Nevíme o něm......... aneb z pohledu provozu a údržby ideální transformátor Ing. Pavel Mužík, obchodní zástupce společnosti TRASFOR S.A. Uvědomili jste si už někdy, že nejlepší zařízení, které používáte, je to, o kterém ani nevíte, že ho máte, protože s ním nejsou žádné problémy? Od doby instalace nevyžaduje téměř žádnou údržbu, nemá žádné poruchy, vydrží i neočekávané mimořádné provozní podmínky, prostě se o něm nemluví. Pracovníci provozu a údržby si občas výhodu takovýchto zařízení uvědomují, ale lidé z nákupu, investic a projektů už méně. Ale jak zjistit, který z nabízených typů se bude takto chovat? Na to nestačí jen prosté splnění požadavků předpisů a norem (standardů). Spolehlivost je přitom i v podmínkách průmyslových podniků v ČR a SR otázkou významnou. Ať už vyrábíte automobily, provozujete slévárnu, chemičku či sklárnu, hlubinný důl či hotel, nebo třeba drážní dopravu, při poruše některého ze strategických agregátů (na kterých provoz závisí) vám vzniknou velké škody. A mezi takové strategické agregáty patří také transformátory a tlumivky, ať už distribuční (pro rozvody), nebo technologické. O spolehlivosti různých zařízení asi nejlépe vypovídají ověřitelné reference. V následujícím textu představím švýcarskou firmu TRASFOR, a vlastnosti jejich výrobků budu dokumentovat právě na referencích. Společnost TRASFOR S.A. byla založena v r. 1967. Sídlí ve Švýcarsku, v italsky mluvícím kantonu Ticino, uprostřed hor a jezer, poblíž turistického centra Lugana a jezera Lago di Maggiore. Hlavní výrobní závod, ve kterém je i vývoj a konstrukce, je v městečku Molinazzo di Monteggio a zaměstnává asi 240 lidí. Další závody se nachází v Itálii nedaleko Milána. Společnost je z větší části ve vlastnictví managementu (zbytek vlastní významné švýcarské bankovní domy). Roční obrat činí přes sto milionů CHF a v posledních letech vykazuje rychlý růst. A jedním z hlavních důvodů pro vzrůstající oblíbenost výrobků TRASFORu je právě vyhlášená bezkonkurenční spolehlivost. Přibližně 90 % výroby jde na export, a to do všech světadílů.
Areál TRASFORu v Molinazzu
Spolehlivost Jakým způsobem dosahuje TRASFOR tak velké spolehlivosti svých výrobků? Je to kombinací celé řady opatření. Začátek je už v projekční přípravě, kde pracují technici s dlouholetými zkušenosti z nejrůznějších aplikací z celého světa a zároveň lidé s velikou invencí, kteří přinášejí zcela nové konstrukční nápady. Díky těmto lidem je možno navrhnout zákazníkovi pro jeho konkrétní aplikaci to nejlepší řešení, které mu pak přinese úspory nákladů oproti běžným typovým konstrukcím. Úspory se projeví jak při provozu, tak někdy i při investici. Vstupní materiály a suroviny jsou nakupovány pouze v té nejlepší kvalitě, od ověřených a spolehlivých dodavatelů. Neopomenutelnou otázkou je technologická kázeň v celém výrobním cyklu. A ta je ve Švýcarsku skutečně bez kompromisů. Výrobky jsou pak podrobovány testům, a to někdy i za účasti zákazníka nebo certifikačního orgánu (jako např. Underwriter Laboratories nebo lodní registry). Izolační pevnost cívek a transformátorů pro trakci se například zkouší střídavým napětím při ponoření pod vodou. Firma nehledá možnosti přesunu výroby (ani její části) do zemí s levnou pracovní silou, protože si uvědomuje, že docílit v jiném státě takové technologické kázně, jaká je ve Švýcarsku, je problematické. A právě u transformátorů a tlumivek je technologická kázeň jedním ze základních předpokladů produkce s konstantní vysokou kvalitou. Sortiment Společnost TRASFOR vyrábí transformátory a tlumivky následující konstrukce: −zalévané transformátory do 20 MVA a 36 kV pro měniče, distribuci a buzení −suché transformátory až do 15 MVA, do 36 kV pro měniče, distribuci a buzení −olejové transformátory pro speciální požadavky v rozsahu 3 ÷ 20 MVA, do 145 kV pro průmysl a energetiku −olejové usměrňovačové a měničové transformátory v rozsahu 3 ÷ 20 MVA, do 72,5 kV pro elektrolýzu, ocelárny a slévárny, měniče pro ss motory, pro cyklokonvertory −olejové