изготавливается путем наслоения нескольких листов силиконовой стали, покрытых изолирующей краской;

• Сердечник в основном зажимается рамами и болтами зажима;

• Верхние и нижние рамы зажимают сердечник и обмотки через стяжные штанги или пластины;

• Изоляционные компоненты сердечника включают изоляцию рам, изоляцию болтов или изоляцию стяжных пластин.

Почему сердечник должен быть заземлен?
Во время нормальной работы у сердечника трансформатора должно быть одно и только одно надежное заземление. Без заземления между сердечником и землей возникнет плавающее напряжение, что приведет к периодическим пробойным разрядам от сердечника к земле. Заземление сердечника в одной точке исключает возможность появления плавающего потенциала. 

Однако, если сердечник заземлен в двух или более точках, неравномерные потенциалы между секциями сердечника вызывают циркуляционные токи между точками заземления, что приводит к многоточечным заземлительным неисправностям и местному перегреву. Такие заземлительные неисправности сердечника могут вызвать серьезный местный перегрев, что может привести к срабатыванию защиты. В крайних случаях, расплавленные участки на сердечнике создают короткие замыкания между листами, значительно увеличивая потери в сердечнике и серьезно влияя на производительность и работу трансформатора — иногда требуется замена листов силиконовой стали для ремонта. Поэтому трансформаторы не должны иметь нескольких точек заземления; допускается только одна и именно одна точка заземления.

5. Система контроля температуры

Безопасная работа и срок службы сухого трансформатора во многом зависят от безопасности и надежности изоляции обмоток. Если температура обмотки превышает теплостойкий предел изоляции, изоляция будет повреждена — это одна из основных причин неисправности трансформатора. Поэтому мониторинг рабочей температуры и реализация сигнализации и управления аварийными отключениями имеют критическое значение.

(1) Автоматическое управление вентиляторами: Температурные сигналы измеряются резисторами Pt100, встроенными в самую горячую часть низковольтной обмотки. По мере увеличения нагрузки трансформатора и повышения рабочей температуры система автоматически включает охлаждающие вентиляторы, когда температура обмотки достигает 110°C, и выключает их, когда температура снижается до 90°C.

(2) Сигнализация о высокой температуре и аварийное отключение при перегреве: Температурные сигналы от обмоток или сердечника собираются нелинейными термисторами PTC, встроенными в низковольтную обмотку. Если температура обмотки продолжает расти и достигает 155°C, система выдает сигнал тревоги о перегреве. Если температура увеличивается до 170°C, трансформатор больше не может работать безопасно, и необходимо отправить сигнал аварийного отключения вторичной защитной цепи.

(3) Система индикации температуры: Температурные значения измеряются терморезисторами Pt100, встроенными в низковольтную обмотку, и непосредственно отображают температуру каждой фазовой обмотки (с трехфазным мониторингом, отображением максимальной величины и записью исторического максимума температуры). Система предоставляет аналоговый выход 4–20 мА для максимальной температуры. Если требуется дистанционная передача данных на компьютер (до 1200 метров), можно установить интерфейс компьютера и один передатчик, что позволяет одновременно контролировать до 31 трансформаторов. Сигнал терморезистора Pt100 также может запускать сигнализацию о перегреве и аварийное отключение, что еще больше повышает надежность системы защиты от перегрева.

6. Корпус сухих трансформаторов

В зависимости от характеристик окружающей среды и требований к защите, сухие трансформаторы могут оснащаться различными типами корпусов. Обычно выбирается корпус с классом защиты IP20, который предотвращает попадание твердых посторонних предметов диаметром более 12 мм и маленьких животных, таких как крысы, змеи, кошки и птицы, в трансформатор, что предотвращает серьезные неисправности, такие как короткие замыкания и отключения питания, и обеспечивает защиту для живых частей.

Если трансформатор должен быть установлен на открытом воздухе, можно использовать корпус с классом защиты IP23. Помимо защиты, предоставляемой IP20, он также предотвращает попадание капель воды, падающих под углом до 60° к вертикали. Однако корпус IP23 снижает способность трансформатора к охлаждению, поэтому при выборе такого типа корпуса следует обратить внимание на необходимость соответствующего снижения его рабочей мощности.

