Není transformátor jako transformátor

Není transformátor jako transformátor

Miroslav Kraus

Suché transformátory se zalitým vinutím se vyrábějí od 70. let 20. století. Na celém světě je v provozu několik stovek tisíc těchto transformátorů, mnohé déle než 30 let, takže lze tvrdit, že suché transformátory se zalitým vinutím nijak nezaostávají ve své spolehlivosti a životnosti za distribučními olejovými transformátory. Charakteristickým znakem těchto transformátorů je vinutí, které je zapouzdřeno v pevné izolaci.
Významným evropským výrobcem suchých transformátorů se zalitým vinutím je německý závod SGB Regensburg, který je důležitým a dlouholetým dodavatelem transformátorů na český trh (v letošním roce je SGB na tuzemském trhu již desátým rokem a zaznamenává více než 7 000 pozitivních referencí).
V následujících odstavcích je popsáno technické řešení transformátorů tohoto výrobce.

Charakteristika

Výhodou suchých transformátorů se zalitým vinutím je především menší požární riziko, protože použité izolační materiály jsou nesnadno zápalné a samozhášivé. Oproti olejovým transformátorům nepřispívají tyto transformátory k rozšiřování požáru a lze je použít i tam, kde by aplikace olejových distribučních transformátorů nebyla možná z důvodu požární bezpečnosti. Protože suché transformátory neobsahují žádnou izolační a chladicí kapalinu, lze je provozovat bez problémů také v místech, kde jsou zvýšené požadavky na ochranu vod. Z celkového pohledu jsou tedy suché transformátory se zalitým vinutím v mnoha případech hospodárnějším řešením, ačkoli jsou díky své konstrukci výrazně dražší, než olejové transformátory stejného výkonu. Vyšší cena a větší rozměry jsou dány fyzikálními zákony, protože vzdálenosti požadované z hlediska elektrické pevnosti, jsou u suchých transformátorů výrazně větší.

Magnetický obvod – základ nízkých ztrát naprázdno

Materiál magnetického obvodu, způsob stříhání a skládání plechů a průřezy vodičů odpovídají olejovým transformátorům. Magnetické obvody se skládají z orientovaných plechů, válcovaných zastudena. Plechy jsou strojově skládány systémem „step lap„ – což znamená, že místa styku plechů spojky a sloupku jsou oproti sousedicím plechům stupňovitě přesazena. Tím se dosáhne snadnějšího přechodu magnetického toku z jader do sloupků, a tím i snížení ztrát naprázdno, snížení proudu naprázdno a hluku. Šířka plechů sloupků a jader je odstupňována tak, aby se průřez magnetického obvodu blížil kruhu.

Obr. 1. Navíjení cívek nn – fóliové vinutí

U suchých transformátorů je kromě magnetických vlastností elektromagnetického obvodu důležitá ochrana proti korozi, protože magnetický obvod je trvale obtékán chladicím vzduchem. Ochrana proti korozi je řešena dvousložkovým nátěrem, který kromě toho zajišťuje dostatečné slepení jednotlivých transformátorových plechů. Spolu s bandážemi zamezuje jejich chvění, které by vedlo ke zvýšenému hluku. Tento nátěr musí pochopitelně odolávat vysokým teplotám, které se v jádře tranformátoru vyskytují.

Vinutí nižšího napětí – odolnost proti zkratu

Pro výkony nad 200 kV·A a napětí U_m Ł 1,1 kV – tedy u více než 90 % vyráběných transformátorů – se používá fóliové vinutí (obr. 1), tedy vinutí z tenkého měděného nebo hliníkového pásu se zaoblenými hranami. Výhodou fóliového vinutí je, že proud se může volně rozložit po délce vinutí a v případě zkratu působí na cívky axiální zkratové síly velmi nízké hodnoty. Izolace závitů je z prepregu¹⁾, který je oboustranně předimpregnován a navíjí se současně s vodičem. Šířka izolace je o potřebnou vzdálenost větší než šířka vodiče. U cívek pro vyšší výkony se po určitém počtu závitů vkládá mezi dva sousední závity podložka s nalepenými lištami a vytvoří se tak axiální chladicí kanál. Vývody z cívek jsou ze zastudena nalisovaných pasů a jsou dodatečně izolovány rovněž prepregem. Po navinutí se cívka vytvrzuje při teplotě 150 °C po dobu tří hodin. V průběhu tohoto procesu se prepreg slepí s vodičem a cívka tak získá potřebnou mechanickou pevnost, která se následně kontroluje. Použité izolační materiály odpovídají teplotě izolačního systému 155 °C.