transformátory v hermetizovaném provedení od cca 200 kVA pro distribuci −zemnicí transformátory s možností přídavného vinutí pro napájení pomocných obvodů −omezující tlumivky (reaktory) pro st i ss (zvlněné) proudy, i s přímým vodním chlazením (ve vinutí) −tlumivky s jádrem i bez jádra a mnohé další. Aplikace a reference Nejvíce výrobků TRASFORu jde do lodního průmyslu. I když lodní výroba v ČR a SR je nepatrná, jde o tak významnou referenci, že jí objasníme v samostatné kapitole. Rozsáhlé použití nacházejí výrobky také v dopravní technice, a to jak v pevných trakčních zařízeních (měnírny, filtračně kompenzační stanice), tak v dopravních prostředcích (lokomotivy, tramvaje, trolejbusy). Významná část produkce jde také do průmyslu a energetiky, a to jak do měničů a usměrňovačů, tak i do distribučních rozvodů a elektráren (v poslední době také do větrných a solárních). Poslední, ale z hlediska referencí velmi významnou oblastí použití jsou aplikace v hornictví, vojenské technice a dalších speciálních službách. Mezi zákazníky TRASFORU patří Siemens, ABB, VA TECH, Alstom, Cegelec, Sécheron, BRUSH, ENEL, GMI, CERN, CESI, Ishika Wajima a Kvaerner Masa-Yards (poslední dva jsou výrobci velkých lodí) a stovky dalších. V České a Slovenské republice působí obchodní zastoupení TRASFORu už přes deset let. Výrobky této firmy najdete v ČR a SR v elektrárnách (distribuční, budicí, zkušební transformátory) a hodně je zde instalováno také usměrňovačových a měničových transformátorů. Olejové transformátory TRASFOR pracují na velkostrojích v uhelných lomech. Přes naše inženýrsko-montážní podniky se dostaly výrobky TRASFORu, jako součást dodávek investičních celků do Číny, Indie, Mexika, Turecka, Kanady, USA, ale i do Polska, Rumunska a mnoha dalších států. Transformátory na velkých lodích Pohon velkých lodí už dnes většinou není přímo z naftového motoru (přes spojku a převodovku) na hřídel s lodním šroubem. Motor je spojen s generátorem a další přenos probíhá prostřednictvím elektrické energie až na pohonný elektromotor. My, suchozemci, podobný způsob pohonu známe spíše z dieselelektrických lokomotiv.
Kde všude se v lodní technice používají transformátory a tlumivky z TRASFORu? Je to na velkých zaoceánských výletních lodích (tzv. cruiserech), vrtných a těžebních plošinách, na atomových ledoborcích, lodích pro těžbu písku či na pokládku kabelů, na tankerech, oceánografických plavidlech. Ale také na lodích pro rybolov, na dopravních nákladních lodích (většinou na kontejnery), vojenských plavidlech, plovoucích jeřábech, trajektech (Ro-Ro), obřích jachtách... Vidíte, že sortiment použití je skutečně mimořádně široký. Transformátor je poměrně těžký, takže je na lodi kvůli stabilitě umístěn co nejníže, pod čarou ponoru. Při výrobě lodi se pak nad ním navařují příčky, žebra a jednotlivé paluby (někdy až přes deset palub). Pokud by došlo k selhání transformátoru, loď – pro představu třeba výletní cruiser se dvěma tisíci pasažéry – by musela opustit svou trasu, dojet do přístavu a vysadit cestující. V suchém doku by se pak vyřízl do boku lodi otvor, kudy by se transformátor vyměnil a na tuto díru by pak přišla „záplata“. Den plavby takové výletní lodi přitom přijde přibližně na půl milionu EUR, nemluvě o následných škodách na ztrátě důvěry a tím i zákazníků a nákladech na vlastní opravu. To je důvod, proč jsou na transformátory pro velké lodě kladené mimořádné nároky na spolehlivost. Jsou zde i další technické odlišnosti, jako odolnost otřesům, vlivům slané mlhy a vlhkých tropů. Transformátory musí mít malou hlučnost a nesmí vyvolávat požární nebezpečí. O jaké výkony se přitom jedná? U jednoho z typických plavidel této třídy, lodi Grand Princess z roku 2002, jde o 8 transformátorů pro pohon po 6,5 MVA a 12 distribučních transformátorů s různým výkonem a různým sekundárním napětím o celkovém výkonu 30,2 MVA. Dohromady tedy jde o výkon 82,2 MVA, tedy jako napájení pro střední město s cca 150 ks běžných distribučních transformátorů.
