Пояснення SCB & SGB сухих трансформаторів

1. Вступ

Трансформатор працює на основі принципу електромагнітної індукції. Основними компонентами трансформатора є обмотки та сердечник. Під час роботи обмотки служать шляхом для електричного струму, а сердечник — шляхом для магнітного потоку. Коли електрична енергія подається на первинну обмотку, черговий струм створює чергове магнітне поле в сердечнику (тобто, електрична енергія перетворюється на енергію магнітного поля). Завдяки магнітному зв'язку (магнітній зв'язності), магнітний потік, який проходить через вторинну обмотку, постійно змінюється, що викликає електромотивна сила (ЕМС) у вторинній обмотці. Коли підключається зовнішній контур, електрична енергія передається на навантаження (тобто, енергія магнітного поля знову перетворюється на електричну енергію). Цей процес "електрика-магнетизм-електрика" реалізується на основі принципу електромагнітної індукції, і цей процес перетворення енергії становить робочий принцип трансформатора.

U1N2 = U2N1

U1: Напруга первинної обмотки; N1: Кількість витків первинної обмотки; U2: Напруга вторинної обмотки; N2: Кількість витків вторинної обмотки

Згідно з китайським національним стандартом GB 1094.16, сухий трансформатор чітко визначено як трансформатор, сердечник та обмотки якого не занурені в ізоляційну рідину. Його ізоляційним та охолоджувальним середовищем є повітря. Широко кажучи, сухі трансформатори можна розділити на два основних типи: зачинені та відкриті.

• Тип "SC(B)" вказує на епоксидно-полімерний сухий трансформатор (літера "B" у позначеннях моделі свідчить про те, що обмотки виготовлені з медного фольгу; літера "B" у "SG(B)" має таке ж значення). Високовольтна обмотка повністю зачинена епоксидною смолою, а низьковольтна обмотка зазвичай не повністю зачинена епоксидною смолою — лише кінцеві витки запечатані епоксидною смолою (це також тому, що на стороні низького напруги проходить більший струм, і повне зачинення би негативно впливало на теплообмін). Наразі SC(B)-типові сухі трансформатори є основними продуктами на ринку, і ця стаття використовує їх як приклад для аналізу. Більшість SC(B)-типових трансформаторів мають клас F ізоляції, з кількома моделями, які мають клас H.

• Тип "SG(B)" — це відкрита суха обмотка, яка використовує ізоляційну папер NOMEX від DuPont (США) для ізоляції між витками. Низьковольтна обмотка виготовлена з медного фольгу, і як високовольтні, так і низьковольтні обмотки пройшли VPI (вакуумно-пресове насичення) ізоляційну обробку. Поверхня покрита шаром епоксидної ізоляційної лаку. Більшість SG(B)-типових сухих трансформаторів мають клас H ізоляції, з кількома моделями, які мають клас C.

• Існує ще один тип сухого трансформатора, позначений як "SCR(B)", який є зачиненим типом, але не зачинений епоксидною смолою. Він повністю зачинений за допомогою паперу NOMEX та силиконового гелю на основі французької технології. Цей продукт має дуже обмежений попит на ринку. Усі SCR(B)-типові сухі трансформатори мають клас H ізоляції.

2 Переваги сухих трансформаторів

• Безпечні, непалаючі, вогнестійкі, вибухостійкі, без забруднень, можуть бути встановлені безпосередньо в центр навантаження;

• Не потребують обслуговування, з низькими загальними витратами на експлуатацію;

• Відмінна вологостійкість — можуть працювати нормально при 100% вологості та можуть бути повторно підключені без попереднього просушки після вимкнення;

• Низькі втрати, низька часткова розрядка, низький шум, сильне теплообмін, здатні працювати при 150% номінального навантаження в умовах примусового повітряного охолодження;

• Обладнані комплексною системою температурної захисту та контролю, що забезпечує надійні гарантії безпечної роботи;

• Компактні, легкі, займають мало місця, з низькими витратами на встановлення.

3. Недоліки сухих трансформаторів

• При однаковій потужності та класі напруги, сухі трансформатори дорожчі, ніж масляні трансформатори;

• Ограничений клас напруги — зазвичай до 35 кВ, з кількома моделями, які досягають 110 кВ;

• Зазвичай використовуються в приміщеннях; при використанні на відкритому повітрі, потрібна захисна оболонка з високим ступенем захисту (IP);

• Для зачинених полімерних обмоток, якщо вони пошкоджені, часто доводиться списувати повністю, оскільки ремонт зазвичай складний.