Obr. 2. Skupinové polohové vinutí

Vinutí vyššího napětí – základ spolehlivosti

Technologicky nejnáročnější částí transformátoru je vinutí vyššího napětí, které je řešeno jako zalité vinutí, to znamená, že vodič je zapouzdřen v pevné izolaci. Zalité vinutí se používá pro napětí U_m ł 7,2 kV. Měděný nebo hliníkový lakem izolovaný drát kruhového nebo obdélníkového průřezu, případně svazkový vodič, se navíjí na trn. Navíjecí trn je zároveň vnitřní stranou formy pro zalití. Vinutí vyššího napětí je provedeno jako skupinové polohové vinutí (obr. 2), to znamená, že polohové vinutí je rozděleno na dva nebo čtyři díly na fázi. Mezi polohy se vkládá několik vrstev skelné tkaniny. Tato skelná tkanina (glasvlies) je ze skelných vláken o průměru 10 µm, jako pojivo je použita melamin-formaldehydová pryskyřice a zvláštní vrstva silanu zlepšuje přilnavost zalévací pryskyřice. Ve vnějších polohách vinutí se připojují odbočky do zalévacích svorek, které jsou umístěny v podélném nálitku na vnější straně cívky. Pokud jsou ve vinutí vyžadovány chladicí kanály, jsou mezi určité polohy vloženy výplňové lišty, které se po zalití vytáhnou a tak se vytvoří axiální chladicí kanál. Hotová cívka má pak tvar dvou nebo více soustředných válcových mezikruží spojených mezi sebou obvykle čtyřmi můstky. Nakonec se cívka uzavře do vnější ocelové formy a zaleje se zalévací hmotou. Jako zalévací hmota se používá tekutá nemodifikovaná epoxidová pryskyřice bez rozpouštědel, na bázi bisphenolu A²⁾ a epichlorhydrinu³⁾. Zalití se provádí ve vakuové komoře při teplotě 70 °C po dobu asi šesti hodin a následuje vytvrzení při teplotách 70 až 150 °C po dobu 20 až 40 h. Vytvrzením vzniká kompaktní spojení vodičů, izolace vodičů, skelné tkaniny a epoxidové pryskyřice. Teplota izolačního systému je 155 °C.

Obr. 3. Navíjení cívek – polohové vinut

Vinutí vyššího napětí se používá několik druhů:

• polohové vinutí (obr. 3),
• vinutí z dílčích cívek z pásu,
• vinutí z dílčích cívek z drátu,
• sypané (náhodné) vinutí,
• deskové vinutí přesouvané,
• deskové vinutí nepřesouvané,
• diagonální vinutí.

Skupinové polohové vinutí, které firma SGB používá, má následující přednosti:

• při atmosférických nebo spínacích přepětích dochází k téměř lineárnímu rozložení napětí podél vinutí,
• vazba mezi polohami je velice těsná, takže rázová vlna se přenáší především kapacitami mezi polohami,
• činitel , vyjadřující poměr příčné a podélné kapacity vinutí, je poměrně nízký.

Skupinové polohové vinutí má nízký vlastní kmitočet (asi 10 kHz). Nízký vlastní kmitočet a nízký činitel výrazně snižují možnost vzniku přepětí, která vznikají rezonančním vybuzením při vypínání.

Poznámka: Kvalita zalitých cívek byla ve firmě SGB ověřována zkouškami stárnutí izolace, při níž byly cívky vystaveny extrémním klimatickým podmínkám. Následně byly změřeny elektrické vlastnosti cívek. Protože transformátory se zalitým vinutím se vyrábějí již více než tři desetiletí, je kvalita cívek z hlediska stárnutí izolace ověřena i v praxi.

Obr. 4. Tranformátor před zaplechováním horní spojky

Dokončené cívky se nasadí na magnetický obvod a horní spojka se zaplechuje (obr. 4). Cívky nižšího napětí jsou blíže k jádru a jsou zajištěny jádrovými lištami. Mezi cívkami vyššího a nižšího napětí je obvykle vložen izolační válec. Cívky jsou uloženy na izolačních válečcích nebo špalících s vrstvou pryže, která zachytí tepelnou roztažnost cívek a tlumí přenášení vibrací. Z horních postranic jsou cívky stlačeny tlačnými šrouby.

Na tomto místě je třeba upozornit, že i když je vodič zcela uzavřen v izolaci, jde pouze o pracovní izolaci, nikoli o izolaci ve smyslu ochrany před nebezpečným dotykem. Na zalité cívce se může objevit nebezpečný potenciál. Také při instalaci se musí dodržet mezi zalitými cívkami a zemí stejné předepsané vzdálenosti, jako mezi „živými částmi„ pod napětím a zemí.