Jedna z výletních lodí společnosti RCCL s transformátory TRASFOR Aby měli provozovatelé takových „měst na vodě“ jistotu, že k poruše nedojde, platí pro stavbu všech strategických částí lodi velmi přísné předpisy. Nad jejich dodržováním bdí lodní registry (LR). Firma, která dodává do lodního průmyslu, musí mít od lodního registru certifikát a její zaměstnanci podléhají pravidelnému přezkušování. Inspektoři LR provádí (někdy spolu s techniky zákazníka) kontroly v průběhu výroby a zúčastní se i závěrečných zkoušek. O výsadním postavení TRASFORu v tomto oboru svědčí i to, že velké mezinárodní montážní firmy, které dodávají kompletní elektroinstalaci velkých lodí, a přitom sami vyrábí transformátory obdobné konstrukce, používají do lodí právě transformátory z TRASFORu. A ve stejných prostorách, ze stejných materiálů a se stejnými pracovníky jsou pak vyráběny i transformátory a tlumivky pro použití na souši – třeba právě pro zákazníky v ČR či na Slovensku.
Zjednodušené schéma elektroinstalace lodi Courtesy RCCL Jak se liší výrobky TRASFOR od běžného standardu? Uvedeme jen několik nejvýznamnějších odlišností: Magnetický obvod je skládaný z kvalitních plechů při vysoké úrovni technologické kázně a moderní konstrukci. To přináší uživateli tyto výhody: malá hlučnost transformátoru, malé ztráty naprázdno, odolnost vibracím. Vinutí NN se provádí z fólie v celé šíři sloupku. Díky tomu jsou nulové axiální síly ve vinutí a nehrozí místní přehřátí. Navíječky jsou řízené počítačem a svařování vývodů probíhá pomocí automatů přímo na nich. To umožňuje používat jako materiál vinutí hliník, který je v zalitých transformátorech výhodnější než měď (bude vysvětleno v dalším textu). Vinutí z hliníku, pokud má splňovat všechny na ně kladené požadavky, ale vyžaduje moderní know-how a mimořádně vysokou úroveň technologické kázně. A to je důvod, proč řada výrobců transformátorů přednostně nabízí měděné vinutí. Technologie zalévání. TRASFOR má zavedený nejdokonalejší systém zalévání vinutí VN do pryskyřice, který se stal vzorem i pro ostatní výrobce z oboru. K tomu, aby byl výsledek prvotřídní, je ale třeba vysoká kázeň ve výrobě. Kvalitu zalití je možno do určité míry posoudit podle velikosti parciálních výbojů. Standardy stanovují jako maximální hladinu 10 pC. Hodnoty, dosahované na transformátorech z TRASFORU, se běžně pohybují v rozmezí od 1 do 3 pC. Celkové mechanické provedení transformátoru. Je dáno konstrukcí a pečlivostí ve výrobě. Na něm záleží odolnost proti vibracím a vlivům okolí (vlhkost, znečištění, slaná mlha) a chování při mimořádném namáhání (přetížení, přepětí, zkraty...). Transformátory TRASFOR jsou dodávány také v tropikalizovaném provedení. Jejich odolnost mohli posoudit i provozovatelé v ČR při povodních v r. 2002. V Plzeňských městských dopravních podnicích a v PRE byly tyto transformátory zaplaveny. Po skončení povodní byly pouze očištěny a vysušeny a dodnes jsou v provozu.
-
Transformátory pro měniče a usměrňovače jsou konstruovány na příslušný nesinusový průběh napětí (liší se podle typu usměrňovače či měniče). Nehrozí tedy přehřátí od vyšších harmonických (ani aktivních, ani nosných a dalších částí) Provádí se i kontrola konstrukce na skinefekt a vibrace. Pomocí počítačové simulace lze kontrolovat namáhání celku i jednotlivých částí při různých způsobech namáhání – ať od vibrací, rázů, tepelného namáhání nebo dalších vlivů a nejrůznějších jejich kombinací. Používané programy byly vyvinuty speciálně pro tento účel ve společnosti TRASFOR.
