SCB in SGB sušne transformatorje razloženi

1. Uvod

Transformator deluje na principu elektromagnetske indukcije. Glavni komponenti transformatorja so viklini in jezgro. Med delovanjem služijo viklini kot pot za električni tok, medtem ko jezgro služi kot pot za magnetno tokovico. Ko se v prvotni viklin vneseta električna energija, izmenični tok ustvari izmenično magnetsko polje v jezgru (tj. električna energija se pretvori v energijo magnetskega polja). Zaradi magnetskega povezovanja (tokovica) se magnetska tokovica, ki prehaja skozi sekundarni viklin, nenehno spreminja, s tem pa v sekundarnem viklinu povzroči elektronski premik (EMF). Ko se priključi zunanji obvod, se električna energija dostavi na breme (tj. energija magnetskega polja se spet pretvori v električno energijo). Ta "električnost–magnetizem–električnost" konverzija je realizirana na osnovi principa elektromagnetske indukcije, ta proces pretvorbe energije pa tvori delovni princip transformatorja.

U1N2 = U2N1

U1: Prvotno napetost；N1: Število zavojnic prvotnega viklina；U2: Sekundarna napetost；N2: Število zavojnic sekundarnega viklina

Po kitajskem nacionalnem standardu GB 1094.16 je suhi transformator jasno določen kot transformator, katerih jezgro in viklini niso potopljeni v izolirajoča tekočina. Njegov izolirajoč in hladilni medij je zrak. V širšem smislu se suhi transformatorji razdelijo na dve glavni vrsti: zaključeni in odprti naviti.

• Vrsta "SC(B)" se nanaša na suhi transformator, zaključen s epoksidnim smolnim (označba "B" v modelu označuje, da so viklini izdelani iz bakrene folije; "B" v "SG(B)" ima isto pomen). Visokonapetostni viklin je popolnoma zaključen s epoksidno smolno, medtem ko je nizkonapetostni viklin običajno ne popolnoma zaključen s epoksidno smolno – le konci so zaprti z epoksidno smolno (to je tudi zaradi večjega toka na strani nizke napetosti, pri čemer bi popolno zaključevanje negativno vplivalo na hlađenje). Trenutno so SC(B)-vrste suhov transformatorjev glavni proizvodi na trgu, ta članek pa jih uporablja kot primer za analizo. Večina SC(B)-vrst suhov transformatorjev ima izolacijo razreda F, z malo izdelkov razreda H.

• Vrsta "SG(B)" je odprti naviti suhi transformator, ki uporablja NOMEX izolacijsko papirico DuPont (ZDA) za izolacijo med zavojnicami. Nizkonapetostni viklin je izdelan iz bakrene folije, oba viklina, visokonapetostni in nizkonapetostni, pa podvržena VPI (vakuumski tlak impregnacija) izolacijske obravnave. Površina je pokrita slojem epoksidne izolacijske lakiranke. Večina SG(B)-vrst suhov transformatorjev ima izolacijo razreda H, z malo izdelkov razreda C.

• Obstaja še ena vrsta suhega transformatorja, označena kot "SCR(B)", ki je zaključen, toda ne zaključen s epoksidno smolno. To je popolnoma zaključen s NOMEX papirico in silikonom, temelječ na francoski tehnologiji. Za ta izdelek je povpraševanje na trgu zelo omejeno. Vsi SCR(B)-vrste suhov transformatorjev imajo izolacijo razreda H.

2 Prednosti suhov transformatorjev

• Varni, odporni na požar, nepalivi, odporni na eksplozije, brez onesnaževanja in se lahko namestita neposredno v središče bremena;

• Breza vzdrževanja, z nizkimi skupnimi stroški delovanja;

• Odlična odpornost na vlago – lahko delujejo normalno pri 100 % vlage in se lahko ponovno napajajo brez predhodnega sušenja po ugasitvi;

• Nizke izgube, nizek delni izbojk, nizek šum, močno hlađenje in sposobnost delovanja pri 150 % nominalnega opterečenja pod pogojih prisilnega hlađenja z zrakom;

• Opričen z celostnim sistemom za zaščito in nadzor temperature, kar zagotavlja zanesljivo jamstvo za varno delovanje;

• Kompakten, lahek, z majhno stopnjo zasedenosti in nizkimi stroški namestitve.