7. Методы охлаждения сухих трансформаторов

Сухие трансформаторы используют два метода охлаждения: естественное воздушное охлаждение (AN) и принудительное воздушное охлаждение (AF).

При естественном воздушном охлаждении трансформатор может работать непрерывно на номинальной мощности в течение длительного времени.

При принудительном воздушном охлаждении выходная мощность трансформатора может быть увеличена на 50%, что делает его пригодным для кратковременной перегрузки или аварийных условий перегрузки. Однако при работе на перегрузке потери нагрузки и импедансное напряжение значительно увеличиваются, что приводит к неэкономичной работе; поэтому следует избегать длительной непрерывной работы на перегрузке.

8. Проверочные испытания сухих трансформаторов

• Измерение постоянного сопротивления обмоток:
  Проверяет качество сварки внутренних проводников, контакт между переключателями ответвлений и выводами, а также баланс фазовых сопротивлений. Обычно дисбаланс сопротивлений между линиями не должен превышать 2%, а между фазами — 4%. Избыточный дисбаланс постоянного сопротивления может вызвать циркуляционные токи между тремя фазами, увеличивая потери от циркуляционных токов и приводя к нежелательным эффектам, таким как перегрев трансформатора.

• Проверка коэффициента напряжения на всех позициях переключателей:
  Проверяет, правильное ли количество витков и правильно ли подключены все контакты переключателей. При подаче 1000 В на высоковольтную сторону (и ее различные ответвления) проверяется, выдает ли трансформатор примерно 400 В на низковольтной стороне.

• Проверка группы соединений трехфазных обмоток и полярности.

• Измерение сопротивления изоляции закрепленных изолированных деталей сердечника и самого сердечника.

• Измерение сопротивления изоляции обмоток:
  Оценивает уровень изоляции между высоковольтными, низковольтными обмотками и землей. Обычно используется мегаомметр на 2500 В, и измеренные значения сопротивления изоляции (ВН–НН, ВН–земля, НН–земля) должны превышать установленные стандартные значения.

• Испытание на переменное напряжение обмоток:
  Оценивает основную прочность изоляции между ВН, НН и землей посредством испытаний на диэлектрическую прочность. Это испытание является определяющим для обнаружения локальных дефектов, введенных во время производства. Для сухих трансформаторов типичные испытательные напряжения составляют: 35 кВ для обмотки 10 кВ и 3 кВ для обмотки 0,4 кВ, каждое из которых применяется в течение 1 минуты без пробоя, чтобы считаться приемлемым.

• Испытания на переключение и блокировку выключателей на всех сторонах трансформатора:
  Проверяет надежность работы защитных реле и подтверждает, что коммутационное оборудование целое и без дефектов.

9. Испытание на импульсное переключение (ток включения)

(1) При отключении разгруженного трансформатора может возникнуть переключательное перенапряжение. В электрических системах с незаземленной нейтралью или нейтралью, заземленной через дугогасительную катушку, величина перенапряжения может достигать 4–4,5 раза фазного напряжения; в системах с непосредственно заземленной нейтралью — до 3 раз фазного напряжения. Чтобы проверить, способна ли изоляция трансформатора выдерживать полное напряжение или переключательное перенапряжение, требуется проведение импульсного испытания.

(2) При подаче напряжения на разгруженный трансформатор возникает магнитизирующий ток включения, который может достигать 6–8 раз номинального тока. Ток включения быстро уменьшается вначале — обычно снижается до 0,25–0,5 раз номинального тока в течение 0,5–1 секунды, но полное затухание может занять гораздо больше времени, до нескольких десятков секунд для трансформаторов большой мощности. В связи с большими электромагнитными силами, создаваемыми током включения, проводится импульсное испытание для оценки механической прочности трансформатора и проверки, могут ли защитные реле некорректно сработать в начальной фазе затухания тока включения.
Обычно новые трансформаторы проходят 5 импульсных испытаний, а отремонтированные — 3 импульсных испытания.

10. Испытание холостого хода

Цель испытания холостого хода:

• Измерить потери и ток холостого хода трансформатора;

• Проверить, соответствует ли конструкция и производство сердечника техническим спецификациям и стандартам;

• Обнаружить дефекты сердечника, такие как местное перегревание или плохая местная изоляция.