Který kam? Existuje široká škála konstrukčních řešení transformátorů a tlumivek v závislosti na výkonu, kmitočtu, počtu fází a aplikaci. Zde se zaměříme na transformátory pro průmyslový kmitočet (případně s obsahem vyšších harmonických), napětí NN a VN a střední výkony od desítek kVA do desítek MVA. A zde už je běžných řešení jen několik, a to: − olejové transformátory v různém provedení − suché transformátory se zalévaným vinutím − suché transformátory (nezalité) Suché transformátory nezalité lze ještě blíže rozdělit na provedení s vrstvovým vinutím, což je vůbec nejstarší konstrukce transformátorů, a na transformátory s vinutím kotoučovým (nebo též diskovým).
Transformátor s vrstvovým vinutím 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 7,2 kV a výkonu cca 15 MVA. Výhodou je relativně nízká cena, velmi nízké požární zatížení (malý kyslíkový index i při izolaci teplotní třídy H), výborná odolnost rychlým změnám okolní teploty, odolnost chladu (i do méně než -20°C) a snadná recyklovatelnost.
Speciální transformátor pro doly (k zabudování do nevýbušného závěru) Suché transformátory s kotoučovým vinutím (nezalité) mají podstatně lepší rozložení napěťového namáhání a proto se vyrábějí až do napětí 36 kV, s výkony do cca 15 MVA. Mají stejné výhody jako předchozí, ale jejich cena je vyšší. Při správné konstrukci mají i dobrou zkratovou odolnost.
Transformátor VN/NN s diskovým (kotoučovým) vinutím 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 zcela 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 následující obrázek). Ročně u nás dochází (podle oficiálních údajů Požární ochrany) téměř ke stovce požárů, způsobených transformátory a tlumivkami. Podle materiálů společnosti SERGI (www.sergi-france.com) v poslední době rychle stoupá také počet výbuchů olejových transformátorů (až 2% z instalovaných). Důvodem může být to, že stávající standardy nestanoví na pevnost nádoby žádné požadavky, zatížení transformátorů se zvyšuje a stávající ochrany (Buchholzovo relé a rychlé tlakové relé) nezajišťují dostatečnou ochranu proti explozi nádoby.
Požár olejového transformátoru Na druhou stranu je třeba říci, že ne všechny suché transformátory jsou stejně odolné ohni. Aby se jejich chování při požáru mohlo alespoň zhruba srovnávat, rozdělují se do tříd F 0 a F1 (podle ČSN EN 60726) takto: - třída F0 – blíže nespecifikované protipožární charakteristiky. S výjimkou vlastností, daných samotnou konstrukcí transformátoru nejsou provedena žádná 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 a při hoření nevytváří husté (špatně průhledné), ani agresivní dýmy. Dříve se definovala ještě třída F2 (s dočasnou funkční schopností při požáru), ale pro nejasnosti s definicí byla nakonec zrušená. Podle amerického standardu UL 94 jsou zalévané transformátory TRASFOR zařazené ve třídě V1 – samozhášivé provedení. - 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, než transformátory olejové. Z větší části jsou recyklovatelné. - 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 a s impregnovanou izolací) je odolnější účinkům dynamickým sil při zkratech. Transformátory TRASFOR jsou plně odolné zkratům. 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.).
Zahoření nekvalitního zalévaného transformátoru (nejedná se o výrobek z TRASFORu) - Pokud je zalévání prováděno kvalitně (což vyžaduje jak příslušné know-how, tak i značnou úroveň technologické kázně), je zalitý transformátor mimořádně odolný i proti přepětím. Kvalitu zalití lze do určité míry rozpoznat při zkouškách, a to podle velikosti parciálních výbojů. Normy požadují maximálně 10 pC, přičemž TRASFOR může garantovat 5 pC. Skutečně dosahované hodnoty se pohybují kolem 2 pC. - Pokud je kvalitně složený magnetický obvod (opět je to otázkou technologické kázně), má zalévaný transformátor i nízké ztráty naprázdno (záleží samozřejmě i na typu trafoplechů) a malou hlučnost. - Zalévané transformátory lze vyrobit i v provedení odolném otřesům a vibracím (např. do zemětřesných oblastí, do lodí, na lokomotivy). TRASFOR má v tomto směru velikou tradici. Používaná pryskyřice se vyznačuje určitou pružností - je houževnatá. Lze z ní vyrobit transformátory i do zemětřesné zóny 4 (nejvyšší zóna). - Zalévané transformátory běžného provedení jsou v teplotní třídě F (do 155 °C), ale TRASFOR je vyrábí i ve třídě H (do 180 °C). - 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 (viz další odstavec). - 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 (případně pro zvýšení výkonu při stejné velikosti transformátoru) lze osadit radiální ventilátory (pod vinutím, z obou stran spojky magnetického obvodu), případně u krytých provedení i axiální ventilátory (ve stropě krytu). 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.
