Použití hliníku a mědi na vinutí zalévaných transformátorů

Hliníkové vinutí zalévaných transformátorů upřednostňuje společnost TRASFOR proto, že pro daný typ transformátoru je vhodnější a pro konečného uživatele výhodnější z několika hledisek, jako jsou např.:

• dokonalé ošetření pryskyřice proti mechanickému namáhání a tím garance perfektního fungování a dlouhé životnosti (bez nutnosti úprav pryskyřice různými plnivy)
• nižší váha transformátoru
• odolnost teplotním změnám. Hliník má koeficient teplotní roztažnosti blízký zalévací pryskyřici, a při rychlých změnách teploty - např. při zapnutí studeného transformátoru nevzniká pnutí na rozhraní kovu a pryskyřice. Při použití mědi, která má dvakrát větší teplotní roztažnost, je nutno teplotní roztažnost pryskyřice upravit vhodným plnivem – obvykle skleněnými vlákny - nebo spojení mezi Cu a pryskyřicí ošetřit jiným způsobem, což je vždy zásah navíc do izolačního systému, který u hliníku odpadá. Při použití mědi hrozí na rozhraní mezi mědí a pryskyřicí trhání zalévací hmoty a tím postupná degradace transformátoru (při použití pryskyřice bez úpravy).
• pokud zalévací pryskyřice obsahuje pouze nutná plniva (u Al vinutí), může mít lepší mechanické vlastnosti, menší parciální výboje a lepší tepelnou vodivost.
• pokud je transformátor provozován s významným podílem vyšších harmonických (pro usměrňovače, nebo měniče), je hliníkový vodič lepší proto, že má větší povrch. Na vysvětlenou: pro stejný jmenovitý proud o 50Hz má hliníkový vodič o jeden stupeň větší průřez, než měď. Vyšší kmitočty ale neprochází celým průřezem, ale pouze do určité hloubky – projevuje se tzv. skin efekt. Čím vyšší kmitočet, tím menší hloubka. Pro vyšší kmitočty tedy ani tak nezáleží na průřezu vodiče v mm², jako spíše na jeho povrchu. Tytéž zásady pak platí i pro tlumivky.
• větší povrch hliníkového vodiče znamená i jeho lepší ochlazování
• nižší cena materiálu a tím i nižší cena hotového transformátoru

Vinutí z Al je ale mimořádně náročné na dodržení technologické kázně ve výrobě, a proto ho nabízí pouze málo výrobců. Jde jak o know-how problematiky kvalitního svařování hliníku (fólie na pasy, ploché vodiče mezi sebou), tak i o přesné dodržení velmi malých tolerancí tahu při vinutí z tenké hliníkové fólie (s ohledem na průtažnost hliníku) a o perfektní zvládnutí problematiky zalévání (opět otázka know-how a technologické kázně).
O zkušenostech TRASFORU s hliníkovým vinutím svědčí dlouholeté zkušenosti z dodávek do lodního průmyslu (zaoceánské osobní lodi, tankery, vojenská plavidla, atomové ledoborce či vrtné a těžební plošiny). Pokud ale zákazník trvá na měděném vinutí, TRASFOR ho vyrobí také.

Chlazení a krytí suchých transformátorů a tlumivek
Tyto dvě otázky spolu částečně souvisí. Stupeň krytí se uvádí jako u jiných elektrotechnických výrobků označením IPXX. Nekryté provedení (IP00) má přirozené chlazení (označuje se AN), případně přídavné ventilátory (AF). Pokud se tyto ventilátory používají pouze při přetěžování, označuje se pak chlazení AN/AF.
S chlazením AN a AN/AF lze vyrábět i transformátory v krytu až IP 44, přičemž kryt musí mít dostatečné otvory (vstupní a výstupní), aby bylo zajištěné chlazení přirozeným tahem. Dále je možné přídavné chlazení ventilátory ve střeše krytu, v IP33, opět AN/AF. Je třeba si uvědomit, že pokud má mít transformátor chlazení pouze přirozeným tahem (ty. komínový tah), musí být zachovány určité proporce z hlediska průřezu a výšky pro průchod chladicího vzduchu. A čím vyšší stupeň krytí uděláme, tím zmenšujeme průřez této cesty. Cenový rozdíl ve stejně veliké skříni mezi IP 21 a IP 44 není velký, ale pozor! Pokud má zůstat chlazení AN, musí se skříň zvětšit, aby komínový tah větrání „utáhnul“ (takže pak je ve veliké skříni malý transformátor), nebo osadit ventilátory. Ventilátory také nejsou příliš nákladné investičně, ale představují veliké ztráty navíc na jejich provoz. Spolehlivost a životnost ventilátorů se se samotným transformátorem nedá srovnávat – zatímco samotný transformátor nemá žádné pohyblivé části, má ventilátor ložiska, která se mohou zadřít a jak ložiska, tak i větrací mřížky se daleko více zanáší prachem (větší rychlost proudění). Z hlediska provozních nákladů a spolehlivosti je tedy vhodná volba stupně krytí a případného použití ventilátorů otázkou velmi významnou a neuvážené nezdůvodněné požadavky na vysoký stupeň krytí mohou transformátor velmi prodražit.
Nejvyšší stupeň krytí se dosahuje u transformátorů, kde vzduch cirkuluje v krytu za pomoci ventilátorů, přičemž prochází také výměníkem vzduch-voda. Voda se pak odvádí jinam, kde se její teplo může využít. Toto chlazení se označuje AFWF, nebo podle nové metodiky FS. Využívá se v místech s extrémním znečištěním prostředí, případně na lodích, kde je nutno transformátor umístit co nejníže (s ohledem na stabilitu plavidla a váhu transformátoru). Při chlazení vzduchem by vzduchové potrubí velkého průřezu muselo procházet přes všechny paluby nad transformátorem, což by bylo značně nepraktické a neekonomické. Průřez vodního potrubí je nepatrný a jeho umístění je bezproblémové.
Zalévané transformátory ve standardním provedení jsou určeny pro maximální teplotu okolí do 40°C (na vyžádání je možno dodat provedení i pro teploty jiné). Pokud je skutečná teplota okolí vyšší, není možné transformátor trvale zatížit jmenovitým výkonem, protože by došlo k přehřátí. Pak nastupuje úloha ochran proti přetížení.
Naproti tomu, pokud je teplota okolí významně nižší, je možno transformátor přetížit, aniž by došlo k přehřátí.