3.Nedostatki suhov transformatorjev

• Pri enaki kapaciteti in napetostni stopnji so suhi transformatorji dražji kot v masti potopljeni transformatorji;

• Omejena napetostna stopnja – običajno do 35 kV, z le nekaj modeli, ki dosežejo 110 kV;

• Splošno uporabljajo v notranjosti; pri uporabi na prostem je potreben zaščitni kužel z visoko stopnjo zaščite pred prilivom (IP);

• Za zaključene smolne vikline, če so poškodovane, je običajno potrebno celoten viklin zavržeti, saj je popravilo običajno težko.

4. Struktura suhov transformatorjev

4.1 Viklini
(1) Plastični viklin: Izdelan s steganjem ravnih ali okroglih vodil in navijanjem v spiralo, da se formira več plastov. Med plasti se postavijo izolante ali ventilacijske kanale. Viklin se ljeva in peče pod vakuumom z uporabo kalipa in specializiranega opreme za ljevanje. Postopek: spiralno navijanje → postavljanje v kalip → ljevanje pod vakuumom.

(2) Folijni viklin: Izdelan z navijanjem tankih, širokih vodil, z enim obratom na vsako plast. Medplastna izolacija služi tudi kot izolacija med obrati. Folijni viklini običajno uporabljajo osne hladilne kanale: med navijanjem se v določenih obratih vstavijo presledne trake, kasneje pa se odstranijo, da se formirajo osni zračni kanali. Po navijanju na folijni navijalni stroj je samo potrebno ogrjeti in peči – ni potreben kalip ali ljevanje.

Zakaj je visokonapetostni viklin zgrajen na zunanji plasti in nizkonapetostni viklin na notranji plasti?
Zaradi tega, da nizkonapetostna stran deluje pri nižji napetosti in zahteva manjša izolacijska razmika, postavljanje bližje jedru zmanjša razdaljo med viklinom in jedrom, s tem pa tudi celotno velikost in stroške transformatorja. Dodatno, visokonapetostni viklin običajno ima odvode; postavljanje na zunanjo stran ga čini lažje upravljivim in varnejšim.

4.2 Jedro

• Izgradba s stopenjem večih lepev silikata železa, prekrivenih izolacijskim lakom;

• Jedro je predvsem zategnjenega s zategovalnimi okvirji in zategovalnimi vinti;

• Zgornji in spodnji zategovalni okvirji zategnejo jedro in vikline preko veznih tyči ali veznih plošč;

• Izolacijski komponenti jedra so izolacija okvirja, izolacija vintov ali izolacija veznih plošč.

Zakaj mora biti jedro zazemljeno?
V normalnem delovanju mora imeti transformatorsko jedro eno in samo eno zanesljivo točko zazemljenja. Brez zazemljenja bi se v jedru razvil plavajoči potencial, kar bi povzročilo intermitirajoče prekine preklope med jedrom in zemlji. Zazemljenje jedra v eni točki odpravi možnost plavajočega potenciala. 

Če pa je jedro zazemljenega v dveh ali več točkah, neenak potencial med odseki jedra povzroči cirkulirajoče tokove med točkami zazemljenja, kar privede k večtočkovim zazemljenim pomankljivostim in lokalnim preseganju. Take zazemljenjske pomankljivosti jedra lahko povzročijo resne lokalne temperaturne povišave, ki lahko aktivirajo zaščitne preklope. V ekstremnih primerih utopine na jedru ustvarijo kratkoplovne vezave med lepemi, kar znatno poveča izgube v jedru in hudo vpliva na delovanje in operacijo transformatorja—v nekaterih primerih je potrebna zamenjava lepev silikata železa za popravilo. Zato transformator ne sme imeti več kot ene točke zazemljenja; dovoljena je samo ena in natanko ena točka zazemljenja.

