Objašnjenje suhih transformatora SCB i SGB

1. Uvod

Transformator radi na principu elektromagnetske indukcije. Glavni komponenti transformatora su vitične zavojnice i jezgra. Tijekom rada, vitične zavojnice služe kao put za električnu struju, dok jezgro služi kao put za magnetski točni tok. Kada se električna energija unese u primarnu zavojnicu, izmjenjiva struja stvara izmjenjivo magnetsko polje u jezgru (tj. električna energija pretvori se u energiju magnetskog polja). Zbog magneto veze (točni poveznice), magnetski točni tok koji prođe kroz sekundarnu zavojnicu neprestano se mijenja, time inducirajući elektromotornu snagu (EMF) u sekundarnoj zavojnici. Kada se spoji vanjski krug, električna energija prenosi se opterećenju (tj. energija magnetskog polja pretvori se natrag u električnu energiju). Ovaj "elektricitet–magnetizam–elektricitet" proces konverzije ostvaruje se na osnovu principa elektromagnetske indukcije, a ovaj proces konverzije energije čini radni princip transformatora.

U1N2 = U2N1

U1: Primarna naponska razlika；N1: Broj navijanja primarne zavojnice；U2: Sekundarna naponska razlika；N2: Broj navijanja sekundarne zavojnice

Prema kineskom nacionalnom standardu GB 1094.16, suhi transformator jasno se definiše kao transformator čije je jezgro i zavojnice nisu potopljeni u izolacionu tekućinu. Njegov izolacioni i hlađeći medij je zrak. Šire gledano, suhi transformatori mogu se podeliti u dva glavna tipa: kapsulirani i otvoreno navijeni.

• "SC(B)" tip odnosi se na epoksidno lejena suha transformatora (slovo "B" u oznaci modela označava da su zavojnice izrađene od bakrenih folija; slovo "B" u "SG(B)" ima isto značenje). Visokonaponska zavojnica je potpuno kapsulirana epoksidnim lejem, dok je niskonaponska zavojnica obično ne potpuno lejena epoksidnim lejem – samo krajevi su zapremljeni epoksidnim lejem (ovo je takođe zbog toga što niskonaponska strana nosi veću struju, a potpuno lejenje bi negativno uticalo na isključivanje toplote). Trenutno, SC(B)-tipovi suhih transformatora su dominantni proizvodi na tržištu, i ovaj članak koristi ih kao primer za analizu. Većina SC(B)-tipova transformatora ima izolaciju klase F, s malim brojem ocijenjenih na klasu H.

• "SG(B)" tip je otvoreno navijeni suhi transformator koji koristi NOMEX izolacioni papir od DuPont (SAD) za izolaciju između navijanja. Niskonaponska zavojnica izrađena je od bakrene folije, a i visokonaponska i niskonaponska zavojnice podvršene su VPI (Vakuumskom tlakom impregnacijom) izolacionom obradi. Površina je pokrivena slojem epoksidnog izolacionog lakiranja. Većina SG(B)-tipova suhih transformatora ima izolaciju klase H, s malim brojem ocijenjenih na klasu C.

• Postoji još jedan tip suhoga transformatora, označen kao "SCR(B)", koji je kapsuliran, ali nije lejen epoksidnim lejem. Potpuno je kapsuliran korištenjem NOMEX papira i silikagela, temeljen na francuskoj tehnologiji. Ovaj proizvod ima vrlo ograničenu tržišnu potražnju. Svi SCR(B)-tipovi suhih transformatora imaju izolaciju klase H.

2 Prednosti suhih transformatora

• Sigurni, otporni na vatru, nerazaranivi, eksplozivni, bez zagađenja i mogu se instalirati direktno u centru opterećenja;

• Bez održavanja, sa niskim ukupnim troškovima rada;

• Izvanredna otpornost na vlagu—može raditi normalno pod 100% vlažnosti i može se ponovo energirati bez predrijetanja nakon isključivanja;

• Niske gubitke, niske lokalne razrade, niske buke, jaki hlađenje i sposobni su raditi na 150% nominalnog opterećenja pod uvjetima prisilnog zračnog hlađenja;

• Opremljeni su kompletnim sistemom zaštite i kontrole temperature, pružajući pouzdano jamstvo za sigurno radnje;

• Kompaktne veličine, laki težine, mali prostor potreban za instalaciju i niski troškovi instalacije.

