Trojfázový transformátor

Tato lekce se zabývá konstrukcí trojfázového transformátoru.

Trojfázové transformátory se používají především v energetice pro hospodárný přenos elektrické energie pomoci vysokých a velmi vysokých napětí.

Princip činnosti

Transformátory jsou elektrické stroje, které pracují na principu elektromagnetické indukce, kdy se při průchodu primárním vinutím vytvoří magnetické pole, které v sekundárním vinutí indukuje napětí. Při připojené zátěži protéká sekundárním vinutím el. proud o jiné velikosti, to znamená, že přeměňují střídavý proud při určitém napětí na jiný střídavý proud při jiném napětí. Při transformaci proudu dochází ke změně napětí a proudu, ale frekvence se nemění.

Konstrukce transformátoru

Transformátory mohou být konstruovány jako jednofázové nebo  trojfázové.  Jednofázové sestávají se ze dvou nebo více cívek, které jsou od sebe elektricky odděleny (výjimkou jsou autotransformátory). Magnetizační obvod bývá z izolovaných transformátorových plechů o tloušťce 0,5mm nebo 0,35mm. Aby byl magnetizační proud co nejmenší, je magnetický obvod uzavřen bez vzduchové mezery.

Hlavní části transformátoru

• magnetický obvod
• vinutí
• nádoba naplněná olejem
• víko nádoby s příslušenstvím

Rozdělení transformátorů

• plášťové
• jádrové

Existuje široká škála konstrukčních řešení transformátorů v závislosti na výkonu, kmitočtu a aplikaci. Zde se zaměříme na transformátory pro průmyslový kmitočet (případně s obsahem harmonických vyšších řádů), napětí NN a VN a střední výkony od desítek kVA do desítek MVA.

• suché transformátory (nezalité)
• suché transformátory se zalévaným vinutím
• olejové transformátory

Suché transformátory nezalité - s vrstvovým vinutím, což je vůbec nejstarší konstrukce transformátorů.

Obr. 1: Suchý transformátor s vrstvovým vinutím [1]

Pokud probíhá vinutí jednotlivých závitů ve vrstvách, pak u závitů ležících pod sebou u jednoho čela vinutí dojde k tomu, že napětí mezi nimi je rovno dvojnásobku napětí na jednu vrstvu. To je nesmírně nerovnoměrné namáhání, vedoucí k nutnosti dělat mezivrstvovou izolaci silnou, i když jsou její izolační schopnosti využity jen na jednom okraji. Na NN to samozřejmě není až tak velký problém, ale zcela odlišné jsou poměry u vinutí VN. Proto se tato, jinak velmi jednoduchá konstrukce, používá běžně u NN transformátorů, ale u VN maximálně do napětí 7,2kV a výkonu cca 15MVA. Výhodou je relativně nízká cena, velmi nízké požární zatížení, výborná odolnost vůči rychlým změnám okolní teploty, odolnost vůči chladu (i do méně než -20°C) a snadná recyklovatelnost.

Suché transformátory nezalité - s kotoučovým vinutím (nezalité) mají podstatně lepší rozložení napěťového namáhání, a proto se vyrábějí až do napětí 36kV, s výkony do cca 15MVA. Mají stejné výhody jako předchozí, ale jejich cena je vyšší. Při správné konstrukci mají i dobrou zkratovou odolnost.

Obr. 2: Suchý transformátor s kotoučovým vinutím [1]

Pro transformátory VN/NN (případně VN/VN) a výkony od desítek kVA výše jsou ale naprosto převažující další dvě konstrukční provedení – transformátory se zalitým vinutím a olejové typy.

Výhody transformátorů se zalévaným vinutím

• Suché transformátory jsou téměř bezúdržbové (olejové, a to i hermetické, vyžadují podstatně rozsáhlejší údržbu). Při zvyšující se ceně pracovní síly bude tento argument v průběhu životnosti transformátoru nabývat na významu. Jejich montáž je také velmi jednoduchá.
• Omezené nebezpečí požáru: požár olejového transformátoru není nic neobvyklého a následky bývají značné a to pro velké množství oleje a vysokou teplotu hoření (viz např. web stránky www.pozary.cz, odkud je i připojený obrázek). Ročně u nás dochází (podle oficiálních údajů Požární ochrany) téměř ke stovce požárů způsobených transformátory.

