7 decyzji przy projektowaniu uzwojeń transformatora, które decydują o jego trwałości

Czas czytania: ~ 5 minut

Każdy, kto choć raz stał przy wirującej maszynie do nawijania uzwojeń, wie, że transformator zaczyna się nie od rdzenia ani od obudowy.

Zaczyna się od intencji.

Od pierwszego zwoju, który później musi wytrzymać zwarcie o wartości kilkudziesięciu kiloamperów, setki cykli obciążeniowych i dekady pracy w temperaturze, której nie powstydziłaby się sauna.

Gdy trafia do prefabrykowanej stacji transformatorowej, nikt już nie zastanawia się, dlaczego przewód ma akurat taki przekrój, skąd pomysł na geometrię cylindryczną albo czemu operator wybrał DDP zamiast zwykłego papieru Kraft.

A jednak to właśnie uzwojenia decydują o tym, czy transformator przeżyje swoje pierwsze zwarcie, czy będzie pracował zgodnie z normą IEC 60076 i czy za dziesięć lat nie pojawi się problem z odklejającą się izolacją.

Ten artykuł odkrywa kulisy, których zwykle się nie widzi. Po przeczytaniu zrozumiesz, które parametry naprawdę mają znaczenie, jak podejść do doboru geometrii i jaki wpływ na jakość ma fizyka, której nie widać w katalogach.

 

1. Materiał przewodzący. Dlaczego wybór miedzi lub aluminium to znacznie więcej niż prosta ekonomia

Na pierwszy rzut oka dyskusja o miedzi i aluminium przypomina kłótnię o to, czy lepsza jest kawa czy herbata. Oba rozwiązania mają swoich wiernych zwolenników, oba mają twarde dane na swoją obronę i oba mogą działać doskonale, jeśli zastosuje się je z głową.

Miedź przewodzi prąd lepiej.

Przewodność rzędu 58 mega siemensów na metr robi różnicę w projektowaniu strat. Miedź jest jednak cięższa, droższa i bardziej kapryśna w nawijaniu.

Aluminium z kolei ma przewodność 35 mega siemensów na metr, wymaga większego przekroju i odporności na pełzanie, ale potrafi oddać ciepło w sposób bardziej równomierny.

W wielu transformatorach średniej mocy, zwłaszcza od jednego do trzech MVA, różnice eksploatacyjne są niezauważalne dla użytkownika.

Międzynarodowe analizy publikowane przez International Copper Association pokazują, że wybór materiału zmienia nie tylko straty obciążeniowe, ale także parametry związane z obciążalnością cieplną i stabilnością mechaniczną przy zwarciach. Aluminium bywa bardziej podatne na deformację, ale dzięki większym przekrojom poprawia stabilność termiczną całej sekcji.

W praktyce decyzja zależy od 3 czynników.

• pierwszy to dostępność materiału na rynku, co w ostatnich latach staje się coraz bardziej zmienne.
• drugi to wymagania inwestora, zwłaszcza w kontekście kompatybilności z innymi urządzeniami.
• trzeci to priorytety projektowe, na przykład optymalizacja pod ograniczoną przestrzeń w prefabrykowanej stacji transformatorowej.

Inżynierowie powtarzają jedno zdanie.

Trafo z aluminium może działać tak samo długo jak trafo z miedzi, ale musi być dobrze zaprojektowany. Oznacza to przeliczenie mechaniki zwarć, kompensację przekroju i dopracowanie chłodzenia.

Rzeczywistość szkolna uczy nas jednego równania prawa Faradaya.

Rzeczywistość projektowa wymaga spojrzenia na wszystko w trzech wymiarach i w czasie.

 

 

2. Geometria uzwojeń. Miejsce, gdzie fizyka spotyka rzemiosło

Gdyby świat transformatorów był prosty, każde uzwojenie wyglądałoby jak równiutka spirala.