3. Nedostaci suhih transformatora

• Pod istim kapacitetom i nominalnom naponskom razlikom, suhi transformatori su skuplji od maslinastih transformatora;

• Ograničena nominalna naponska razlika—obično do 35 kV, s malim brojem modela koji dosegu 110 kV;

• Obično se koriste unutrašnje; kada se koriste spolja, potrebna je zaštitna kutija s visokim stupnjem zaštite (IP);

• Za lejene vitične zavojnice, ako su oštećene, često treba da se cijeli transformator odbaci, jer je popravak obično težak.

4. Struktura suhih transformatora

4.1 Vitične zavojnice
(1) Slojna vitična zavojnica: Izrađena je stavljanjem ravnih ili okruglih vodilaca i njihovim navijanjem u helikalni uzorak kako bi se formirao više slojeva. Izolacija ili ventilacijski kanali smješteni su između slojeva. Vitična zavojnica se leje i peče pod vakuumom koristeći kalup i specijalnu opremu za lejenje. Proces: slojno helikalno navijanje → postavljen u kalup → vakuumsko lejenje.

(2) Folijasta vitična zavojnica: Izrađena je navijanjem tankih, širokih vodilaca, s jednim navijanjem po sloju. Izolacija između slojeva takođe služi kao izolacija između navijanja. Folijaste vitične zavojnice obično koriste osni hlađeći kanal: tijekom navijanja, umetnuti su presedljivi traci na određene pozicije navijanja, kasnije se uklone kako bi se formirali osni zračni kanali. Nakon navijanja na mašini za folijasto navijanje, samo je potrebno zagrijati i peći bobinu—nije potreban kalup ni lejenje.

Zašto se visokonaponsko svilanje smesta na spoljnu stranu, a niskonaponsko unutar?
Zbog toga što niskonaponska strana radi pod nižim naponom i zahteva manju izolacionu razmak, njegovo približavanje jezgru smanjuje rastojanje između svilanja i jezgra, time smanjujući ukupne dimenzije transformatora i njegovu cenu. Takođe, visokonaponsko svilanje obično ima spojeve za tapere; njegovo smestanje na spoljnu stranu čini rad praktičnijim i bezbednijim.

4.2 Jezgro

• Konstruisano stavljanjem više slojeva silikatne čelike prekrivenih izolacionom lakovom;

• Jezgro se uglavnom zateguje okovima i zategnutim vijcima;

• Gornji i donji okovi kompresiraju jezgro i svilanja kroz vezna štapca ili vezne ploče;

• Izolacioni elementi jezgra uključuju izolaciju okova, vijaka ili veznih ploča.

Zašto mora da bude izvedena izolacija jezgra?
Tokom normalne operacije, jezgro transformatora mora imati jednu i samo jednu pouzdanu tačku zemljišta. Bez zemljišta, bi se između jezgra i zemljišta razvila fluktuirajuća naponska razlika, što bi dovelo do intermitentnih propada između jezgra i zemljišta. Zemljenje jezgra na jednoj tački eliminira mogućnost fluktuirajućeg potencijala. 

Međutim, ako je jezgro zemljeno na dve ili više tačaka, nejednake potencijale između odsečaka jezgra bi uzrokovale cirkulacione struje između tačaka zemljišta, rezultirajući greškama multi-tačkog zemljenja i lokalnim pregrejanjem. Takve greške zemljenja jezgra mogu dovesti do ozbiljnog lokalnog porasta temperature, potencijalno aktivirajući zaštitni isklop. U ekstremnim slučajevima, taložene tačke na jezgru stvaraju kratak spoj između slojeva, značajno povećavajući gubitke u jezgru i teško utičući na performanse i operativnost transformatora—ponekad zahtevajući zamenu slojeva silikatne čelike za popravku. Stoga, transformatori ne smeju imati više tačaka zemljišta; dozvoljena je samo jedna i tačno jedna tačka zemljišta.

