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 do 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. Kyslíkové číslo označuje, jak vysoká musí být koncentrace kyslíku v prostředí (kolik %), aby příslušný materiál (zařízení, stroj) ještě samostatně hořel. - 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 společnosti TRASFOR) - 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. A kyseliny, které vznikají rozkladem oleje, způsobují korozi kovové nádoby transformátoru zevnitř. Používání hermetizovaných nádob tyto jevy pouze zpomaluje, ale nemůže je zcela odstranit.
Zalévaný transformátor v provedení IP 00
Olejový transformátor s výměníkem olej/voda
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
