( a n e b n e j č a s tě j š í mý t y o t ra n s f o r m á to r e c h )

Transkript

1 Bludovník ( a n e b n e j č a s tě j š í mý t y o t ra n s f o r m á to r e c h ) Úvod Výkonový transformátor je relativně nákladné zařízení, od kterého se očekává, že bude dobře sloužit desítky let. Přesto se v řadě případů jeho výběru věnuje překvapivě malá pozornost. A často se přitom vychází z velmi zkreslených informací. Cílem tohoto článku je uvést nejčastější omyly a dezinformace na pravou míru. Bude se přitom jednat o výkonové transformátory, a to hlavně v zalévaném provedení. Transformátory = zcela bezporuchové stroje? Víte, že Hasičské sbory registrují každý rok v České republice okolo stovky požárů transformátorů? Když připočtete ještě požáry, které se do statistik nedostaly, a technické poruchy, které nevyvolaly požár, vyplývá z toho, že to s absolutní bezporuchovostí transformátorů zdaleka není takové, jak bychom si přáli. A porucha transformátoru přitom často zásadním způsobem ovlivňuje jak ekonomiku, tak i bezpečnost provozu. Příčin poruch je celá řada. Staré olejové stroje už mají své za sebou (před desítkami let nebyly k dispozici ani materiály na současné úrovni kvality a stáří je určitě nevylepšilo). Repase takového stroje je jako nová metalíza na 20 let starém vysloužilém autě, přesto se u nás také dost často provádí. U nových strojů je zase podstatně větší tlak na zlevnění celé konstrukce (než tomu bylo v historii). Výsledkem je využívání materiálů velmi blízko hranice jejich technických možností. Kvůli tomu dochází i k poruchám, které jsme u starých strojů s většími rezervami ani neznali např. výbuch nádoby olejového transformátoru při zkratu ve vinutí. Převážná většina výrobců transformátorů se snaží uplatnit na trhu distribučních transformátorů, protože je to obrovské odbytiště. Právě na tomto trhu tak vzniká obrovský tlak na ceny, přičemž požadavky na kvalitu jsou zde nízké. Výrobci, kteří jsou úspěšní s distribučními transformátory (a tento trh je pro ně rozhodující), pak stejnou kvalitu dodávají i na trhy, kde by měla být použita podstatně kvalitnější zařízení - do průmyslu, zdravotnictví, dopravy. Důsledkem jsou právě poruchy a požáry, které ale u těchto aplikací mají mnohem závažnější dopad (než při nasazení v běžné distribuční síti). Pokud se tedy chceme vyhnout poruchám transformátorů, měli bychom zkoumat reference příslušného výrobce z trochu jiného pohledu než je dosud obvyklé. Firmy, které samy transformátory nevyrábí, ani nedodávají, ale provádí jako službu pro jiné

2 organizace (uživatele-provozovatele) údržbu VN zařízení, včetně transformátorů, mohou také poskytnout zajímavé zkušenosti. Kdo z investorů se ale někdy o takové informace zajímal? Setkáváme se také s případy, kdy uživatelé řeší zvýšení spolehlivosti zálohováním. To je samozřejmě možné. Ale jak z hlediska teorie spolehlivosti, tak i z ekonomického hlediska je jednoznačné, že nejprve je třeba volit co nejspolehlivější komponenty, až pak je vhodné spolehlivost systému zvyšovat zálohováním. Požár olejového transformátoru (média uvedla, že k ohrožení životního prostředí nedošlo ty černé kouře nahoře, to jsou asi jen na léčivé inhalace) Měď je přeci lepší než hliník! Ano, samozřejmě pro většinu aplikací v kabelové a rozvaděčové technice. U zalévaných transformátorů je tomu ale jinak. Zde se hliník používá ne proto, aby se ušetřilo (jak je tomu třeba právě u kabelů velkých průřezů), ale protože uživateli poskytuje transformátor s vinutím z hliníku větší užitnou hodnotu. Hliníkové vinutí je ale podstatně náročnější na výrobu (nejde jen o know-how, ale i pečlivost při výrobě a montáži), a proto se mu řada výrobců vyhýbá a jeho výhody raději zamlčuje. A těch výhod je skutečně celá řada: hliník má teplotní roztažnost blízkou zalévací pryskyřici, a není proto nutné pryskyřici fortifikovat skelnými vlákny (výztuž ze skelných vláken znamená nevýhodnou kombinaci izolací na VN, dále způsobuje křehkost konstrukce a zhoršuje navlhavost pryskyřice); kotoučové vinutí VN z hliníkových pásků má jako jediné ze všech způsobů vinutí rovnoměrné rozložení napětí jak při průmyslovém kmitočtu, tak i při impulzním přepětí (nevznikají místa