Radiální ventilátory umožňují zvýšit výkon až o 40%
Axiální ventilátory umožňují zvýšit výkon až o 50%
- Při uzavřeném provedení transformátoru (v krytí IP44 až IP54) lze díky výměníku tepla vzduch/voda umístit transformátor do míst, kam by se obtížně přiváděl chladicí vzduch (např. na lodi), nebo do míst s vysokou teplotou okolí, či s mimořádným znečištěním (např. vodivým prachem). Z výše uvedeného vyplývají i typické aplikace pro kvalitní zalévané transformátory: všude tam, kde jde o bezpečnost (např. letiště, nemocnice, metro; v dolech, pro lodní a pobřežní zařízení) a také vždy v případech vysokých nároků na spolehlivost či ekologii. 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. Existují sice provedení až do -20°C, ale tato úprava je to na úkor řady jiných vlastností. - provedení pro napětí vyšší než U0 = 35 kV a výkony větší než cca 20 MVA - transformátory ve speciální zapojení (TRASFOR vyrábí tyto speciality v pobočném závodě Specialtrasfo). Obecně lze říci, že olejový transformátor běžného provedení je investičně levnější než zalévaný, jeho provoz je však nákladnější. Pokud je zapotřebí zajistit požární bezpečnost, a stanoviště transformátoru se proto vybavuje olejovou jímkou, stabilním hasicím zařízením, případně ochranou proti výbuchu, jsou náklady jednoznačně výhodnější u suchých transformátorů, a to i co se týká samotné investice. Hlavní příčina, proč olejový transformátor vyžaduje více práce, tkví právě v oleji, a to proto, že olej, jako každá organická látka, stárne. Rozkladem oleje vznikají kyseliny, voda a nerozpustné pevné látky. A všechny tyto materiály jsou neslučitelné se správnou funkcí oleje – tedy chladit, izolovat, chránit proti korozi. Izolační papír, nasáklý vodou a kyselinou a potažený nerozpustnou břečkou zhoršuje izolační stav a bez náležitých opatření (pracných a nákladných) dříve či později způsobí poruchu transformátoru. Kyseliny narušují kovové konstrukce ve styku s olejem. Používání hermetizovaných nádob tyto jevy pouze zpomaluje, ale nemůže je zcela odstranit.
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 při jeho větší mechanické odolnosti 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 významně menší 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 a větší tepelnou vodivost. větší povrch hliníkového vodiče znamená i jeho lepší ochlazování vinutí z Al pásků má větší plnicí faktor (menší poměr objemu mezizávitové izolace k objemu vodiče) díky větší šířce Al fólie oproti fólii z Cu (nebo Cu drátu) je větší mezizávitová kapacita i kapacita mezi cívkami. Díky tomu dojde k rovnoměrnějšímu rozložení napěťového namáhání při napěťových impulzech, a to zejména na vstupní cívce, kde u jiných konstrukcí dochází ke koncentraci napěťového namáhání (s nebezpečím destrukce, viz obrázek na konci článku). větší tepelná kapacita. Měrné objemové teplo hliníku je sice o něco menší, než mědi, ale díky použití většího objemu kovu je tepelná kapacita celkově větší, a větší je i množství pryskyřice. Díky tomu se transformátor při zatížení pomaleji zahřívá. Výhody hliníku se nejvíce projeví při použití hliníkových pasů v celé šíři sloupku na vinutí NN a kotoučovém vinutí VN z hliníkových pásků. 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 souvisejí. Stupeň krytí se uvádí jako u jiných elektrotechnických výrobků označením IP XX. Nekryté provedení (IP 00) má přirozené chlazení (označuje se AN), případně přídavné ventilátory (AF). Pokud se tyto ventilátory používají pouze při přetěžování, značíme 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 zajištěno 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 (tzv. komínový tah), musí být zachovány určité proporce z hlediska průřezu a výšky pro průchod chladicího vzduchu. A čím vyšší stupeň krytí, tím by byl menší průřez této cesty, což nelze připustit. Cenový rozdíl ve stejně veliké skříni mezi IP 21 a IP 44 není velký, ale pozor! Pokud má zůstat chlazení AN, musí se udělat opatření, aby komínový tah větrání „utáhnul“- např. zvětšit skříň, nebo osadit ventilátory (pak už se ale nejedná o chlazení AN, ale AN/AF), ale často také překonstruovat celý transformátor, aby se zvětšily průřezy větracích kanálků. Ventilátory také nejsou příliš nákladné investičně, ale představují veliké ztráty navíc na jejich provoz. Spolehlivost a životnost ventilátorů se nedá srovnávat se samotným transformátorem – zatímco samotný transformátor nemá žádné pohyblivé části, má ventilátor ložiska, která se mohou zadřít, a jak ložiska, tak i větrací mřížky se daleko více zanášejí 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 zbytečně prodražit jak samotný transformátor, tak případně i jeho provoz. Výše uvedené informace se týkají výkonů od řádu stovek kVA výše. Samozřejmě, že transformátor o výkonu 20 kVA lze uchladit i ve skříni IP 55 bez mimořádných opatření. Na transformátor o výkonu 100 kVA lze udělat krytí IP 43 také bez velkého zvýšení nákladů oproti IP 21.
