Budowa transformatorów energetycznych

Transformator energetyczny składa się z części aktywnej, układu izolacji, kadzi, oleju, chłodzenia, przepustów, przełącznika zaczepów i osprzętu zabezpieczającego. Rdzeń i uzwojenia są najważniejsze elektromagnetycznie, ale same nie tworzą jeszcze kompletnego urządzenia gotowego do pracy w sieci.

Duży transformator musi nie tylko zmieniać poziom napięcia. Musi odprowadzać ciepło, utrzymywać wytrzymałość izolacji, znosić siły zwarciowe, umożliwiać regulację napięcia i wykrywać uszkodzenia wewnętrzne zanim przerodzą się w awarię. Dlatego budowa transformatora energetycznego jest dużo szerszym tematem niż sama zasada indukcji elektromagnetycznej.

Jeżeli chodzi o sam układ trójfazowy, rdzeń trójkolumnowy, połączenia uzwojeń i oznaczenia typu Dyn11, osobno omówiona jest budowa transformatora trójfazowego. Ten artykuł skupia się na transformatorze energetycznym jako urządzeniu sieciowym: jego podzespołach, izolacji, chłodzeniu, osprzęcie i danych znamionowych.

Z czego składa się transformator energetyczny?

Transformator energetyczny można podzielić na część aktywną oraz układy pomocnicze. Część aktywna odpowiada za przenoszenie energii przez pole magnetyczne. Układy pomocnicze zapewniają warunki pracy: izolację, chłodzenie, regulację, przyłączenie do sieci i ochronę przed skutkami uszkodzeń.

Takie rozbicie porządkuje temat. Samo hasło „rdzeń i uzwojenia” opisuje wnętrze elektromagnetyczne, ale nie pokazuje całego urządzenia. Transformator energetyczny pracujący w stacji albo sieci przesyłowej jest układem mechanicznym, elektrycznym, cieplnym i izolacyjnym.

Część aktywna transformatora

Część aktywna to rdzeń, uzwojenia, połączenia wewnętrzne, odczepy, elementy dociskowe, dystansowe i izolacyjne. Ten zespół odpowiada za właściwe przetwarzanie energii. Kadź, olej, przepusty i chłodzenie tworzą dla niego środowisko pracy.

Rdzeń prowadzi strumień magnetyczny, a uzwojenia tworzą obwody elektryczne po stronie górnego i dolnego napięcia. Między tymi elementami muszą być zachowane odpowiednie odstępy izolacyjne. Nie chodzi tylko o normalne napięcie robocze. Transformator musi znosić również przepięcia, obciążenia zwarciowe i stany przejściowe w sieci.

Część aktywna musi być stabilna mechanicznie. Podczas zwarcia przez uzwojenia płyną prądy wielokrotnie większe od roboczych, a siły elektrodynamiczne próbują zdeformować uzwojenia. Dlatego uzwojenia są dociskane, podpierane i unieruchamiane tak, aby nie przemieściły się pod wpływem nagłych obciążeń.

W transformatorach olejowych bardzo ważne jest suszenie części aktywnej przed zamknięciem w kadzi i napełnieniem olejem. Wilgoć w papierze izolacyjnym obniża wytrzymałość elektryczną układu i przyspiesza starzenie izolacji. Produkcja dużego transformatora obejmuje więc nie tylko montaż rdzenia i uzwojeń, ale także kontrolę wilgotności, suszenie oraz przygotowanie izolacji do pracy w oleju.

Rdzeń, blachy i uzwojenia

Rdzeń transformatora energetycznego wykonuje się z blach elektrotechnicznych o małych stratach magnetycznych. Blachy są układane w pakiety i izolowane między sobą, aby ograniczyć prądy wirowe. Im większa moc transformatora, tym większe znaczenie ma jakość materiału magnetycznego, sposób cięcia blach, montaż pakietu oraz dokładność złożenia kolumn i jarzm.