5. Sistem regulacije temperature

Varnostna delovanje in življenjska doba suhojtransformatorja veliko odvisna od varnosti in zanesljivosti izolacije vikline. Če preseže temperatura vikline termično trdnost izolacije, bo izolacija poškodovana—ta je eden izmed glavnih vzrokov za nezanesljivost transformatorja. Zato je ključnega pomena nadzor delovne temperature in uvedba alarmov in preklopov.

(1) Samodejni nadzor ventilatorja: Temperaturni signali so merjeni z Pt100 upori, vdelanimi v najtopljejo del nizkonapetostne vikline. Ko se opta transformatorja poveča in raste delovna temperatura, sistem samodejno vklopi hladišča, ko doseže temperatura vikline 110°C, in jih izklopi, ko se temperatura zniža na 90°C.

(2) Alarm visoke temperature in preklop zaradi prekomerne temperature: Temperaturni signali iz vikline ali jedra so zajeti z PTC nelinearnimi termistorji, vdelanimi v nizkonapetostna viklin. Če temperatura vikline nadaljuje s povečevanjem in doseže 155°C, sistem oddaja signal alarma zaradi visoke temperature. Če se temperatura še naprej poveča na 170°C, transformator ne more več varno delovati, in mora biti poslan signal preklopa zaradi prekomerne temperature sekundarnemu zaščitnemu krogu.

(3) Sistem prikaza temperature: Vrednosti temperature so merjene z Pt100 termistorji, vdelanimi v nizkonapetostna viklin, in neposredno prikazujejo temperaturu vsake faze vikline (s tremi-faznim nadzorom, prikaz najvišje vrednosti in zapis historijske najvišje temperature). Sistem ponuja analogni izhod 4–20 mA za najvišjo temperaturu. Če je potrebna oddaljena prenosa podatkov na računalnik (do 1200 metrov), je mogoče opremiti z računalniškim vmesnikom in enim prenositvenim elementom, omogočajočim hkratni nadzor do 31 transformatorjev. Signal Pt100 termistorja lahko tudi aktivira alarmove signale in preklope zaradi prekomerne temperature, dodatno povečujoci zanesljivost sistema zaščite temperature.

6. Oklep suhotransformatorja

V skladu z lastnostmi delovnega okolja in zahtevami za zaščito, suhotransformatorji lahko opremljeni z različnimi vrstami opleta. Običajno je izbran oplec s stopnjo IP20, ki preprečuje vstop teles, večjih od 12 mm v premeru, in majhnih živali, kot so miši, zmaji, mačke in ptice, v transformator, s tem preprečujejo resne napake, kot so kratkoplovi in odpad električnega toka, ter zagotavljajo varnostni zid za žive dele.

Če mora biti transformator nameščen na zunanji prostor, lahko uporabljamo oplec s stopnjo IP23. Poleg zaščite, ki jo ponuja IP20, ta tudi preprečuje padanje kapel vode pod kotom do 60° od vertikalne osi. Vendar oplec IP23 zmanjša ohlajevalna sposobnost transformatorja, zato je treba biti pozoren na odstranitev njegove delovne zmogljivosti, ko izbiramo ta tip opleta.

7. Metode hlaščenja suhih transformatorjev

Suhi transformatorji uporabljata dve metodi hlaščenja: naravno zračno hlaščenje (AN) in prisilno zračno hlaščenje (AF).

Pri naravnem zračnem hlaščenju lahko transformator zanesljivo deluje na svoji imenovani moči za dolg čas.

Pri prisilnem zračnem hlaščenju se izhodna moč transformatorja poveča za 50 %, kar ga naredi primeren za intermitentno preobremenjeno delovanje ali nujne preobremenitve. Vendar med preobremenjenim delovanjem se izgube zaradi obtežbe in impedančna napetost bistveno povečata, kar vodi do neekonomičnega delovanja; zato bi bilo treba izogibati dolgem zveznemu preobremenjenemu delovanju.

8. Preizkusi suhih transformatorjev

• Merjenje enosmernega upora vijakov:
  Preverja kakovost varilnih zlitin notranjih vodnikov, stik med preklapljalniki in vodniki ter, ali so fazi nezravnovesni. Splošno naj ne preseže 2 % neravnovesje med fazami in 4 % neravnovesje med fazami. Preveliko neravnovesje enosmernega upora lahko povzroči cirkulirajoče tokove med tremi fazami, kar poveča izgube zaradi cirkulacije in vodi do nenamernih učinkov, kot je preseganje temperature transformatorja.