3 s vysokým napěťovým gradientem); větší povrch hliníkového vodiče umožňuje lepší ochlazování; transformátor s vinutím z hliníku má větší tepelnou kapacitu to znamená, že se při přetížení pomaleji zahřívá. Podrobnější vysvětlení těchto jevů můžete najít např. na web adrese Často také panuje názor, že transformátor s měděným vinutím má menší ztráty. Proč by měl mít? Ztráty naprázdno jsou dané materiálem jádra (železa). A ztráty nakrátko souvisejí s odporem vinutí. Pro hliníkové vinutí se volí takový průřez vodiče, že odpor je stejný, jako u měděného pro stejnou aplikaci. Stroj s vinutím z hliníku je o něco lehčí, ale ne o moc, protože významnou část váhy transformátoru představuje železo. Také panuje názor, že transformátor s hliníkovým vinutím je větší. Určitý rozdíl ve velikosti zde je - zalité cívky vinutí z hliníku jsou větší (co do průměru), ale rozhodující je velikost magnetického jádra, a ta je stejná, bez ohledu na materiál vinutí. Všechny jsou stejné. Zejména pracovníci nákupu se nechtějí vůbec zabývat konstrukcí a technickými vlastnostmi transformátorů. Zadání většinou stanoví základní technické parametry a to, že musí odpovídat příslušným normám. Dále už o výběru rozhoduje jen cena. To může být celkem vyhovující hledisko při výběru transformátoru pro napájení zahrádkářské kolonie, ale asi by nám to nemělo stačit při řešení napájení těžního stroje, nebo automobilky. Zalévané transformátory od různých výrobců skutečně na první pohled vypadají natolik podobně, že to k uvedenému hodnocení svádí. Při hlubším zkoumání však zjistíme, že některý transformátor vlastně vůbec není zalévaný (správně řečeno zalévaný za vakua), ale že je navinutý z prepregu (jako skelný laminát), jiný typ zase že sice má zalévaný povrch, ale uvnitř se nachází VN vinutí prokládané vrstvami impregnovaného izolačního materiálu a to zatím byla řeč pouze o izolaci vinutí VN. O materiálu vodiče bylo pojednáno výše. Vinutí NN je namáháno zcela jiným způsobem, než vinutí VN (hlavně jde o zatížení proudové tedy tepelné a dále mechanické od dynamických účinků proudových rázů). Jako nejvýhodnější (tedy opět míněno pro uživatele) zde proto vychází jiná technologie, a to vakuovo-tlakově impregnované vinutí, ať už z hliníkových, nebo z měděných pásů, širokých na celou výšku sloupku. A opět zde vidíme značné odchylky od tohoto řešení používají se vodiče obdélníkového průřezu, namísto impregnace se opět objevuje prepreg (který umožňuje jednodušší výrobu). Celkově tedy lze konstatovat, že ano, jsou stejné - asi tak jako značkové zboží z

4 kamenného obchodu a stejná značka z vietnamské tržnice. Detail moderního zalévaného transformátoru uvnitř sloupek jádra, pak vinutí NN, č. 10 je vinutí NN, č. 11 vinutí VN Stejný detail v reálu (ve vinutí NN jsou vidět teplotní čidla) Venkovní x vnitřní Zalévané transformátory jsou obecně určeny do vnitřního prostředí. Do venkovního patří transformátor olejový. Pokud se z nějakých důvodů přesto má použít zalévaný transformátor venku, je nutno učinit taková opatření, aby prostředí v jeho skříni bylo podobné, jako v budově. To znamená, že nelze připustit, aby na povrch VN vinutí svítilo přímé slunce, aby na něj pršelo a sněžilo, a také nemá docházet k orosování. U stroje v provozu je to snadné ohřívá se ztrátami (třeba i jen naprázdno). U vypnutého transformátoru je to složitější. Pro ten případ jsou pod vinutím antikondenzační vyhřívací odporníky, a při vypnutém transformátoru jsou napájeny z cizího zdroje tak, aby k orosování nedocházelo. S ohledem na výše uvedené je zjevné, že pokud někdo nabízí zalévaný transformátor pro provoz při - 30 C, či dokonce 60 C, je to přinejmenším podezřelé. Na vysvětlenou u VN

