SCB & SGB torrtransformatorer förklarade

1. Introduktion

En transformator fungerar enligt principen om elektromagnetisk induktion. De viktigaste komponenterna i en transformator är vindningarna och kärnan. Under drift tjänar vindningarna som väg för elektrisk ström, medan kärnan fungerar som väg för magnetisk flöde. När elektrisk energi matas in i primär vindning skapar den alternerande strömmen ett alternerande magnetfält i kärnan (dvs. elektrisk energi omvandlas till magnetiskt fältenergi). På grund av magnetisk länkning (flödelänkning) ändras det magnetiska flödet genom sekundärvindningen kontinuerligt, vilket därmed inducerar en elektromotorisk kraft (EMK) i sekundärvindningen. När en extern krets kopplas upp levereras elektrisk energi till lasten (dvs. magnetiskt fältenergi omvandlas tillbaka till elektrisk energi). Denna "el–magnetism–el" omvandlingsprocess realiseras enligt principen om elektromagnetisk induktion, och denna energiomvandlingsprocess utgör arbetssättet för en transformator.

U1N2 = U2N1

U1: Primärläge；N1: Antal varv i primärvindning；U2: Sekundärläge；N2: Antal varv i sekundärvindning

Enligt den kinesiska nationella standarden GB 1094.16 definieras en torrtransformator tydligt som en transformator vars kärna och vindningar inte är doppade i isolerande vätska. Dess isolerings- och kylningsmedium är luft. I bred mening kan torrtransformatorer delas in i två huvudtyper: kapslade och öppna vindade.

• Typen "SC(B)" refererar till en epoxidhartsprutad torrtransformator (bokstaven "B" i modellbeteckningen indikerar att vindningarna är gjorda av kopparfolie; bokstaven "B" i "SG(B)" har samma betydelse). Höglagsvindningen är helt kapslad med epoxidharts, medan låglagsvindningen generellt sett inte är fullständigt sprutad med epoxidharts—bara ändvarven är seglade med epoxidharts (detta beror också på att låglagssidan bärs högre ström, och fullständig sprutning skulle negativt påverka uppvärmningen). För närvarande är SC(B)-typen av torrtransformatorer de mest populära produkterna på marknaden, och denna artikel använder dem som exempel för analys. De flesta SC(B)-typen av torrtransformatorer har klass F-isolering, med några få som är klass H.

• Typen "SG(B)" är en öppenvindad torrtransformator som använder NOMEX-isoleringspapper från DuPont (USA) för varv-till-varv-isolering. Låglagsvindningen är gjord av kopparfolie, och både hög- och låglagsvindningar undergår VPI (Vakuumtryckimpregnering) isolering. Ytan är belagd med en lager av epoxidisoleringsharts. De flesta SG(B)-typen av torrtransformatorer har klass H-isolering, med några få som är klass C.

• Det finns ytterligare en typ av torrtransformator, betecknad som "SCR(B)", som är en kapslad typ men inte sprutad med epoxidharts. Den är helt kapslad med NOMEX-papper och silikongel, baserat på fransk teknik. Denna produkt har mycket begränsad efterfrågan på marknaden. Alla SCR(B)-typen av torrtransformatorer har klass H-isolering.

2. Fördelar med torrtransformatorer

• Säker, brandmotståndskraftig, brandsäker, explosionsmotståndskraftig, föroreningsfri och kan installeras direkt i lastcentrum;

• Underhållsfri, med låga totala driftskostnader;

• Utmerkat motstånd mot fuktighet—kan fungera normalt vid 100% fuktighet och kan återkopplas utan fördröjning efter stängning;

• Låga förluster, låg partiell utsläppning, låg buller, stark uppvärmning och kapabel att fungera vid 150% av nominell last under tvingad luftkylning;

• Utrustad med ett komplett temperaturskydd- och kontrollsystem, vilket ger tillförlitlig garanti för säker drift;

• Kompakt storlek, lätt vikt, liten fotavtryck och låga installationskostnader.

3. Nackdelar med torrtransformatorer

• Vid samma kapacitet och spänningsklass är torrtransformatorer dyrare än oljeinsprutade transformatorer;

• Spänningsklassen är begränsad—vanligtvis upp till 35 kV, med bara några få modeller som når 110 kV;

• Används vanligtvis inomhus; när de används utomhus krävs ett skyddsinlopp med hög IP-klass;

• För hartsprutade vindningar, om de skadas, måste de ofta skrotas helt eftersom reparation oftast är svår.

4. Struktur av torrtransformatorer

4.1 Vindningar
(1) Lagersvindning: Tillverkad genom stapling av platta eller runda ledare och virade i en spiralform för att forma flera lager. Isolering eller ventilationskanaler placeras mellan lagen. Vindningen är hartsprutad och härdad under vakuum med hjälp av en form och specialiserad hartsprutningsutrustning. Process: staplad spiralvindning → placerad i form → hartsprutning under vakuum.