W rdzeniu występują straty jałowe. Pojawiają się nawet wtedy, gdy transformator jest załączony do napięcia, ale nie zasila jeszcze obciążenia. Wynikają głównie z przemagnesowywania rdzenia oraz prądów wirowych. Materiał i geometria rdzenia mają więc bezpośredni wpływ na sprawność transformatora.

Uzwojenia wykonuje się najczęściej z miedzi albo aluminium. W transformatorach dużej mocy stosuje się przewody o przekrojach i układach dobranych nie tylko pod prąd roboczy, ale też pod chłodzenie, wytrzymałość mechaniczną i rozkład pola elektrycznego. Uzwojenia mogą mieć kanały olejowe, które ułatwiają odprowadzanie ciepła z wnętrza części aktywnej.

Strona górnego napięcia wymaga większych odstępów izolacyjnych niż strona dolnego napięcia. Z tego powodu układ uzwojeń nie jest przypadkowy. Konstruktor musi pogodzić wymagania izolacji, chłodzenia, wytrzymałości zwarciowej i możliwie niskich strat. W dużym transformatorze każdy z tych warunków ma znaczenie.

Szersze wyjaśnienie samego układu faz, przekładni i połączeń uzwojeń znajduje się w tekście o tym, jak działa transformator trójfazowy. W transformatorze energetycznym ta zasada jest punktem wyjścia, ale nie opisuje jeszcze całej konstrukcji urządzenia.

Izolacja papierowo-olejowa i starzenie transformatora

W transformatorach olejowych podstawą izolacji jest układ papierowo-olejowy. Izolacja stała to głównie papier celulozowy, preszpan, przekładki, dystanse i elementy izolacyjne wokół uzwojeń. Olej wypełnia przestrzenie między częściami aktywnymi, poprawia wytrzymałość elektryczną układu i przenosi ciepło do kadzi oraz chłodnic.

Izolacja jest jednym z najważniejszych ograniczeń trwałości transformatora. Stal rdzenia może pracować przez bardzo długi czas, a miedź lub aluminium uzwojeń nie zużywają się w prosty sposób jak element mechaniczny. Największym problemem jest starzenie izolacji celulozowej. Temperatura, wilgoć, tlen i produkty degradacji oleju przyspieszają ten proces.

Stan papieru izolacyjnego trudno ocenić bezpośrednio podczas normalnej eksploatacji. Olej można pobrać do badań, ale izolacja stała pozostaje wewnątrz części aktywnej. Analiza oleju jest więc często pośrednim sposobem oceny tego, co dzieje się z transformatorem w środku.

Wysoka temperatura w najcieplejszym punkcie uzwojenia, czyli w tak zwanym hot spot, ma szczególne znaczenie dla starzenia izolacji. Im wyższa temperatura pracy, tym szybciej postępuje degradacja celulozy. Chłodzenie transformatora jest więc warunkiem utrzymania trwałości izolacji, a nie tylko sposobem na obniżenie temperatury obudowy.

Wilgoć również obniża wytrzymałość elektryczną układu papierowo-olejowego i zwiększa ryzyko wyładowań wewnętrznych. Z tego powodu w transformatorach olejowych tak duże znaczenie ma szczelność kadzi, stan osuszacza, jakość oleju i kontrola parametrów izolacji.

Kadź transformatora i olej

Kadź transformatora mieści część aktywną i olej. Musi zapewniać szczelność, odporność mechaniczną oraz ochronę przed korozją. Pełni jednocześnie funkcję bazy konstrukcyjnej dla radiatorów, konserwatora, przepustów, zaworów, czujników i elementów zabezpieczających.

W kadzi znajdują się połączenia wewnętrzne, wyprowadzenia, punkty montażowe przepustów, zawory, króćce, pokrywy rewizyjne i elementy związane z obiegiem oleju. W dużych transformatorach sama masa kadzi oraz masa oleju są ważne logistycznie, bo wpływają na transport, posadowienie i montaż urządzenia w stacji.