5. Sistem kontrole temperature

Sigurna operacija i životni vek suhovazdusnog transformatora u velikoj meri zavise od sigurnosti i pouzdanosti izolacije svilanja. Ako temperatura svilanja premaši termički ograničenja izolacije, izolacija će biti oštećena—što je jedan od glavnih razloga za neispravnost transformatora. Stoga, nadgledanje radne temperature i implementacija alarmnih i isklopnih kontrola su kritične za bezbednost.

(1) Automatska kontrola ventilatora: Temperaturni signali se mere Pt100 otpornim temperaturnim detektorima ugrađenim u najtopliji deo niskonaponskog svilanja. Kako se opterećenje transformatora povećava i temperatura rada raste, sistem automatski pokreće hladna ventilatora kada temperatura svilanja dostigne 110°C, i zaustavlja ih kada temperatura padne na 90°C.

(2) Alarm visoke temperature i isklop prekomjerne temperature: Temperaturni signali od svilanja ili jezgra se prikupljaju PTC nelinearnim termistorima ugrađenim u niskonaponsko svilanje. Ako temperatura svilanja nastavi da raste i dostigne 155°C, sistem isporučuje alarmni signal prekomjerne temperature. Ako temperatura dalje raste do 170°C, transformator više ne može bezbedno raditi, i mora se poslati isklopni signal sekundarnom zaštitnom krugu.

(3) Sistem prikaza temperature: Vrednosti temperature se mere Pt100 termistorima ugrađenim u niskonaponsko svilanje i direktno prikazuju temperaturu svakog fázovog svilanja (sa tri-fázno monitorisanjem, prikaz maksimalne vrednosti i zapisivanjem istorijske maksimalne temperature). Sistem pruža analogni izlaz od 4–20 mA za najvišu temperaturu. Ako je potrebna udaljena transmisija na računar (do 1200 metara), može se opremiti računarskim interfejsom i jednim pošiljačem, omogućavajući istovremeno monitorisanje do 31 transformatora. Signali Pt100 termistora takođe mogu aktivirati alarmove i isklope prekomjerne temperature, dodatno povećavajući pouzdanost sistema zaštite temperature.

6. Korpus suhovazdusnih transformatora

U zavisnosti od karakteristika okruženja u kome se operiše i zahteva za zaštitom, suhovazdusni transformatori mogu biti opremljeni različitim tipovima korpusa. Obično se biraju korpusi sa IP20 stepenom zaštite, koji sprečavaju ulazak čvrstih tuđih predmeta većih od 12 mm u prečniku i malih životinja kao što su miševi, zmije, mačke i ptice, time sprečavajući teške greške kao što su kratki spojevi i ispad električne energije, pružajući sigurnosnu barjeru za žive delove.

Ako transformator mora biti instaliran na otvorenom, može se koristiti korpus sa IP23 stepenom zaštite. Osim zaštite koju pruža IP20, on takođe sprečava pad kapljica vode pod uglovima do 60° u odnosu na vertikalnu osu. Međutim, korpus IP23 smanjuje hladna sposobnost transformatora, pa treba paziti na snižavanje operativne sposobnosti kada se bira ovaj tip korpusa.

7. Metode hlađenja suhih transformatora

Suhi transformatori koriste dve metode hlađenja: prirodno zračno hlađenje (AN) i prisilno zračno hlađenje (AF).

Pri prirodnom zračnom hlađenju, transformator može neprekidno raditi na svojoj nometnoj snazi u dugi period.

Pri prisilnom zračnom hlađenju, izlazna snaga transformatora može biti povećana za 50%, što ga čini pogodnim za prekidni preopterećeni rad ili hitne situacije preopterećenja. Međutim, tokom preopterećenog rada, gubitci opterećenja i impedansijsko napon znatno porastu, što dovodi do neekonomičnog rada; stoga treba izbegavati dugotrajni neprekidan preopterećeni rad.