Ale fizyka ma inne zdanie. Pole magnetyczne wytwarzane przez uzwojenie pierwotne nie rozkłada się idealnie. Olej nie chłodzi równomiernie. Drgania mechaniczne nie rozchodzą się liniowo. Dlatego geometria uzwojeń to trochę jak projektowanie organów muzycznych.

Trzeba dobrać proporcje, ułożyć warstwy i przewidzieć rezonanse.

W uzwojeniach niskiego napięcia stosuje się najczęściej taśmy prostokątne lub przewody płaskie. Umożliwiają one gęste układanie warstw i minimalizację strat wynikających z efektu zbliżeniowego. Uzwojenie wysokiego napięcia jest bardziej wyrafinowane. Często używa się układów dyskowych, które przypominają stos cienkich naleśników. W innych rozwiązaniach stosuje się spirale lub układy cylindryczne, gdzie każda sekcja ma zaplanowane drogi chłodzenia olejowego.

 

• Więcej dowiesz się z naszego artykułu:

Sekrety elektroinżynierii: Jak uzwojenia transformatora wpływają na jego wydajność i trwałość

 

Norma IEC 60076 podkreśla potrzebę równomiernego rozkładu pola magnetycznego, ale sama norma nie rozwiąże sytuacji, kiedy jedna sekcja nagrzewa się szybciej niż inne.

Tutaj liczą się doświadczenia inżyniera. W praktyce pomaga analiza przepływu oleju, modelowanie elektromagnetyczne i zwykłe zdrowe rzemiosło, którego nie da się zastąpić algorytmem.

Jeden z kierowników produkcji powiedział kiedyś ciekawą rzecz.

"Gdy patrzę na uzwojenie GN w przekroju, widzę wielopiętrowy tort.

Tylko zamiast biszkoptu jest papier Kraft, zamiast kremu żywica epoksydowa i zamiast owoców kanały chłodzące. Smaku może to nie ma, ale inżyniersko jest to arcydzieło."

 

 

3. Izolacja z celulozy. Niewidzialny bohater, którego roli nie można przecenić

Każdy transformator jest tak dobry, jak dobra jest jego izolacja.

Celuloza to materiał, który w energetyce od stu lat jest niezastąpiony. Papier Kraft to klasyka.

Jego ulepszona wersja, czyli DDP, to technologia, która wiele zmieniła.

DDP ma na powierzchni mikrokropki żywicy. Kiedy uzwojenie przechodzi proces wygrzewania, kropki topią się i łączą warstwy w jedną sztywną całość. To jakby zszyć książkę, która wcześniej była tylko plikiem kartek.

Dzięki temu uzwojenie staje się odporne na drgania i zjawiska dynamiczne podczas zwarć.

Przy prądach zwarciowych potrafią pojawiać się siły rzędu kilku ton działające na pojedyncze sekcje. Bez solidnej izolacji warstwowej transformator po prostu by się rozpadł.

Kolejnym ważnym parametrem jest creepage distance, czyli odległość upływu po powierzchni izolatora. Dłuższa droga to mniejsze ryzyko przeskoku iskrowego. Przy napięciach od piętnastu do trzydziestu sześciu kilowoltów to absolutnie kluczowy parametr.

Zachowanie stabilności wyładowań koronowych to z kolei temat, który potrafi spędzić sen z powiek młodym projektantom.

Podczas wizyt w zakładach produkcyjnych można zobaczyć stos papieru DDP ułożony jak paleta złota. Każda rolka jest cenna, bo każdy metr izolacji ma wpływ na to, jak długo transformator będzie pracował bez awarii.

 

 

4. Mechanika zwarciowa. Najbardziej brutalny test uzwojeń

W branży mówi się, że zwarcie pokazuje prawdę.

Jeśli uzwojenie nie jest wystarczająco sztywne, deformacja jest natychmiastowa.

Prąd zwarciowy działający przez pierwsze dwie sekundy potrafi wygenerować siły o wartości kilkunastu kiloniutonów. To więcej niż nacisk betoniarki pełnej gruzu.