• Preverjanje razmerja napetosti pri vseh položajih preklapljanja:
  Preverja, ali je število navojev pravilno in ali so vsi preklapljalni povezavi pravilno postavljeni. Ko se na visokonapetostni strani (in njene različne preklapljalne položaje) uporabi 1000 V, preverite, ali transformator izvede približno 400 V na nizkonapetostni strani.

• Preverjanje skupine povezav trifaznih vijakov in polarnosti.

• Merjenje izolacijskega upora zaklepnic in središča samega.

• Merjenje izolacijskega upora vijakov:
  Ocenjuje raven izolacije med visokonapetostnimi, nizkonapetostnimi vijaki in zemljo. Típico se uporablja megohmmeter z 2500 V, in meritve izolacijskega upora (HV–LV, HV–zemlja, LV–zemlja) morajo presegati določena standardna vrednost.

• Preizkus tranzistorske izdržljivosti vijakov:
  Vrednoti glavno izolacijsko moč med HV, LV in zemljo preko testiranja dielektrične moči. Ta test je odločilen za odkrivanje lokalnih defektov, ki so nastali med proizvodnjo. Za suhe transformatorje so tipične testne napetosti: 35 kV za 10 kV vijak in 3 kV za 0,4 kV vijak, vsaka aplikirana za 1 minuto brez lomljenja, da bi bila sprejemljiva.

• Preizki preklapljanja in zaklepljanja za prelomnike na vseh straneh transformatorja:
  Preverja zanesljivost delovanja zaščitnih relejev in potrjuje, da je preklapljalno opremo nedotaknjena in brez defektov.

9. Preizkus impulznega preklapljanja (tok pri vklopni strmi)

(1) Ko se odstrani nepreobremenjeni transformator, se lahko pojavi preklapljalna prekomerna napetost. V električnih sistemih z nezazemljenim neutralnim vodnikom ali z neutralnim vodnikom, zazemljenim preko arčnega izginjalnika, lahko velikost prekomerne napetosti doseže 4–4,5-krat fazonapetost; v sistemih z direktno zazemljenim neutralnim vodnikom pa lahko doseže do 3-krat fazonapetost. Da bi preverili, ali lahko izolacija transformatorja prenaša celotno napetost ali preklapljalno prekomerno napetost, je potreben impulzni preizkus.

(2) Vklop nepreobremenjenega transformatorja ustvari magnetizacijski vklopni tok, ki lahko doseže 6–8-krat imenovani tok. Tok pri vklopni strmi hitro pada - tipično se zmanjša na 0,25–0,5-krat imenovani tok v 0,5–1 sekundi, vendar popoln padec lahko traja veliko dlje, tudi desetine sekund za transformatorje z veliko kapaciteto. Zaradi velikih elektromagnetnih sil, ki jih generira vklopni tok, se izvaja impulzni preizkus, da bi ocenili mehansko moč transformatorja in preverili, ali bi zaščitni releji morda napačno delovali med zgodnjo fazo padca vklopnega toka.
Splošno nove nameščene transformatorje podvržemo 5 impulznim preizkusom, medtem ko transformatorji, ki so prešli popravilo, podvrženi 3 impulznim preizkusom.

10. Preizkus brez obremenitve

Cilj preizkusa brez obremenitve je:

• Merjenje izgub brez obremenitve in toka brez obremenitve transformatorja;

• Preverjanje, ali izdelava in proizvodnja središča ustrezata tehničnim specifikacijam in standardom;

• Odkrivanje defektov središča, kot so lokalno preseganje temperature ali slaba lokalna izolacija.

Med preizkusom je visokonapetostna stran odprta, na nizkonapetostno stran pa se nanese imenovana napetost. Izgube brez obremenitve so predvsem izgube središča (železne).