4. Склад сухих трансформаторів

4.1 Обмотки
(1) Шаровидна обмотка: Виготовлена шляхом намотки плоских або круглих провідників у спіральний візерунок, що формує кілька шарів. Між шарами розташовані ізоляційні або вентиляційні канал. Обмотка зачиняється та затверджується в вакуумі за допомогою форми та спеціального обладнання для зачинення. Процес: шаровидна спіральна намотка → розміщення в формі → вакуумне зачинення.

(2) Фольгоподібна обмотка: Виготовлена шляхом намотки тонких широких провідників, з одним витком на шар. Міжшарова ізоляція також служить як міжвиткова ізоляція. Фольгоподібні обмотки зазвичай використовують осьові вентиляційні канали: при намотці, вставляються проміжні стрічки в позначені місця витків, які пізніше вилучаються, щоб утворити осьові повітряні канали. Після намотки на машині для фольгоподібних обмоток, катушка потребує лише нагрівання та затвердівання — форма або зачинення не потрібні.

Чому високовольтне обмотування розташоване на зовнішньому шарі, а низьковольтне - на внутрішньому?
Тому що низьковольтна сторона працює при нижчому напругу і потребує меншого ізоляційного прогалу, розташування її ближче до сердечника зменшує відстань між обмотуванням та сердечником, що, у свою чергу, зменшує загальний розмір та вартість трансформатора. Крім того, високовольтне обмотування зазвичай має кільцеві з'єднання; його розташування зовні робить експлуатацію більш зручною та безпечнішою.

4.2 Сердечник

• Побудований за принципом насування багатьох пластин силиконової сталі, покритої ізоляційною лаковою фарбою;

• Сердечник зажимається головним чином за допомогою зажимних рам та болтів;

• Верхні та нижні зажимні рами стискають сердечник та обмотування через стягуючі стержні або пласти;

• Компоненти ізоляції сердечника включають ізоляцію рам, болтів або стягуючих пластин.

Чому сердечник повинен бути заземлений?
Під час нормальної роботи сердечник трансформатора має мати одну, і лише одну, надійну точку заземлення. Без заземлення між сердечником і землею виникає плавуча напруга, що може призвести до періодичних пробоїв розрядів з сердечника на землю. Заземлення сердечника в одній точці усуває можливість появи плавучого потенціалу. 

Однак, якщо сердечник заземлений в двох або більше точках, нерівномірні потенціали між частинами сердечника спричинять циркуляційні струми між точками заземлення, що призведе до виникнення дефектів заземлення в кількох точках та локального перегріву. Такі дефекти заземлення сердечника можуть спричинити суттєве локальне підвищення температури, що може запустити захисне відключення. У крайньому випадку, розплавлені дірки на сердечнику створюють короткозамкнення між пластинами, значно збільшуючи втрати сердечника та серйозно впливаючи на ефективність та роботу трансформатора—іноді для ремонту необхідна заміна пластин силиконової сталі. Тому трансформатори не повинні мати кількох точок заземлення; дозволена лише одна, і саме одна, точка заземлення.

5. Система керування температурою

Безпечна робота та тривалість служби сухого трансформатора в основному залежать від безпеки та надійності ізоляції обмотування. Якщо температура обмотування перевищує термічну стійкість ізоляції, ізоляція буде пошкоджена—це одна з основних причин відмови трансформатора. Тому моніторинг робочої температури та реалізація системи попередження та відключення є критично важливими.

(1) Автоматичне керування вентиляторами: Температурні сигнали вимірюються Pt100 резисторами температури, вбудованими в найгарячішу частину низьковольтного обмотування. Коли завантаження трансформатора збільшується, а робоча температура піднімається, система автоматично запускає вентилятори, коли температура обмотування досягає 110°C, і зупиняє їх, коли температура опускається до 90°C.

(2) Попередження про високу температуру та відключення при надмірному підвищенні температури: Температурні сигнали з обмотування або сердечника збираються PTC нелінійними термісторами, вбудованими в низьковольтне обмотування. Якщо температура обмотування продовжує підвищуватися та досягає 155°C, система виводить сигнал попередження про надмірну температуру. Якщо температура подальше підвищується до 170°C, трансформатор більше не може працювати безпечно, і повинен бути відісланий сигнал відключення через надмірну температуру до вторинного захисного контуру.

(3) Система відображення температури: Значення температури вимірюються Pt100 термісторами, вбудованими в низьковольтне обмотування, та прямо показують температуру кожного фазового обмотування (з трифазним моніторингом, відображенням максимального значення та записом історичного пікового значення температури). Система забезпечує аналоговий вивід 4–20 mA для максимальної температури. Якщо потрібне віддалене передавання на комп'ютер (до 1200 метрів), можна оснащити інтерфейсом комп'ютера та одним передавачем, що дозволяє одночасний моніторинг до 31 трансформаторів. Сигнал Pt100 термістора також може запускати попередження про надмірну температуру та відключення, що додатково підвищує надійність системи захисту від надмірної температури.