Zkoušky

Nejdůležitější požadavky pro návrh a zkoušky transformátorů se zalitým vinutím jsou uvedeny v normách ČSN EN 60076 a ČSN EN 60276. Zkouškami se zjišťuje, zda transformátor splňuje zaručované vlastnosti a snese provozní zátěž při stanovené životnosti. V ideálním případě by zkoušky měly být odrazem skutečného provozu.

Za prvé je rozhodující místo částečných výbojů. Sršení mezi živou částí ležící vně cívky a zemí, není z hlediska provozní spolehlivosti a životnosti rozhodující. Ale zcela jinak to vypadá s částečnými výboji uvnitř cívky: nevykazuje-li cívka žádné částečné výboje, je to důkaz homogenity zalití. Naopak, pokud v cívce dochází k částečným výbojům, pak při předpokladu, že vinutí je bezchybné, zůstaly v cívce po zalití bubliny. Částečné výboje pak vedou k dlouhodobému poškozování izolačního systému. Otázkou je, jakou hladinu částečných výbojů je možno připustit. Norma ČSN EN 60726 stanoví maximální hladinu 10 pC. Pečlivou analýzou více než desetiletého provozu transformátorů výrobce stanovil, že maximální hladina vnitřních částečných výbojů v zalitých cívkách je 5 pC. Tato hladina je spolehlivě a s udržitelnými náklady měřitelná a poskytuje důkaz o kvalitě cívky. Přitom je zkoušena a dokumentována každá jednotlivá cívka.

Provoz transformátorů

Podobně jako jiné transformátory mohou být i transformátory se zalitým vinutím za určitých podmínek zatěžovány vyšším, než jmenovitým proudem. Na obě spodní postranice lze osadit jednotky s ventilátory, které vhánějí chladicí vzduch do kanálu mezi jádrem a vinutím a do kanálu mezi vinutími, případně do chladicích kanálů ve vinutích, a tím lze zvýšit zatížení transformátoru až o 40 %. Transformátor tak pracuje v režimu s nuceným chlazením. Ovládání ventilátorů zajišťuje vyhodnocovací přístroj, který měří teplotu vinutí pomocí odporu (typ PT 100) a při určité nastavené teplotě spouští ventilátory. Ke spuštění ventilátorů dojde také v pravidelném intervalu 30 dní, aby se zajistila trvalá funkčnost os ventilátorů. Pro tyto případy jsou svorky transformátoru a připojovací praporce dimenzovány na 1,4násobek jmenovitého proudu. Je třeba si ale uvědomit, že ztráty transformátoru jsou úměrné druhé mocnině proudu a při nárůstu výkonu o 40ovládacích obvodů je vždy věcí projektanta a montážní firmy.

Údržba

Životnost suchých transformátorů se zalitým vinutím je srovnatelná se životností olejových transformátorů. Závisí na zatěžování a okolní teplotě. Nároky na údržbu jsou malé, pravidelně se kontroluje hlídání teploty, případně funkčnost ventilátorů. Podle stupně znečištění, které je závislé na prostředí, v němž je tranformátor instalován, se musí transformátor očistit od prachu a nečistot.

Technologie suchých transformátorů firmy SGB je v celosvětovém měřítku ojedinělá a svými vlastnostmi patří ke světové špičce.

Elpro-Energo s. r. o.
Ul. Míru 3
739 61 Třinec
Tel.: 558 338 645
Fax: 558 325 864
http://www.elpro-energo.cz

Poznámka redakce:

¹⁾ Prepreg – polotovarový kompozit s kontinuálními vlákny, popř. tkanina nebo paralelně orientovaná vlákna zalitá v polymerní matrici.

²⁾ Bisphenol A – (C₁₅H₁₆O₂); důležitý monomer pro přípravu polykarbonátů, polysulfonů, epoxidových pryskyřic a polyakrylátů; vyrábí se kondenzací fenolu s acetonem.

³⁾ Epichlorhydrin – často používaný název pro chlormethyloxiran (3-chlormethyloxiran, C₃H₅ClO); bezbarvá jedovatá kapalina, vyrábí se z propenu přes allychlorid (při teplotách 400 až 500 °C), který se působením kyseliny chlorné a následovným odštěpením HCl převádí na epichlorhydrin; je velmi reaktivní, používá se zejména k výrobě epoxidových pryskyřic.