Olej transformatorowy pracuje wewnątrz kadzi razem z częścią aktywną. Jego zadaniem jest utrzymanie właściwych warunków izolacyjnych i cieplnych. Liczy się jego jakość, zawartość wilgoci, gazy rozpuszczone, czystość oraz zgodność z wymaganiami danego urządzenia.

Podczas eksploatacji olej staje się także nośnikiem informacji diagnostycznej. Gazy rozpuszczone w oleju mogą wskazywać na przegrzewanie, wyładowania niezupełne albo inne procesy zachodzące wewnątrz transformatora. Dlatego badania oleju są ważnym elementem utrzymania dużych transformatorów energetycznych.

Chłodzenie transformatora: ONAN, ONAF, OFAF i ODAF

Transformator nagrzewa się przez straty w rdzeniu i uzwojeniach. Straty w rdzeniu występują głównie od przemagnesowywania i prądów wirowych. Straty w uzwojeniach rosną wraz z obciążeniem, bo zależą od prądu płynącego przez przewodniki.

W uproszczeniu straty obciążeniowe w uzwojeniach rosną proporcjonalnie do kwadratu prądu:

P_{Cu} \sim I^2R

Zależność kwadratowa wyjaśnia, dlaczego przeciążenie transformatora tak szybko podnosi temperaturę uzwojeń. Nawet niewielki wzrost prądu ponad wartość znamionową może istotnie zwiększyć ilość ciepła wydzielanego w części aktywnej.

W układzie ONAN olej krąży naturalnie, a ciepło oddawane jest do powietrza bez wentylatorów. Nagrzany olej unosi się w kadzi i radiatorach, oddaje ciepło, a następnie wraca chłodniejszy do dolnych partii transformatora. Rozwiązanie jest proste i niezawodne, ale ma ograniczoną wydajność cieplną.

W układzie ONAF obieg oleju pozostaje naturalny, ale chłodzenie powietrzem jest wymuszone przez wentylatory. Radiatory oddają wtedy więcej ciepła, a transformator może bezpiecznie pracować przy większym obciążeniu cieplnym. W wielu transformatorach wentylatory załączają się stopniowo po przekroczeniu określonej temperatury.

W układzie OFAF olej jest tłoczony pompami, a powietrze przepływa przez chłodnice wymuszone. Taki układ stosuje się przy większych mocach, gdy naturalny obieg oleju nie zapewnia wystarczającego odprowadzania ciepła. W układzie ODAF olej jest dodatkowo kierowany przez określone kanały chłodzące, aby skuteczniej odbierać ciepło z najważniejszych stref uzwojeń.

W szczególnych zastosowaniach spotyka się również chłodzenie olej-woda, na przykład OFWF albo ODWF. Ciepło z oleju jest wtedy przekazywane do wymiennika wodnego. Takie rozwiązania wymagają dodatkowej kontroli, bo awaria wymiennika albo nieszczelność układu chłodzenia może mieć poważne skutki dla transformatora.

Konserwator, oddech i poziom oleju

Olej zmienia objętość wraz z temperaturą. Gdy transformator się nagrzewa, objętość oleju rośnie. Gdy stygnie, maleje. Konserwator, czyli zbiornik wyrównawczy, przejmuje te zmiany i pomaga utrzymać prawidłowe warunki pracy układu olejowego.

W transformatorach z konserwatorem ważny jest sposób kontaktu oleju z powietrzem. Jeżeli układ oddycha przez osuszacz, powietrze przechodzące do konserwatora powinno być osuszane, aby ograniczyć wprowadzanie wilgoci do oleju. W starszych i prostszych rozwiązaniach kontakt oleju z atmosferą był większy. W nowocześniejszych układach dąży się do jego ograniczenia.

Wskaźnik poziomu oleju pokazuje, czy ilość oleju mieści się w dopuszczalnym zakresie. Zbyt niski poziom może oznaczać nieszczelność, błędne napełnienie albo problem eksploatacyjny. Przy transformatorze energetycznym poziom oleju wpływa na chłodzenie, izolację i działanie części zabezpieczeń.