8. Testovi za suhe transformatore

• Merenje DC otpora vijkova:
  Proverava kvalitet zavarivanja unutrašnjih vodnika, stanje kontakta između promenljivih spajanja i voda, kao i da li fazoni otpornosti nisu neravnotežni. Obično, neravnotežnost otpornosti između faz ne treba da premaše 2%, a neravnotežnost između faza treba da ne premaše 4%. Prevelika neravnotežnost DC otpora može dovesti do cirkulacionih struja između tri faze, povećavajući gubitke cirkulacionih struja i dovodeći do neželjenih efekata poput pregrejavanja transformatora.

• Provera odnosa napona na svim pozicijama promenljivih spajanja:
  Verifikuje da li je broj zavojaka tačan i da li su sva promenljiva spajanja pravilno spojena. Kada se primeni 1000 V na visokonaponsku stranu (i njene različite pozicije), proverava da li transformator isporučuje otprilike 400 V na niskonaponskoj strani.

• Provera grupe veza trofaznih vijkova i polarnosti.

• Merenje izolacionog otpora fiksatora izolovane jezgre i same jezgre.

• Merenje izolacionog otpora vijkova:
  Ocenuje nivo izolacije između visokonaponskih, niskonaponskih vijkova i zemljišta. Obično se koristi megohmmomer od 2500 V, a mereni vrednosti izolacionog otpora (HV–LV, HV–zemljište, LV–zemljište) moraju prevaziti određene standardne vrednosti.

• Test AC izdržljivosti napona vijkova:
  Procenjuje glavnu čvrstoću izolacije između HV, LV i zemljišta putem testiranja dielektrične čvrstoće. Ovaj test je odlučujući u otkrivanju lokalnih defekata uvedenih tokom proizvodnje. Za suhe transformatore, tipični testni naponi su: 35 kV za vijkovu 10 kV i 3 kV za vijkovu 0.4 kV, svaki primenjen tokom 1 minuta bez prekida kako bi se smatrao prihvatljivim.

• Testi preklapanja i interlokiranja prekidača na sve strane transformatora:
  Proveravaju pouzdanost radnje zaštita releja i potvrđuju da su preklapna oprema integritetna i bezbodljavna.

9. Impulsni test preklapanja (prehlad)

(1) Kada se odspaja debljan transformator, mogu nastati preklapni prekomerni naponi. U električnim sistemima sa neuzemljenim neutralom ili neutralom uzemljenim preko koila za potiskivanje lukova, veličina prekomernog napona može doseći 4–4.5 puta fazonski napon; u sistemima sa direktno uzemljenim neutralom, može doseći do 3 puta fazonski napon. Da bi se verifikovalo da li izolacija transformatora može izdržati puni napon ili preklapni prekomerni napon, potreban je impulsni test.

(2) Prikazivanje napajanja na debljan transformator proizvodi magnetizacijski prehladni tok, koji može doseći 6–8 puta nometni tok. Tok prehlad brzo pada inicijalno—obično se smanjuje na 0.25–0.5 puta nometni tok unutar 0.5–1 sekunde—ali potpuna raspadnja može trajati mnogo duže, do desetine sekundi za velike kapacitete transformatora. Zbog velikih elektromagnetskih sila generišu tok prehlad, impulsni test se vrši kako bi se procenila mehanička čvrstoća transformatora i procenilo da li bi zaštitni releji mogli nepravilno raditi tokom rane faze raspadnje toka prehlad.
Obično, novi instalirani transformatori podležu 5 impulsnim testima, dok preuređeni transformatori podležu 3 impulsnim testima.

10. Test bez opterećenja

Cilj testa bez opterećenja jeste:

• Meriti gubitke bez opterećenja i tok bez opterećenja transformatora;

• Verifikovati da li projektovanje i izrada jezgre zadovoljavaju tehničke specifikacije i standarde;

• Detektovati defekte jezgre kao što su lokalno pregrejavanje ili loša lokalna izolacija.

Tokom testa, visokonaponska strana je otvorena, a nometni napon se primeni na niskonaponsku stranu. Gubitci bez opterećenja su uglavnom gubitci jezgre (železne).