(2) Folievindning: Tillverkad genom virning av tunna, breda ledare, med ett varv per lager. Mellanlagsisolering fungerar också som varv-till-varv-isolering. Folievindningar använder generellt axiella kylningskanaler: under virning infogas spacer-strecks vid angivna varvpositioner och tas bort senare för att forma axiella luftkanaler. Efter virning på en folievindningsmaskin behöver endast spolen hettas och härdas—ingen form eller hartsprutning krävs.

Varför placeras högspänningsvindningen på den yttre lagen och lågspänningsvindningen på den inre lagen?
Eftersom lågspänningssidan fungerar vid lägre spänning och kräver mindre isoleringsavstånd, minskar placeringen nära kärnan avståndet mellan vindningen och kärnan, vilket i sin tur minskar den totala transformatorstorleken och kostnaden. Dessutom har högspänningsvindningen vanligtvis tapanslutningar; placeringen utanpå gör drift mer bekväm och säkrare.

4.2 Kärna

• Byggs genom stapling av flera lager silicieljstål belagt med isolerande lack;

• Kärnan kläms huvudsakligen av klampramar och klampbolten;

• Övre och nedre klampramar komprimerar kärnan och vindningarna via dragstångar eller dragplåtar;

• Kärnisoleringskomponenter inkluderar ramisolering, boltsisolering eller dragplåtsisolering.

Varför måste kärnan jordas?
Under normal drift måste transformatorkärnan ha en och endast en tillförlitlig jordningspunkt. Utan jordning skulle ett flytande spänning uppstå mellan kärnan och jorden, vilket leder till intermittenta brytningsutsläpp från kärnan till jorden. Att jorda kärnan vid en punkt eliminerar möjligheten för ett flytande potential. 

Men om kärnan jordas vid två eller flera punkter, orsakar ojämna potentialer mellan kärnsektioner cirkulerande strömmar mellan jordningspunkter, vilket resulterar i multipunktsjordningsfel och lokal överhettning. Sådana kärnjordningsfel kan orsaka allvarlig lokal temperaturökning, potentiellt utlösa skyddstrippning. I extrema fall skapar smältade platser på kärnan kortslutningar mellan laminat, vilket drastiskt ökar kärnforlusterna och allvarligt påverkar transformatorns prestanda och drift—ibland krävs ersättning av silicieljstålslaminat för reparation. Därför får transformatorer inte ha flera jordningspunkter; en och exakt en jordningspunkt är tillåten.

5. Temperaturkontrollsystem

Den säkra drift och livslängden hos en torrtransformator beror till stor del på tryggheten och tillförlitligheten hos vindningsisoleringen. Om vindningstemperaturen överstiger isoleringens termiska tålighet kommer isoleringen att skadas—detta är en av de främsta anledningarna till transformatorfel. Därför är det kritiskt viktigt att övervaka drifttemperaturen och implementera alarm- och tripkontroller.

(1) Automatisk fläktkontroll: Temperaturens signaler mäts av Pt100-resistansvärmeelement som är inbäddade i den hetaste delen av lågspänningsvindningen. När transformatorlasten ökar och drifttemperaturen stiger, startar systemet automatiskt kylningsfläkter när vindningstemperaturen når 110°C, och stoppar dem när temperaturen sjunker till 90°C.

(2) Högtemperaturalarm och övertemperaturtrip: Temperaturens signaler från vindningarna eller kärnan samlas in av PTC-icke-linjära termistorer som är inbäddade i lågspänningsvindningen. Om vindingstemperaturen fortsätter att stiga och når 155°C, ger systemet ut ett övertemperaturalarmsignal. Om temperaturen ytterligare ökar till 170°C, kan transformatorn inte längre drifta säkert, och ett övertemperaturtripsignal måste skickas till sekundärskyddskretsen.

(3) Temperaturvisningssystem: Temperaturvärden mäts av Pt100-termistorer som är inbäddade i lågspänningsvindningen och visar direkt temperaturen för varje fasvindning (med trefasövervakning, maxvärdevisning och historiskt topptemperatursparande). Systemet ger en 4–20 mA analog utgång för den högsta temperaturen. Om fjärröverföring till en dator krävs (upp till 1200 meter bort), kan det utrustas med en datorsgränssnitt och en sändare, vilket möjliggar samtidig övervakning av upp till 31 transformatorer. Pt100-termistorersignal kan också utlösa övertemperaturalarm och -tripp, vilket ytterligare förbättrar tillförlitligheten i temperaturskyddssystemet.