Transformátor s výměníkem (nezakrytý)

Klik pro větší náhled.
Princip výměníku vzduch/voda

Měření teploty a ochrana proti přetížení
Ochrana proti přehřátí zajišťuje, že transformátor může být elektricky přetěžován, aniž by přitom byl tepelně přetížen. Každý transformátor, který je pravidelně vystavován teplotám nad navržené hranice, bude vykazovat tepelné stárnutí izolačního systému. Jsou-li takové provozní podmínky dlouhodobé nebo opakované, bude to mít za následek zkrácení životnosti transformátoru. I pro celé transformátory přibližně platí obecná zásada, že životnost izolace se zkracuje na polovinu při každém zvýšení její teploty o 10°C.

K přehřátí může dojít následkem:

• dlouhodobého nebo opakovaného přetížení
• neúčinné nebo zhoršené ventilace
• vysoké okolní teploty

Pro transformátory suchého provedení nabízí TRASFOR čtyři hlavní typy ochran:

• ochranu termistorem (PTC)
• ochranu platinovým odporovým čidlem (PT100)
• analogový kontaktní teploměr
• bimetalický spínač (doporučuje se jen pro nižší výkony)

Pokud je jeden těchto systémů správně nainstalován a zapojen do ovládacího obvodu vypínače na přívodu, transformátor bude v případě přehřívání odpojen a tím chráněn proti neopravitelnému poškození.
Čidla ochrany mohou být umístěna do vinutí NN, nebo do vinutí se jmenovitým napětím až do 3,6kV (případně i do jádra – magnetického obvodu). Společnost TRASFOR dbá na to, aby čidla byla umístěna tak blízko k nejteplejšímu místu na transformátoru, jak jen je to technicky možné a praktické.

Ochrana termistorem (PTC) je osazena jako standardní provedení do vinutí NN u transformátorů VN/NN. Ochrana se skládá ze dvou termistorů PTC v každé NN cívce a vyhodnocovacího ochranného relé T119, které je jedno pro celý transformátor. Jeden termistor je vždy využíván pro poplašný signál, druhý pro odpojení transformátoru. Teploty, při kterých termistory vybavují, jsou pevně dány (jsou neměnné). Pracovní teplota odpojovacího termistoru je zvolena vždy tak, aby odpovídala maximální teplotě, přípustné pro daný izolační systém (teplotní třídě izolace použité na vinutí).
Za normálních teplotních podmínek mají čidla PTC (Positive Temperature Coefficient) odpor přibližně 400 Ohmů. Jestliže ale teplota některého z termistorů dosáhne nastavené hodnoty, jeho odpor se skokem zvýší na přibližně 2500 Ohmů. Tento skokový nárůst odporu je v relé T119 vyhodnocen a převeden na spínací signál, který se využije k signalizaci, resp. k vypnutí vypínače na přívodu.

Ochranné relé T119

Relé T119 může být napájeno z pomocného zdroje o napětí 24 až 240V, a to buď ss, nebo st o kmitočtu 50/60Hz.
Do tohoto systému může být také zahrnuto spínání ochlazovacího ventilátoru (v chladicím systému AN/AF), vyžaduje to však instalaci třetí sady PTC do vinutí.

... dokončení

Ing. Pavel Mužík
 obchodní zástupce společnosti TRASFOR S.A.