Nie każdy transformator olejowy ma taki sam układ konserwatora. Spotyka się transformatory hermetyczne, układy z membraną albo workiem separującym olej od powietrza. W artykule o budowie najważniejsze jest jedno: konserwator jest elementem układu olejowego, a nie przypadkowym zbiornikiem zamontowanym na górze transformatora.

Przepusty transformatorowe

Przepust transformatorowy pozwala przeprowadzić przewód pod napięciem przez uziemioną kadź transformatora. Musi jednocześnie przewodzić prąd roboczy i zachować izolację między częścią czynną a obudową. Jest jednym z najbardziej odpowiedzialnych elementów osprzętu.

Przy niskich napięciach przepust może wyglądać stosunkowo prosto. Przy wysokich napięciach jego konstrukcja staje się dużo bardziej wymagająca. Trzeba kontrolować rozkład pola elektrycznego, zapobiegać wyładowaniom, zapewnić szczelność i utrzymać odpowiednią wytrzymałość mechaniczną.

W transformatorach energetycznych spotyka się różne technologie przepustów, między innymi OIP, RIP i RIS. OIP to przepust z izolacją papierowo-olejową. RIP wykorzystuje papier impregnowany żywicą. RIS opiera się na syntetycznym materiale impregnowanym żywicą. Różnice między nimi dotyczą izolacji, odporności na wilgoć, sposobu starzenia i wymagań eksploatacyjnych.

Awaria przepustu może prowadzić do bardzo poważnego uszkodzenia transformatora. Dlatego w dużych jednostkach stan przepustów jest traktowany jako istotna część oceny technicznej urządzenia. W tym miejscu wysokie napięcie przechodzi z wnętrza kadzi do toru zewnętrznego, więc margines błędu jest niewielki.

Przełącznik zaczepów i regulacja napięcia

Przełącznik zaczepów służy do zmiany efektywnej liczby zwojów jednego z uzwojeń. Zmiana liczby zwojów zmienia przekładnię transformatora, a więc pozwala korygować napięcie po stronie wtórnej. W sieci energetycznej ma to duże znaczenie, bo napięcie zmienia się wraz z obciążeniem i warunkami pracy systemu.

Najprostszy przełącznik zaczepów działa beznapięciowo. Aby zmienić pozycję zaczepu, transformator musi być wyłączony. Takie rozwiązanie jest prostsze konstrukcyjnie, ale nie nadaje się do ciągłej regulacji napięcia w pracującej sieci.

W dużych transformatorach energetycznych stosuje się przełączniki zaczepów pod obciążeniem, czyli OLTC. Pozwalają zmieniać przekładnię stopniowo, bez wyłączania transformatora z pracy. Układ taki ma napęd, mechanizm przełączający, tory prądowe i często osobną komorę olejową albo rozwiązania ograniczające skutki łuku łączeniowego.

OLTC nie zwiększa mocy znamionowej transformatora. Jego zadaniem jest regulacja napięcia w dopuszczalnym zakresie. Jeżeli transformator jest przeciążony cieplnie albo pracuje poza warunkami znamionowymi, sama zmiana zaczepu nie rozwiązuje problemu.

Zabezpieczenia i osprzęt ochronny

Transformator energetyczny ma osprzęt, który nie bierze bezpośrednio udziału w przetwarzaniu energii, ale decyduje o bezpiecznej eksploatacji. Do takich elementów należą czujniki temperatury oleju i uzwojeń, wskaźniki poziomu oleju, zawory bezpieczeństwa, przekaźniki gazowo-przepływowe, zabezpieczenia układu chłodzenia oraz monitoring pracy OLTC.

Jednym z klasycznych zabezpieczeń transformatora olejowego z konserwatorem jest przekaźnik Buchholza. Montuje się go zwykle w przewodzie między kadzią a konserwatorem. Reaguje na gazy powstające w oleju przy uszkodzeniach wewnętrznych oraz na gwałtowny przepływ oleju, który może towarzyszyć poważniejszej awarii.