6. Корпус сухих трансформаторів

Залежно від характеристик робочого середовища та вимог до захисту, сухі трансформатори можуть бути осначені різними типами корпусів. Зазвичай вибирається корпус з рейтингом IP20, який запобігає входу твердих інородних предметів, діаметр яких більший за 12 мм, та малих тварин, таких як шиншили, змії, коти та птахи, у трансформатор, що запобігає серйозним аваріям, таким як короткі замикання та відключення живлення, а також забезпечує безпековий бар'єр для живих частин.

Якщо трансформатор повинен бути встановлений на вулиці, можна використовувати корпус з рейтингом IP23. Окрім захисту, який надає IP20, він також запобігає попаданню водних крапель, що падають під кутом до 60° від вертикального напрямку. Проте корпус IP23 зменшує охолоджувальну здатність трансформатора, тому при виборі такого типу корпусу слід звернути увагу на зниження його робочої здатності.

7. Методи охолодження сухих трансформаторів

Сухі трансформатори використовують два методи охолодження: природне повітряне охолодження (AN) і змускове повітряне охолодження (AF).

При природному повітряному охолодженні трансформатор може працювати неперервно на своїй номінальній потужності протягом довгого періоду.

При змусковому повітряному охолодженні вивідна потужність трансформатора може бути збільшена на 50%, що робить його придатним для інтермітентного перенавантаження або екстрених умов перенавантаження. Проте під час операцій перенавантаження, втрати від навантаження та імпеданс напруги значно зростають, що призводить до невигідної економічної роботи; тому, тривалі постійні операції перенавантаження слід уникати.

8. Тести для сухих трансформаторів

• Вимірювання опору постійного струму обмоток:
  Перевіряє якість зварювання внутрішніх провідників, стан контакту між комутаторами кроків напруги та ведучими, та чи несправжні фазові опори. Зазвичай, дисбаланс опори між лініями не повинен перевищувати 2%, а дисбаланс між фазами — 4%. Повний дисбаланс опори постійного струму може спричинити циркуляційні струми між трьома фазами, збільшуючи втрати від циркуляційного струму та призводячи до небажаних ефектів, таких як перегрівання трансформатора.

• Перевірка відношення напруг на всіх позиціях кроків:
  Перевіряє правильність числа витків та правильність підключення всіх комутаторів кроків. Коли застосовується 1000 В до високонапіжної сторони (та її різних кроків), перевіряється, чи виводиться приблизно 400 В на нижконапіжній стороні.

• Перевірка групи з'єднання трифазних обмоток та полярності.

• Вимірювання опору ізоляції кріплень, ізольованих від сердечника, та самого сердечника.

• Вимірювання опору ізоляції обмоток:
  Оцінює рівень ізоляції між високонапіжними, нижконапіжними обмотками та землею. Зазвичай використовується мегомметр на 2500 В, і виміряні значення опору ізоляції (ВН–НН, ВН–земля, НН–земля) мають перевищувати встановлені стандартні значення.

• Тест на витривалість до напруги через змінний струм обмоток:
  Оцінює основну міцність ізоляції між ВН, НН та землею через тест на витривалість до напруги. Цей тест є вирішальним для виявлення локальних дефектів, введених під час виробництва. Для сухих трансформаторів типові напруги тесту становлять: 35 кВ для обмотки 10 кВ та 3 кВ для обмотки 0.4 кВ, кожна застосовується на 1 хвилину без пробою, щоб бути вваженими прийнятними.

• Тести переключення та взаємоблокування автоматичних вимикачів на всіх сторонах трансформатора:
  Перевіряє надійність операцій захисних реле та підтверджує, що переключувальне обладнання цілісне та без дефектів.

9. Тест на імпульсне переключення (вхідне)

(1) При відключенні ненавантаженого трансформатора може виникнути переключальна наднапруга. У електроенергетичних системах з незаземленим нейтралем або з нейтралем, заземленим через катушку загасування дуги, величина наднапруги може досягати 4–4.5 разів фазової напруги; у системах з прямо заземленим нейтралем, вона може досягати до 3 разів фазової напруги. Для перевірки, чи може ізоляція трансформатора витримати повну напругу або переключальну наднапругу, потрібен імпульсний тест.

(2) Підключення ненавантаженого трансформатора викликає намагнічувальний струм, який може досягати 6–8 разів номінального струму. Спочатку струм швидко зменшується — зазвичай до 0.25–0.5 разів номінального струму протягом 0.5–1 секунди, але повне згасання може зайняти набагато більше часу, до десятків секунд для трансформаторів великого обсягу. Через великі електромагнітні сили, що генеруються струмом, проводиться імпульсний тест для оцінки механічної міцності трансформатора та перевірки, чи можуть захисні реле помилково працювати під час ранньої фази згасання струму.
Зазвичай, ново встановлені трансформатори піддаються 5 імпульсним тестам, а перебудовані трансформатори — 3 імпульсним тестам.