Transformátor TRASFOR v krytí IP 23 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 hmotnost transformátoru), případně v místech s vysokou teplotou okolí. 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 na lodi je bezproblémové. Na lodích se většinou ztrátové teplo nevyužívá, ale vypouští se do moře (přes výměník sladká voda/slaná voda).
Transformátor s výměníkem (nezakrytý)
Princip výměníku vzduch/voda
Suché transformátory se zalévaným vinutím nejsou příliš vhodné pro venkovní použití. Pokud se mají takto instalovat, dávají se do skříně s krytím IP 33, která je tepelně izolovaná a je vybavená předehříváním (tzv. antikondenzační ohřev). Před zapnutím transformátoru z teplot pod -5°C se vnitřek skříně nejdříve předehřívá topnými tělesy, napájenými z cizího zdroje, a k připojení transformátoru pod napětí dojde až po dosažení požadované teploty (když už je vyloučeno orosenípovrchu izolačních částí VN). Toto provedení se ale vyrábí jen v omezeném rozsahu výkonů.
Umístění antikondenzačních topných odporů (pod vinutím) 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.
Možnosti přetížení transformátoru při nižší teplotě okolí (skutečné konkrétní hodnoty jsou pro každé provedení transformátoru jiné)
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 platí obecná zásada (Montsingerovo pravidlo), že životnost izolace se zkracuje na polovinu při každém zvýšení její teploty o 8 až 10°C. O životnosti transformátoru (pokud nemá nějaké hrubé konstrukční, nebo výrobní vady) totiž rozhoduje právě životnost jeho izolace.
K přehřátí může dojít následkem: • dlouhodobého nebo opakovaného přetížení • neúčinné nebo zhoršené ventilace (případně nedostatečnou funkcí aktivního chladicího systému) • vysoké okolní teploty Pro transformátory suchého provedení nabízí TRASFOR čtyři hlavní typy ochran: −ochranu
termistorem (PTC) platinovým odporovým čidlem (PT100) −analogový kontaktní teploměr −bimetalický spínač (doporučuje se jen pro nižší výkony) −ochranu
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 3,6 kV (v případě termistorů PTC; čidla PT100 mohou být umístěna i do vinutí s vyšším napětím), 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 trans-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. Dosáhne-li však teplota některého z termistorů 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. Do tohoto systému může být také zahrnuto spínání ochlazovacího ventilátoru (v chladicím systému AN/AF), vyžaduje to však instalaci třetí sady PTC do vinutí. Provedení k montáži na DIN lištu se označuje T119 DIN. Relé T119 se napájí z pomocného zdroje o napětí 24 až 240 V, a to buď ss, nebo st o kmitočtu 50 či 60 Hz. Ochranné relé T119 Výhodou této ochrany je to, že zde není co nastavovat, takže nehrozí nebezpečí špatného seřízení. Cenový rozdíl mezi provedením transformátoru s ochranou pomocí relé T119 (s čidly PTC) a s ochranou pomocí digitálního monitoru T154 ( s čidly PT100) je nepatrný, takže záleží na volbě uživatele, zda upřednostní T119 s výhodou odolnosti proti nekvalifikovaným zásahům, nebo T154 s výhodou snadného získání údajů o vytíženosti transformátoru. U transformátorů se dvěma sekundárními vinutími vystačíme s jedním relé T119, ale při použití PT100 čidel musí být dva digitální monitory T154.