Gazy w oleju mogą pojawiać się przy przegrzewaniu, wyładowaniach, uszkodzeniu izolacji, zwarciach międzyzwojowych albo innych nieprawidłowościach wewnątrz kadzi. Przekaźnik Buchholza nie jest więc „czujnikiem oleju” w potocznym sensie. To element ochrony transformatora przed skutkami awarii rozwijającej się wewnątrz części aktywnej.

W większych jednostkach coraz większe znaczenie ma monitoring online. Obejmuje między innymi temperatury, gazy rozpuszczone w oleju, stan przepustów, pracę przełącznika zaczepów i układ chłodzenia. Celem nie jest zbieranie danych dla samego zbierania, tylko wcześniejsze wykrycie zmian, które mogą prowadzić do awarii lub skrócenia żywotności transformatora.

Przy pomiarach i zabezpieczeniach w stacjach energetycznych ważną rolę pełnią także przekładniki. Ich funkcję omawia osobny artykuł o tym, czym są przekładniki napięciowe i prądowe.

Transformator olejowy, suchy i autotransformator

W energetyce najczęściej spotyka się transformatory olejowe, zwłaszcza przy większych mocach i napięciach. Olej pozwala połączyć izolację z chłodzeniem, a cała konstrukcja dobrze skaluje się do dużych jednostek pracujących w sieciach rozdzielczych i przesyłowych.

Transformatory suche nie mają kadzi wypełnionej olejem. Izolację tworzą materiały stałe, żywica i powietrze, a chłodzenie odbywa się naturalnie albo z pomocą wentylatorów. Takie konstrukcje stosuje się często wewnątrz budynków, w przemyśle i tam, gdzie ograniczenie cieczy izolacyjnej jest istotne ze względów bezpieczeństwa lub eksploatacji.

Autotransformator to inny wariant konstrukcyjny. Ma część uzwojenia wspólną dla strony górnego i dolnego napięcia, dlatego nie zapewnia pełnej izolacji galwanicznej między stronami. Dzięki temu może być lżejszy i mieć mniejsze straty przy zbliżonych poziomach napięć, ale jego zastosowanie wymaga innego podejścia do ochrony i pracy sieci.

Autotransformatory mają znaczenie zwłaszcza w sieciach wysokich napięć, gdzie łączy się poziomy napięć stosunkowo bliskie sobie. Nie są jednak uniwersalnym zamiennikiem zwykłego transformatora dwuuzwojeniowego. O wyborze decyduje układ sieci, wymagania izolacyjne, poziomy zwarciowe i sposób ochrony.

Tabliczka znamionowa transformatora energetycznego

Tabliczka znamionowa jest skróconą dokumentacją techniczną transformatora. Dla eksploatacji ma większe znaczenie niż opis katalogowy, bo podaje parametry konkretnego urządzenia. Można z niej odczytać moc znamionową, napięcia, prądy, częstotliwość, grupę połączeń, napięcie zwarcia, sposób chłodzenia, masę, ilość oleju, poziomy izolacji, rok produkcji i numer fabryczny.

Moc transformatora energetycznego podaje się jako moc pozorną, zwykle w kVA albo MVA. Dla układu trójfazowego zależność między mocą pozorną, napięciem międzyprzewodowym i prądem liniowym zapisuje się tak:

S = \sqrt{3} \cdot U_L \cdot I_L

Zależność ta obrazuje bezpośredni wpływ napięcia międzyprzewodowego na prąd liniowy przy tej samej mocy pozornej. Niższe napięcie oznacza wyższy prąd, dlatego strona niskiego napięcia transformatora dużej mocy wymaga bardzo solidnych wyprowadzeń i torów prądowych.

Kluczowym elementem metryki jest również napięcie zwarcia oraz grupa połączeń. Parametry te determinują warunki, w jakich transformator zostanie wpięty do istniejącego systemu elektroenergetycznego.