Defekti detektovani putem testa bez opterećenja uključuju:

• Loša izolacija između lamine silikonske čelike;

• Lokalni krati ili oštećenja između lamine jezgre;

• Neuspeh izolacije u šrafovima koje prolaze kroz jezgru, čelikovim vezima, klampnim pločama, gornjim jare, itd., što dovodi do kraćenja;

• Razbijene, nepravilno poravname silikonske čelike ili preveliki vazdušni prostori u magnetskom krugu;

• Višetocko uzemljenje jezgre;

• Kratice između zavoja ili slojeva, ili nejednak broj zavojaka u paralelnim granama što dovodi do neravnoteže amper-zavojaka;

• Upotreba visokogubitnih, niskokvalitetnih silikonskih čelika ili greške u izračunavanju projekta.

11. Test kratkog spoja

Iskorična ispitivanja uglavnom meri gubitke pri kratkom spoju i impedanciju. Ovaj test se izvršava prilikom uvođenja u eksploataciju kako bi se verifikovala tačnost strukture vijaka, kao i nakon zamene vijaka kako bi se proverile značajne devijacije od prethodnih rezultata testiranja.

Snaga za ispitivanje može biti trofazna ili jednofazna, primenjena na visokonaponsku stranu dok je niskonaponska strana pod kratekim spojem. Toku tokom testiranja, struja na visokonaponskoj strani se povećava do njenog nominalnog vrednosti, a struja na niskonaponskoj strani se kontrolno održava na nominalnoj vrednosti.

12. Rešavanje neobičnih stanja suhih transformatora

12.1 Neobični buka transformatora

• Mehanički buka uzrokovane:

• Slabim čvoricima za zaključavanje jezgra;

• Deformacijom uglova jezgra zbog nepravilnog rukovanja tokom transporta ili instalacije;

• Stranim predmetima koji moste delove jezgra;

• Slabim čvoricima za montažu ventilatora ili stranim materijalima unutar ventilatora;

• Slabim čvoricima za montažu oklopne kutije koje dovode do vibracija i buke panele;

• Slabim čvoricima za fiksiranje niskonaponske busbarske linije ili nedostatkom fleksibilnih spajanja, što dovodi do vibracija i buke.

• Previsoka ulazna snaga koja dovodi do preopterećenja i glasnijeg bumbarštica.

• Buka iz visokih harmonika: neregularan obrazac—varira po intenzitetu i intermitentno prisutan. Glavno uzrokovana harmonijskim opremama (npr., električnim pećnicama, tiroistor sklopovima) na strani snage ili opterećenja koje vraćaju harmonike u transformator.

• Faktori okruženja: mali prostor transformatora sa gladkim zidovima stvara rezonantni "zvučnik" efekat, povećavajući percepciju buke.

12.2 Neobični prikaz temperature

• Senzor nije umetnut u utičnicu na pozadini jedinice za prikaz temperature—svetlo greške se upali;

• Slaba veza na štapiću senzora povećava otpornost, dovodeći do lažno visokih čitanja temperature;

• Beskonačno čitanje temperature na jednoj fazi ukazuje na prekid u platinskom otpornom vodu senzora;

• Anomalno visoko čitanje na jednoj fazi ukazuje da je platinski otpornik u delimično prekidanom (intermitentnom) stanju.

Transformator funkcioniše na principu elektromagnetske indukcije. Glavni komponenti transformatora su vijaci i jezgro. Tokom rada, vijaci služe kao putanje za struju, dok jezgro služi kao putanja za magnetni točak. Kada se električna energija unese u primarni vijak, izmjenična struja stvara izmjenično magnetsko polje u jezgru (tj. električna energija se pretvara u energiju magnetskog polja). Zbog magnetske vezane (točkove vezane), magnetski točak koji prolazi kroz sekundarni vijak neprestano se menja, time indukujući elektromotornu silu (EMF) u sekundarnom vijaku. Kada se vanjski krug poveže, električna energija se dostavlja opterećenju (tj. energija magnetskog polja se pretvara natrag u električnu energiju). Ovaj "elektricitet–magnetizam–elektricitet" proces pretvorbe realizuje se na osnovu principa elektromagnetske indukcije, a ovaj proces pretvorbe energije čini radni princip transformatora.