6. Hölje för torrtransformatorer

Beroende på karaktären av driftmiljön och skyddsbehoven kan torrtransformatorer utrustas med olika typer av höljen. Vanligtvis väljs ett IP20-klassificerat hölje, som förhindrar intrång av fasta utländska föremål större än 12 mm i diameter samt små djur såsom råttor, ormar, katter och fåglar i transformatorn, vilket undviker allvarliga fel som kortslutning och strömavbrott, samt ger en säkerhetsbarriär för levande delar.

Om transformatorn måste installeras utomhus kan ett IP23-klassificerat hölje användas. Förutom skyddet som erbjuds av IP20, förhindrar det också vattendroppar som faller vid vinklar upp till 60° från vertikalen. Men IP23-höljet minskar transformatorns kylningskapacitet, så uppmärksamhet måste ägnas åt att deratera dess driftkapacitet i enlighet med detta när man väljer denna typ av hölje.

7. Kylmetoder för torrtransformatorer

Torrtransformatorer använder två kylmetoder: naturlig luftkylning (AN) och tvingad luftkylning (AF).

Vid naturlig luftkylning kan transformatorn kontinuerligt fungera vid sitt nominella kapacitetsvärde under en lång period.

Vid tvingad luftkylning kan utgångskapaciteten hos transformatorn ökas med 50%, vilket gör den lämplig för intermittenta överbelastningsoperationer eller nödsituationer med överbelastning. Emellertid ökar belastningsförlusterna och impedansspänningen betydligt under överbelastningsdrift, vilket leder till ekonomiskt oekonomisk drift; därför bör långvarig kontinuerlig överbelastningsdrift undvikas.

8.Testobjekt för torrtransformatorer

• Mätning av spänningsomriktningsmotstånd:
  Kontrollerar lösningens kvalitet på inre ledare, kontaktläget mellan tapchanger och ledningar samt om fasresistanserna är obalanserade. Generellt sett bör linje-till-linje-resistansobalans inte överstiga 2% och fas-till-fas-obalans inte överstiga 4%. Förhöjda DC-resistansobalanser kan orsaka cirkulerande strömmar mellan de tre faserna, vilket ökar cirkulerande strömavkastning och leder till oönskade effekter som överhettning av transformatorn.

• Kontrollera spänningsförhållande vid alla tapplägen:
  Verifierar om antalet vändningar är korrekt och om alla tapanslutningar är korrekt kablade. När 1000 V appliceras på högspänningssidan (och dess olika tapplägen), kontrollera om transformatorn ger ut ungefär 400 V på lågspänningssidan.

• Kontrollera trefasig vindningsanslutningsgrupp och polaritet.

• Mät isolationsmotståndet för kärn-isolerade fastigheter och kärnan själv.

• Mät isolationsmotståndet för vindningar:
  Utvärderar isoleringsnivån mellan högspänning, lågspänning och mark. Vanligtvis används en 2500 V megohmmeter, och de mätta isolationsmotståndsvärdena (HV–LV, HV–mark, LV–mark) måste överstiga de angivna standardvärdena.

• AC-spänningsprov på vindningar:
  Bedömer huvudisoleringens styrka mellan HS, LS och mark genom dielektriska styrketest. Detta test är avgörande för att upptäcka lokala defekter som införts under tillverkningen. För torrtransformatorer är de typiska provspänningarna: 35 kV för 10 kV-vindning och 3 kV för 0.4 kV-vindning, var och en applicerad i 1 minut utan brytning för att anses acceptabelt.

• Brytare och låsningsprov för brytare på alla sidor av transformatorn:
  Verifierar pålitligheten av skyddreläoperationer och bekräftar att brytarutrustningen är intakt och felbefri.

9. Impulsbrytning (Inrush) Test

(1) Vid koppling av en tom transformator kan överspänning uppstå. I elkraftsystem med icke ansluten neutral eller neutral ansluten via en bukgolvsuppsmältare kan överspänningens magnitud nå 4–4,5 gånger fasernas spänning; i system med direkt ansluten neutral kan den nå upp till 3 gånger fasernas spänning. För att verifiera om transformatorisoleringen kan motstå full spänning eller brytningsöverspänning krävs ett impulstest.

(2) Inmatning av en tom transformator producerar magnetiseringsinrushström, vilken kan nå 6–8 gånger nominell ström. Inrushströmmen minskar snabbt till en början – vanligtvis reduceras till 0,25–0,5 gånger nominell ström inom 0,5–1 sekund – men fullständig nedbrytning kan ta mycket längre tid, upp till tiotals sekunder för stor kapacitetstransformatorer. På grund av de stora elektromagnetiska krafterna genererade av inrushströmmen utförs impulstestet för att utvärdera transformatorns mekaniska styrka och bedöma om skyddreléer kan missköta sig under den tidiga nedbrytningsfasen av inrushströmmen.
Generellt genomgår nysatta transformatorer 5 impulstester, medan överhöljda transformatorer genomgår 3 impulstester.