Во время испытания высоковольтная сторона отключается, а на низковольтную сторону подается номинальное напряжение. Потери холостого хода в основном являются потерями сердечника (железа).

Дефекты, которые можно обнаружить при испытании холостого хода, включают:

• Плохую изоляцию между пластинами из кремниевой стали;

• Местные короткие замыкания или повреждения между пластинами сердечника;

• Повреждение изоляции в болтах, проходящих через сердечник, стальных обвязках, зажимных пластинах, верхних ярмах и т. д., приводящее к коротким замыканиям;

• Расположенные свободно, смещеные пластины из кремниевой стали или чрезмерные воздушные зазоры в магнитном контуре;

• Многоточечное заземление сердечника;

• Междувитковые или межслойные короткие замыкания в обмотках, или неравное количество витков в параллельных ветвях, приводящее к дисбалансу ампер-витков;

• Использование высокоэнергоемких, низкокачественных пластин из кремниевой стали или ошибки в расчетах при проектировании.

11. Испытание на короткое замыкание

Испытание на короткое замыкание в основном измеряет потери при коротком замыкании и импеданс. Оно проводится при вводе в эксплуатацию для проверки правильности конструкции обмоток, а также после замены обмоток для проверки значительных отклонений от результатов предыдущих испытаний.

Источник питания для испытания может быть трехфазным или однофазным, подключаемым к высоковольтной стороне, в то время как низковольтная сторона коротко замкнута. В ходе испытания ток на высоковольтной стороне повышается до номинального значения, а ток на низковольтной стороне контролируется, чтобы оставаться на номинальном уровне.

12. Обработка аномальных условий сухих трансформаторов

12.1 Аномальный шум трансформатора

• Механический шум, вызванный:

• Ослаблением болтов зажима сердечника;

• Деформацией углов сердечника вследствие неправильной транспортировки или установки;

• Посторонними предметами, соединяющими части сердечника;

• Ослаблением болтов крепления вентилятора или наличием посторонних предметов внутри вентилятора;

• Ослаблением болтов крепления корпуса, что приводит к вибрации и шуму панели;

• Ослаблением болтов крепления низковольтной шины или отсутствием гибких соединений, что приводит к вибрации и шуму.

• Чрезмерно высокое входное напряжение, вызывающее перенапряжение и более громкий гул.

• Шум от высших гармоник: нерегулярный по характеру—изменяется по интенсивности и периодически присутствует. В основном вызывается оборудованием, генерирующим гармоники (например, электрические печи, тиристорные выпрямители) на стороне питания или нагрузки, подающим гармоники обратно в трансформатор.

• Факторы окружающей среды: маленькая трансформаторная комната с гладкими стенами создает резонансный эффект "акустической коробки", усиливая воспринимаемый шум.

12.2 Аномальное отображение температуры

• Датчик не вставлен в разъем на задней панели блока отображения температуры—индикатор неисправности загорается;

• Ослабленное соединение на разъеме датчика увеличивает сопротивление, что приводит к ложному высокому показанию температуры;

• Бесконечное показание температуры на одной фазе указывает на обрыв платинового провода датчика;

• Аномально высокое показание на одной фазе свидетельствует о частичном разрыве (периодическом) состояния платинового резистора.

Трансформатор работает на основе принципа электромагнитной индукции. Основными компонентами трансформатора являются обмотки и сердечник. Во время работы обмотки служат путем для электрического тока, а сердечник — путем для магнитного потока. Когда электрическая энергия подается на первичную обмотку, переменный ток создает переменное магнитное поле в сердечнике (то есть электрическая энергия преобразуется в энергию магнитного поля). Из-за магнитной связи (магнитной связи) магнитный поток, проходящий через вторичную обмотку, постоянно изменяется, что вызывает электродвижущую силу (ЭДС) во вторичной обмотке. Когда внешняя цепь подключена, электрическая энергия передается нагрузке (то есть энергия магнитного поля преобразуется обратно в электрическую энергию). Этот процесс "электричество–магнетизм–электричество" реализуется на основе принципа электромагнитной индукции, и этот процесс преобразования энергии составляет рабочий принцип трансформатора.