10. Тест без навантаження

Мета тесту без навантаження:

• Вимірювання втрат та струму без навантаження трансформатора;

• Перевірка, чи відповідає проектування та виробництво сердечника технічним специфікаціям та стандартам;

• Виявлення дефектів сердечника, таких як локальне перегрівання або погана локальна ізоляція.

Під час тесту, високонапіжна сторона відкрита, а на нижконапіжну сторону застосовується номінальна напруга. Втрати без навантаження в основному є втратами сердечника (заліза).

Дефекти, які можна виявити за допомогою тесту без навантаження, включають:

• Погана ізоляція між пластинами силиконового заліза;

• Локальні короткі замикання або випалення між пластинами сердечника;

• Порушення ізоляції у болтах, що проходять через сердечник, сталевих обвязках, зажимних плитах, верхніх кронштейнах тощо, що призводить до коротких замикань;

• Розслаблені, зміщені пластини силиконового заліза або надмірні повітряні зазори в магнітному контурі;

• Багатопунктове заземлення сердечника;

• Короткі замикання між витками або шарами обмоток, або нерівні витки в паралельних гілках, що призводить до дисбалансу ампер-витків;

• Використання високовтратних, низькоякісних пластин силиконового заліза або помилки в розрахунках проектування.

11. Тест на коротке замикання

Перевірка короткого замикання в основному вимірює втрати при короткому замиканні та імпеданс. Вона проводиться при введення в експлуатацію для перевірки правильності конструкції обмоток, а також після їх заміни, щоб перевірити наявність значних відхилень від результатів попередніх тестів.

Джерело живлення для тесту може бути трифазним або однофазним, застосовуваним до сторони високого напруги, поки сторона низької напруги короткозамкнена. Під час тесту струм на стороні високого напругу збільшується до номінального значення, а струм на стороні низької напруги контролюється, щоб залишатися на рівні номінального струму.

12. Обробка аномальних умов сухих трансформаторів

12.1 Аномальний шум трансформатора

• Механічний шум, спричинений:

• Вільні болти затискання сердечника;

• Деформація кутів сердечника через неправильну транспортування або монтаж;

• Зовнішні предмети, які з'єднують частини сердечника;

• Вільні болти кріплення вентилятора або зовнішні предмети всередині вентилятора;

• Вільні болти кріплення корпусу, що викликають вібрацію та шум панелей;

• Вільні болти кріплення низьковольтної шини або відсутність гнучких з'єднань, що викликає вібрацію та шум.

• Занадто висока вхідна напруга, що викликає перенасичення та гучніший гудіння.

• Шум від високих гармонік: нерегулярний за характером—змінюється за гучністю та присутній інтермітентно. Основно викликається обладнанням, що генерує гармоніки (наприклад, електропечі, тиристорні прямокутники), на стороні живлення або завантаження, що підсилює гармоніки, що повертаються назад у трансформатор.

• Фактори оточення: невелика кімната трансформатора з гладкими стінами створює резонансний "динамік", що підсилює сприйняття шуму.

12.2 Аномальне показання температури

• Датчик не вставлений у гніздо на задній частині блоку відображення температури—индикатор помилки світиться;

• Вільне з'єднання на раз'ємі датчика збільшує опір, що призводить до хибно високих показань температури;

• Безмежне показання температури на одній фазі вказує на відкритий контур платинового опору датчика;

• Аномально високе показання на одній фазі свідчить про частково зламаний (інтермітентний) стан платинового резистора.

Трансформатор працює на основі принципу електромагнітної індукції. Основними компонентами трансформатора є обмотки та сердечник. Під час роботи обмотки служать шляхом для електричного струму, а сердечник — шляхом для магнітного потоку. Коли електроенергія подається на первинну обмотку, черговий струм створює чергове магнітне поле в сердечнику (тобто, електроенергія перетворюється на енергію магнітного поля). Через магнітне зв'язання (магнітне зв'язання) магнітний потік, що проходить через вторинну обмотку, постійно змінюється, що викликає електродвижущу силу (ЕДС) у вторинній обмотці. Коли зовнішній контур підключено, електроенергія передається на навантаження (тобто, енергія магнітного поля перетворюється назад на електроенергію). Цей процес "електрика–магнетизм–електрика" реалізується на основі принципу електромагнітної індукції, і цей процес перетворення енергії становить робочий принцип трансформатора.