Defekti, ki jih je mogoče zaznati z preizkusi brez obremenitve, vključujejo:

• Slaba izolacija med plastmi silicija;

• Lokalne kratke zaprtice ali poškodbe med plastmi središča;

• Izpad izolacije v zaklepnicah, ki gre skozi središče, jeklenih vezalnih pasov, klepetnikov, zgornjih yokov itd., kar povzroča kratke zaprtice;

• Razmaknute, zamenjane plasti silicija ali prevelika vzdušna vrzela v magnetni cesti;

• Večkratno zazemljenje središča;

• Kratke zaprtice med vijaki ali sloji vijakov ali neenakost števila navojev v vzporednih vejih, kar povzroča neravnovesje ampere-navojov;

• Uporaba virov s visokimi izgubami ali nizkokakovostnih silicijskih plasti ali napake v računskih postopkih.

11.Preizkus pri kratkem zaprtju

Kratkoročni test glavno meri izgube pri kratkem krogu in upornost. Izvaja se ob vstopu v delo za preverjanje pravilnosti strukture ovitev in po zamenjavi ovitve za preverjanje znatnih odstopanj od rezultatov prejšnjih testov.

Napajanje za testiranje lahko zadeva tri-fazni ali enofazni tok, ki se uporablja na visokonaponski strani, medtem ko je nizkonaponska stran kratkoročna. Med testom se tok na visokonaponski strani poviša do nominalne vrednosti, hkrati pa se tok na nizkonaponski strani nadzira, da ostane pri nominalni vrednosti.

12.Razumevanje nenormalnih stanj suhih transformatorjev

12.1 Nenormalni šum transformatorja

• Mehanski šum, povzročen zaradi:

• Slabega zaključevanja bolidov jedra;

• Deformacije kotov jedra zaradi napačnega ravnanja med transportom ali namestitvijo;

• Tuje telesa, ki mostijo dele jedra;

• Slabega zaključevanja vintov ventilatorja ali tuji materiali znotraj ventilatorja;

• Slabega zaključevanja vintov ohišja, kar povzroča vibracije in šum panela;

• Slabega zaključevanja vintov nizkonaponske busbar ali manjkajočih prožnih povezav, kar povzroča vibracije in šum.

• Prekomerno visoka napetost vhodnega napajalnega toka, ki povzroča prekomerno navzočnost in hgljavejši šum.

• Šum zaradi višjih harmonik: nepravilnost vzorca—spremenljivost glasnosti in intermitentna prisotnost. Glavno povzročeno z opremo, ki generira harmonike (npr. električne pečnice, tiristorne rektifikatorje) na strani napajanja ali opterečenosti, ki vračajo harmonike nazaj v transformator.

• Okoljski faktorji: majhen prostor transformatorja s gladkimi stenami ustvarja resonančen "govorniški skrinjo" učinek, ki poveča vnemeščen šum.

12.2 Nenormalni prikaz temperature

• Senzor ni vstavljen v vtičnico na zadnji strani enote za prikaz temperature—svetlobni kazalec napak sveti;

• Slaba povezava na vtičniku senzorja poveča upornost, kar povzroča lažno visoko prikazano temperaturo;

• Neskončna prikazana temperatura na eni fazi kaže na odprt krog v platinskim uporniku senzorja;

• Zelo visoka prikazana temperatura na eni fazi nakazuje, da je platinski upornik v delno pokvarjenem (intermitentnem) stanju.

Transformator deluje na principu elektromagnetske indukcije. Glavni komponenti transformatorja so ovitve in jedro. Med delovanjem služijo ovitve kot pot za električni tok, medtem ko jedro služi kot pot za magnetni tok. Ko se električna energija vnese v primarno ovitev, nizki tok ustvari nizki magnetno polje v jedru (tj. električna energija se pretvori v energijo magnetnega polja). Zaradi magnetežnega povezovanja (tok magnetnega polja) se magnetni tok, ki prehaja skozi sekundarno ovitev, stalno spreminja, s tem inducirajoč elektronsko motnjo (EMF) v sekundarni ovitvi. Ko je zunanji obvod povezan, se električna energija prenese na opterečenost (tj. energija magnetnega polja se spet pretvori v električno energijo). Ta postopek "elektrika–magnetizem–elektrika" je mogoč na osnovi principa elektromagnetske indukcije, ta energetska pretvorba tvori delovni princip transformatorja.