10. Tomtest

Syftet med tomtestet är:

• Att mäta transformatorns tomtförlust och tomtström;

• Att verifiera om design och tillverkning av kärnan uppfyller tekniska specifikationer och standarder;

• Att upptäcka kärndefekter såsom lokal överhettning eller dålig lokal isolering.

Under testet är högspänningssidan öppen och nominell spänning appliceras på lågspänningssidan. Tomet förlust är huvudsakligen kärnförlust (järnförlust).

Defekter som kan upptäckas via tomtest inkluderar:

• Dålig isolering mellan siliciumstålslag;

• Lokala kortslutningar eller brännskador mellan kärnslag;

• Isoleringsfel i kärngenererande skruvar, stålbinderband, klamplat, överbuk, etc., vilket orsakar kortslutningar;

• Lösa, missplacerade siliciumstålplattor eller för stora luftgap i magnetväxeln;

• Flerpunktsgrounding av kärnan;

• Vindningskortslutningar mellan vändningar eller lager, eller olikheter i vändningar i parallella grenar som orsakar ampere-varv obalans;

• Användning av högförlust, lågkvalitativ siliciumstålplattor eller fel i designberäkningar.

11.Kortslingstest

Kortslutstestet mäter huvudsakligen kortslutsskada och impedans. Det genomförs vid inrättning för att verifiera rättigheten av vindningsstrukturen, och efter vindningsbyte för att kontrollera om det finns betydande avvikelser från tidigare testresultat.

Testströmförsörjningen kan vara trefasad eller enfasad, tillämpad på högspänningssidan medan lågspänningssidan är kortsluten. Under testet höjs strömmen i högspänningssidan till dess nominella värde, och strömmen i lågspänningssidan styrs så att den hålls vid nominell ström.

12. Hantering av ovanliga tillstånd hos torrotransformatorer

12.1 Ovanlig transformatorbrus

• Mekaniskt brus orsakat av:

• Lösa kärnbultar;

• Deformation av kärnhörnen på grund av omsorgslöst hantering under transport eller installation;

• Fremdstoff som brygger delar av kärnan;

• Lösa fläktmonteringsknutar eller fremdstoff inuti fläkten;

• Lösa monteringsknutar för behållare som orsakar panelvibration och ljud;

• Lösa fäste för lågspänningsbussbar eller brist på flexibla kopplingar, vilket leder till vibration och ljud.

• Överdrivet högt inmatningspaket som orsakar överanregning och högre brus.

• Brus från högordningens harmoniska vågor: irregelbunden i mönster—varierar i volym och ibland närvarande. Främst orsakat av harmoniskt genererande utrustning (t.ex. elektriska ugnar, thyristorrektifierare) på försörjnings- eller belastningssidan som matar harmoniska vågor tillbaka till transformatorn.

• Miljöfaktorer: litet transformatorrum med släta väggar skapar en resonans "högtalareffekt", vilket ampliferar upplevd buller.

12.2 Ovanlig temperaturvisning

• Sensor ej infogad i uttaget på baksidan av temperaturvisningsenheten—felindikator tänds;

• Lös kontakt vid sensorplugg ökar resistansen, vilket orsakar felaktigt höga temperaturmätningar;

• Oändlig temperaturmätning för en fas indikerar ett öppet kretssegment i platinaresistansledningen av sensorn;

• Anormalt hög mätning för en fas antyder att platinaresistoren är i ett delvis trasigt (avbrott) tillstånd.

En transformator fungerar baserat på principen för elektromagnetisk induktion. De huvudsakliga komponenterna i en transformator är vindningarna och kärnan. Under drift tjänar vindningarna som led för elektrisk ström, medan kärnan fungerar som led för magnetisk flödestäthet. När elektrisk energi matas in i primärsvindningen skapar den alternerande strömmen en alternerande magnetfält i kärnan (dvs. elektrisk energi konverteras till magnetfältenergi). P.g.a. magnetisk länk (flödestäthetslänk), den magnetiska flödestätheten som passerar sekundärsvindningen ändras kontinuerligt, därigenom induceras en electromotorisk kraft (EMK) i sekundärsvindningen. När en extern krets ansluts, levereras elektrisk energi till belastningen (dvs. magnetfältenergi konverteras tillbaka till elektrisk energi). Denna "elektricitet–magnetism–elektricitet" konverteringsprocess realiseras baserat på principen för elektromagnetisk induktion, och denna energikonverteringsprocess utgör arbetssättet för en transformator.