Obr. 3: Požár olejového transformátoru [1]

Na druhou stranu je třeba říci, že ne všechny suché transformátory jsou stejně odolné ohni – proto se rozdělují do tříd F0 a F1 (podle ČSN EN 60726) takto:

• třída F0 – blíže nespecifikované protipožární charakteristiky. S výjimkou charakteristik vlastních samotné konstrukci transformátoru nejsou přijata žádná zvláštní opatření k omezení hořlavosti.
• třída F1 – transformátory vystavené nebezpečí ohně. Je požadovaná omezená hořlavost. Musí být minimalizována emise toxických látek a neprůhledných kouřů.

Obecně lze říci, že kvalitní transformátory se zalitým vinutím jsou nesnadno hořlavé a samozhášivé.

Ekologické hledisko

Olejová trafa (zejména od „levných“ výrobců) mají úniky, nemluvě o likvidaci celého transformátoru někdy v budoucnu, kdy požadavky na ekologii budou ještě přísnější. Zalévané transformátory jsou i při likvidaci (na konci životnosti) ekologičtější (z větší části jsou recyklovatelné) než transformátory olejové.

V prašném, vlhkém, agresivním a vůbec znečištěném prostředí je suchý transformátor výhodnější, mimo jiné proto, že má podstatně větší povrchové vzdálenosti.

Kompaktní konstrukce zalitého transformátoru (zejména s fóliovým vinutím na NN, tj. z fólie široké po celé šířce sloupku) je odolnější účinkům dynamickým sil při zkratech.

Zároveň má tato konstrukce podstatně lepší rozložení teploty.

Vinutí VN z hliníkových pásků umožňuje ideální rozložení napěťového namáhání (oproti nerovnoměrnému namáhání u vrstvových vinutí). To se zase projeví ve větší napěťové odolnosti transformátoru.

Zalité provedení je celkově daleko odolnější než jiné konstrukce, a to jak mechanicky, tak proti některým vlivům prostředí (slaná mlha aj.).

Obr. 4: Zahoření nekvalitního zalévaného transformátoru [1]

Pokud je zalévání prováděno kvalitně, je zalitý transformátor mimořádně odolný i proti přepětím. Kvalitu zalití lze do určité míry rozpoznat při zkouškách.

Pokud je kvalitně složený magnetický obvod, má zalévaný transformátor i nízké ztráty naprázdno a malou hlučnost.

Zalévané transformátory lze vyrobit i v provedení odolném otřesům a vibracím (např. do zemětřesných oblastí, do lodí, na lokomotivy).

Zalévané transformátory lze vyrobit i v provedení se sníženými ztrátami naprázdno, případně i nakrátko. Takové provedení šetří provozní náklady.

U zalévaných transformátorů je výhodnější provedení vinutí z Al oproti Cu.

Zalévané transformátory mají podstatně nižší nároky na stanoviště (zaberou méně místa) a nevyžadují olejovou jímku. Díky jejich vlastnostem je lze umístit blíže k místu spotřeby a tím opět o něco snížit ztráty.

Vinutí NN lze provést jako chlazené vodou (chladicí voda přímo protéká vodičem), případně lze vodou chladit i jádro (magnetický obvod).

Vzhledem k velké časové oteplovací konstantě lze zalité transformátory krátkodobě přetěžovat. Pro možnost ještě většího krátkodobého zvýšení výkonu lze osadit radiální ventilátory.,

Ventilátory ale samy mají určitou spotřebu, takže snižují účinnost transformátoru. S ohledem na pohyblivé části je i jejich životnost obvykle kratší než životnost samotného transformátoru. Rychlejší proudění vzduchu také způsobuje větší zanášení větracích mřížek nebo otvorů.

Obr. 5: Radiální ventilátory, možnost přetížení až o 40% [1]

Obr. 6: Axiální ventilátory, možnost přetížení až o 50% [1]

Typické aplikace pro kvalitní zalévané transformátory

Na druhou stranu jsou místa a aplikace, kde vychází výhodnější olejové transformátory, a to jsou:

• venkovní prostředí s teplotami hluboko pod bod mrazu a se zapínáním transformátorů z těchto nízkých teplot. Běžné zalévané transformátory lze bez dalších opatření zapínat až od teplot -5°C.
• Provedení pro napětí vyšší než U₀ = 35kV a výkony větší než cca 20MVA
• Obecně lze říci, že olejový transformátor běžného provedení je investičně levnější než zalévaný, jeho provoz je však nákladnější.

Zdroje

Obrázky

[1] MUŽÍK, Pavel. www.trasfor.sk [online]. [cit. 2014-6-23]. Dostupný na www: http://www.trasfor.sk/documents/Kterykam.pdf