Ochrana platinovým odporovým čidlem (PT100) může být zabudovaná do transformátoru jako volitelná, buď navíc ke standardnímu termistorovému systému, nebo častěji místo něj. Tento systém se skládá z jednoho senzoru (čidla) v každé NN cívce a z digitálního monitoru T154 s displejem. Monitor T154 má v sobě zabudované poplašné a odpojovací relé. Obě tato relé lze nezávisle nastavit na ovládacím panelu. Odpor čidla PT100 vzrůstá lineárně s teplotou. V digitálním monitoru je z velikosti odporu senzoru vypočtena aktuální teplota, která se na monitoru ukazuje. Na monitoru lze zobrazit teplotu každé ze tří cívek, ale v automatickém režimu se zobrazuje nejvyšší z těchto hodnot. Maximální teploty každé cívky jsou ukládány do paměti zařízení, kde zůstávají po dobu 10 let. Uživatel tedy získá poměrně rozsáhlé informace o využití transformátoru.
Digitální monitor T154
Monitor je samokalibrační a provádí i diagnostickou kontrolu čidel PT100, včetně přívodů k nim. Monitor T154 vyžaduje napájení pomocným napětím 24 až 240 V a to buď ss, nebo st 50/60 Hz. Kromě kontaktních výstupů pro alarm a odpojení je k dispozici ještě další kontaktní výstup pro spínání pomocných ventilátorů. Monitor T154 se dodává buď namontovaný na krytu transformátoru, nebo volně pro instalaci v rozvaděči. Pro použití s dálkovým ovládáním, nebo pro zapojení k řídicímu systému je k dispozici digitální monitor ve verzi T935. Ten má stejné funkce jako T154, ale navíc má analogový výstup 4-20 mA. Existují i provedení s výstupem digitálním. Analogový kontaktní teploměr funguje na principu roztahování kapaliny. Má malou mosaznou baňku, spojenou ohebnou kapilárou se skříňkou se stupnicí. Baňka je zasunuta do NN vinutí (do izolované dutiny). Hlavní výhodou tohoto přístroje je to, že nevyžaduje žádné napájení. Kontakty pro alarm a vypnutí jsou izolované, beznapěťové. Ukazatel aktuální hodnoty je ručkový a oba spínací kontakty lze nezávisle nastavovat, přičemž nastavená hodnota je na stupnici jednoznačně viditelná.
Analogový kontaktní teploměr 1187-S Bimetalický spínač musí být instalován do cívky už v průběhu vinutí. Je to nejjednodušší způsob ochrany, ale doporučuje se jen pro použití na nízkonapěťových transformátorech do výkonu do 400 kVA. Spínač je kontaktní a je napevno nastavený na konkrétní hodnotu teploty. Vývody z bimetalických spínačů jsou na transformátoru vyvedeny do jednoduché řadové svorkovnice.
Zkoušky a standardy Na transformátorech a tlumivkách se provádějí zkoušky typové a zkoušky kusové, případně zkoušky zvláštní. Co je povinnou náplní kusové zkoušky stanoví norma ČSN EN 60076. Z ostatních zajímavých zkoušek stojí za zmínku napěťová zkouška trakčních transformátorů a tlumivek (jedná se o výrobky s tzv. integrální izolací) při ponoření pod vodou. Zkouška vypadá dosti drasticky, ale pro tyto aplikace má své opodstatnění.
Důležitými vlastnostmi suchých transformátorů jsou také odolnost vlivům prostředí (tím se rozumí odolnost vlhkosti, kondenzaci vody a znečištění) a klimatická odolnost (nízkým teplotám). Tyto vlastnosti jsou v normě ČSN EN 60726 klasifikovány do tříd prostředí E0 až E2 a klimatických tříd C1 až C2. Informativní příloha A ve standardu ČSN EN 60076-1+A11 velmi podrobně vyjmenovává, jaké údaje by měla obsahovat poptávka (případně objednávka) výkonového transformátoru. Vzhledem k rostoucím požadavkům na ochranu životního prostředí je na místě připomenout, že běžné výkonové transformátory nepodléhají evropským direktivám RoHS a WEEE (2002/95/EC a 2002/96/EC) a že se u nich také nezkoumá elektromagnetická kompatibilita (považují se z hlediska vyzařování a imunity k elektromagnetickému rušení za pasivní články). Výrobky z TRASFORu šetří životní prostředí i tím, že neobsahují halogenní prvky. Kromě základních evropských norem ČSN EN 60076 a ČSN EN 60726 existují ještě desítky dalších standardů na jednotlivé části, případně na provedení pro jednotlivé aplikace (např. drážní, pro měniče aj.), na bezpečnostní požadavky, na dokumentaci a štítky a další. Protože se transformátory a tlumivky TRASFOR dodávají do celého světa, zkouší se podle jiných norem, např. DIN 6700 pro zařízení trakčních vozidel, nebo podle amerických standardů UL File E172880 pro bezpečnost zařízení NN, UL File E216928 na chování izolace při různých teplotách. Běžně se také zkouší podle standardů jiných států, jako jsou IEC, BS, CSA, VDE/DIN, ASNI a dalších, případně podle požadavků nezávislých institucí, jako jsou lodní registry a jiné, např. ABS, DNL, GL, BV, DNV, LRS, SQC, SLV. TRASFOR je také držitele prestižního osvědčení IRIS pro aplikace v železniční dopravě. Samozřejmostí jsou standardy kvality ISO 9001:2000 a ISO 14001:2004.