Przy obliczeniach związanych z mocą, energią i obciążeniem pomocny może być dział kalkulatorów energetycznych. Zależności mocy w układach trójfazowych szerzej omawia też artykuł o mocy układów trójfazowych.

Napięcie zwarcia i praca równoległa transformatorów

Napięcie zwarcia, oznaczane często jako u_k albo U_k, określa napięcie potrzebne do wymuszenia prądu znamionowego przy zwartym uzwojeniu wtórnym. Podaje się je zwykle w procentach napięcia znamionowego.

Parametr ten wpływa na wartość prądu zwarciowego, spadek napięcia pod obciążeniem i podział obciążenia między transformatorami pracującymi równolegle. Im mniejsze napięcie zwarcia, tym większy potencjalny prąd zwarciowy po stronie wtórnej, o ile pozostałe elementy sieci nie ograniczą go wcześniej.

Przy pracy równoległej transformatory muszą mieć zgodną grupę połączeń, zgodną przekładnię, taką samą kolejność faz i zbliżone napięcie zwarcia. Duże różnice impedancji zwarciowej powodują nierówny podział obciążenia. Jedna jednostka może być przeciążana, podczas gdy druga nie wykorzystuje swojej mocy.

Przy rozbudowie stacji albo wymianie transformatora sama zgodność mocy i napięć znamionowych nie wystarcza. O bezpiecznym wpięciu maszyny do istniejącego układu decyduje pełny zestaw parametrów elektrycznych.

Co odróżnia transformator energetyczny od małego transformatora?

Mały transformator można często opisać przez rdzeń, uzwojenia, obudowę i podstawowe parametry napięciowe. W transformatorze energetycznym taki opis jest zbyt krótki. Równie ważne są izolacja papierowo-olejowa, chłodzenie, osprzęt, przepusty, zabezpieczenia, regulacja napięcia i możliwość bezpiecznej pracy przez wiele lat.

Różnica dotyczy także skutków awarii. Uszkodzenie małego transformatora zwykle oznacza wymianę urządzenia. Awaria transformatora energetycznego może oznaczać wyłączenie fragmentu sieci, kosztowny remont, długi transport jednostki rezerwowej i ryzyko uszkodzeń wtórnych. Dlatego duże transformatory są projektowane, monitorowane i eksploatowane z dużo większą dyscypliną.

Transformator energetyczny jest urządzeniem elektromagnetycznym, ale także obiektem eksploatacyjnym. Jego stan zależy od temperatury, wilgoci, jakości oleju, pracy chłodzenia, kondycji przepustów, działania OLTC i historii obciążeń. Sama zasada działania mówi, dlaczego transformator zmienia napięcie. Budowa pokazuje, co musi istnieć, aby robił to bezpiecznie w sieci energetycznej.

Podsumowanie

Budowa transformatora energetycznego obejmuje znacznie więcej niż rdzeń i uzwojenia. Część aktywna odpowiada za przetwarzanie energii, ale dopiero kadź, olej, izolacja, chłodzenie, przepusty, przełącznik zaczepów i zabezpieczenia pozwalają tej części aktywnej pracować w rzeczywistej sieci.

Najważniejsze są trzy obszary: układ elektromagnetyczny, układ izolacyjno-cieplny i osprzęt eksploatacyjny. Jeżeli rozumiesz ich rolę, tabliczka znamionowa, oznaczenia chłodzenia, konserwator, Buchholz czy OLTC przestają być dodatkami. Stają się normalnymi elementami konstrukcji, bez których transformator energetyczny nie mógłby bezpiecznie pracować.

---

Źródła

• Siemens Energy — Power Transformers
• Reinhausen — Tap-changer basics
• Hitachi Energy — Transformer bushings for AC applications
• Reinhausen / Cedaspe — Buchholz relays catalogue
• CIGRE Electra — The condition of solid transformer insulation at end of life
• EPRI — Transformer insulation aging and maintenance guide