Z tego powodu projekt uzwojeń obejmuje analizę naprężeń osiowych i promieniowych.

Uzwojenie GN jest zwykle narażone na ścinanie, uzwojenie nN na rozciąganie.

W transformatorach powyżej dwóch MVA stosuje się dodatkowe elementy wzmacniające, takie jak drewniane dystanse albo pierścienie kompozytowe. W mniejszych jednostkach rolę tę pełni odpowiednio dobrana gęstość uzwojenia warstwowego.

Produkcja uzwojeń to nie tylko estetyka. To także mechanika, która musi wytrzymać najbardziej nieprzewidywalne stany pracy sieci.

 

5. Chłodzenie olejowe. Rzeka ciepła pomiędzy sekcjami

Olej transformatorowy pełni rolę chłodzenia i izolacji. W uzwojeniach planuje się mikrokanały, które kierują przepływ oleju. Chłodzenie jest jednocześnie proste i nieoczywiste. Jeśli olej stoi, temperatura rośnie, a starzenie izolacji przyspiesza. Jeśli płynie za szybko, może powodować hałas i drgania.

W transformatorach SN stosuje się zarówno chłodzenie naturalne, jak i wymuszone.

System chłodzenia musi być dopasowany do geometrii uzwojeń. Zbyt wąskie kanały mogą prowadzić do lokalnych przegrzań. Zbyt szerokie osłabiają sztywność mechaniczna. Każdy projekt jest jak projektowanie krwiobiegu.

W laboratoriach można zobaczyć makiety przepływowe, które wyglądają bardziej jak fragment akwarium niż część transformatora. Ale wyniki tych badań decydują o dziesiątkach lat pracy urządzenia.

 

6. Kultura produkcji. Precyzja operatora ważniejsza niż algorytm

Czasem pojawia się pytanie, dlaczego nie da się całkowicie zautomatyzować produkcji uzwojeń. Odpowiedź jest prosta. Maszyna nie wyczuje napięcia na taśmie papierowej. Operator to potrafi.

Nawijanie uzwojenia transformatora olejowego to sztuka. Za duża siła nacisku powoduje uszkodzenia izolacji. Za mała prowadzi do drgań i przesunięć przy zwarciach. Operatorzy potrafią usłyszeć, kiedy taśma układa się nie tak jak powinna. To trochę jak praca zegarmistrza w świecie XXL. Wszystko musi być idealne, bo nie ma drugiej szansy.

W branży krąży powiedzenie, że uzwojenie można zrobić piękne, ale tylko raz. Następna próba to już inny projekt, inne naprężenia, inna historia.

 

 

7. Ręczne wykończenia i kontrola jakości. Ostatni etap, który decyduje o wszystkim

Po nawinięciu uzwojeń zaczyna się faza kontroli. Mierzy się rezystancję. Kontroluje się izolację. Sprawdza się każdy punkt łączeniowy. W transformatorach SN margines błędu jest minimalny. Jedno niedociągnięcie w izolacji potrafi ujawnić się dopiero po latach.

Każdy, kto widział ten proces, wie, jak dużo w nim skupienia. Transformator nie jest produktem szybkim. Jest wytworem uważności.

• W artykule o produkcji transformatora olejowego opisaliśmy dziesięć etapów całego procesu. Możesz zobaczyć je tutaj:

Jak powstaje transformator: 10 etapów produkcji transformatora olejowego

 

Uzwojenia transformatora to temat wymagający cierpliwości i wrażliwości technicznej, ale daje też poczucie obcowania z czymś trwałym i pięknym. Jeśli chcesz zobaczyć, jak te zasady przekładamy na gotowe urządzenia, zapraszam do zapoznania się z ofertą Energeks, w tym transformatorami dostępnymi od ręki i możliwością konfiguracji pod projekt.

Oferta transformatorów Energeks

Jednostki dostępne od ręki - zajrzyj do naszego magazynu onlie

Dołącz do naszej społeczności na LinkedIn, gdzie dzielimy się wiedzą i doświadczeniem.