Materiály, používané pro výrobu V textu jsem se úmyslně vyhnul přílišným podrobnostem o konstrukci transformátorů a tlumivek, protože to je velmi rozsáhlá problematika, která má význam pro poměrně úzký okruh zájemců (a v řadě případů jde také o firemní know-how). Zmínil bych se ale okrajově o používaných materiálech a komponentech. Zásada společnosti TRASFOR je taková, že doplnit transformátor špičkové kvality průměrným, nebo dokonce podprůměrným vybavením by bylo nemístné. Používají se proto izolační materiály Nomex a Mylar od výrobce DuPont, izolační pásky Scotch a trubice smršťované za studena od 3M, regulace odboček pod zatížením (pokud je požadovaná) od společnosti Reinhausen, ochrany proti přetížení Tecsystem. A podobně je tomu u vodičů, fólií, křemíkových plechů, pryskyřic a laků a rovněž tak u měřicích transformátorů proudu a dalšího příslušenství – vždy se používá to, co je v daném oboru nejkvalitnějšího.
Co zajímá každého nákupčího „až na prvním místě“? Samozřejmě cena. Někdy ještě ani není technicky specifikována poptávka, ale už se uplatňuje požadavek na snížení ceny, ať už formou slevy, či použitím levnějšího řešení a materiálů (často i za cenu velmi významného zhoršení vlastností, nebo zvýšení provozních nákladů). Ale i pro transformátory a tlumivky platí obecná zásada, že za cenu Trabanta těžko koupit Mercedesa. Že ale ceny výrobků TRASFOR jsou dostupné i pro zákazníky v ČR a SR, o tom svědčí více než desetileté působení firmy na těchto trzích a mnoho set aplikací v těchto státech. Dobrý hospodář si dokáže snadno spočítat, že u zařízení, které má sloužit desítky let a závisí na něm celý provoz (např. výroba) jsou pro ekonomiku provozu zásadní provozní náklady a spolehlivost, a malé rozdíly v ceně samotného zařízení nejsou významné. Za zvážení také stojí skutečnost, že ceny transformátorů a tlumivek jsou do značné míry ovlivňovány cenami hlavních výchozích materiálů, tedy mědi, hliníku a transformátorových plechů. Ceny hotových výrobků sledují vývoj cen výchozích materiálů podobně, jako je tomu u kabelů. O jak veliké změny se jedná, to dokumentuje graf vývoje cen těchto materiálů v posledních několika letech.
Vývoj cen materiálů pro výrobu transformátorů (informativní hodnoty)
Jak by transformátor neměl vypadat A protože na první pohled vypadají skutečně všechny transformátory velmi podobně, tak na závěr pár ukázek, jak by transformátor vypadat neměl – a s čím se u výrobků z TRASFORU určitě nesetkáte. Všechny tyto obrázky byly získány z veřejných zdrojů.
Nezvládnutá technologie zalévání - trhliny v pryskyřici Vrstvové vinutí VN – způsobuje nerovnoměrné elektrické namáhání
Destrukce nekvalitního transformátoru Důsledek nerovnoměrného elektrického namáhání
Veškeré technické i obchodní informace o výrobcích společnosti TRASFOR S.A. poskytne: Obchodní zastoupení pro ČR a SR TRASFOR S.A. Ing. Pavel Mužík Jablonecká 411/48 190 00 Praha 9 – Prosek Tel./fax: 286 584 850 Mobil: 602 349 009 E-mail:
[email protected] www.trasfor.cz