5 vinutí silně fortifikovaného skelnými vlákny je to možné, ale nic to nemění na tom, že i tento transformátor je určený do vnitřního prostředí. A dovede si představit budovu s vnitřní teplotou -60 C? Takže odolnost takovýmto teplotám je zcela bezcenná, nevyužitelná, a jedná se pouze o reklamní trik. Krytí Pohled na krytí transformátorů je úplně jiný, než na krytí ostatních zařízení. Je to z toho důvodu, že transformátor musí své ztráty uchladit přirozenou cestou komínovým tahem. A pokud tomuto tahu dáme do cesty překážku ve formě krytu s velmi malými otvory, tak ochlazování značně zhoršíme. Ideální chlazení je tedy bez skříně IP00. S krytím IP23 ještě také nejsou problémy (mám na mysli výkony nad 1 MVA). Ale jak se zvyšuje krytí, musí se celý transformátor překonstruovat zvětšit průřezy větracích kanálků, případně i snížit ztráty. A proto někdy bývá u velkých transformátorů velký cenový skok mezi provedeními v krytí IP23 x IP33 x IP44 (větší, než je běžné u jiných zařízení). I velké transformátory mohou být v krytí IP56, ale to už není s přirozeným chlazením, ale s výměníkem tepla vzduch x voda. Z uvedeného vyplývá, že požadavek na krytí výkonových transformátorů je třeba dobře zvážit. Hodně zde ale záleží na velikosti (výkonu) např. transformátor pro plošné spoje (o výkonu jednotek, či desítek Wattů) může být snadno třeba i v IP68. Distribuční, nebo měničový? Distribuční transformátory jsou ty, které pracují s prakticky sinusovým napětím a proudem a s průmyslovým kmitočtem. Pokud transformátor pracuje s nesinusovým napětím (napájením), nebo s nesinusovým proudem (zátěží), jde přesně technicky řečeno o transformátor, určený pro provoz s vysokým podílem vyšších harmonických. Zkráceně mluvíme o usměrňovačovém (nebo měničovém) transformátoru z hlediska jeho konstrukce jde stále o totéž. Nesinusové napájení může být z měniče, nebo střídače, nesinusová zátěž je opět třeba usměrňovač, nebo měnič. Obvykle se takové transformátory navrhují na % vyšších harmonických. Měničové transformátory se obvykle vybavují uzemněným stíněním mezi primárním a sekundárním vinutím. Často se u měničových transformátorů ještě definuje přetěžovací cyklus ať už standardizovaný (podle tabulek v IEC , nebo v ČSN EN 50329), nebo zadaný individuálně. Pro větší výkony se používají vícepulzní měniče (12, 18, 24 nebo i více pulzní). Pro ty pak musí být napájecí transformátor s dvěma sekundárními vinutími s pootočenou fází např. Dd0y1, případně dva i více transformátorů. Někdy se v zapojení usměrňovače ještě používá IPT (vyrovnávací) tlumivka.

6 Pro zajímavost uvádím, že společnost TRASFOR vystavovala na veletrhu AMPER 2009 mj. zalévaný transformátor 4,4 MVA, 11/2x1,8 kv, 60 Hz, IP44, AFWF, se zapojením Dd11,75d0,75 pro 48pulzní měnič k napájení 8,8 MW motoru na lodi (druhý transformátor, který pracuje do stejného měniče, má zapojení Dd0,25d11,25). Měničový transformátor má vinou vyšších harmonických větší ztráty, než distribuční typ o stejném výkonu. Kdysi (když se konstrukce transformátoru počítala ručně ), se oba typy transformátorů navrhovaly stejně, a pak se jen dělala kontrola na ztráty. Pravděpodobně z těch dob panuje pověra, že oba typy transformátorů jsou technicky stejné, a liší se pouze velikostí zrát, případně štítkovým výkonem (takový výklad ještě přežívá i v platné ČSN EN ). V té době se používalo označování měničových transformátorů dvěma štítkovými výkony skutečným výkonem pro měnič (s vyššími harmonickými) a ekvivalentním výkonem, který by tento transformátor mohl dávat při zatížení průmyslovým kmitočtem bez vyšších harmonických. Tento způsob stále používá řada výrobců transformátorů jako reklamní trik deklarují tzv. ekvivalentní výkon, i když uživateli je tento údaj zcela k ničemu - nikdy nebude měničový stroj zatěžovat proudem bez vyšších harmonických. Vyvolávají tím pouze mylný dojem, že transformátor má větší výkon. Používání distribučních transformátorů pro usměrňovače a měniče vedlo k řadě nevysvětlitelných havárií. Důvodem bývá to, že při nesinusové zátěži dochází nejenom k vyšším ztrátám celkovým, ale může dojít k místnímu přehřátí, vedoucímu až k havárii stroje. Magnetický tok se u této zátěže uzavírá zčásti i jinými cestami, než jen železem jádra, a tak opět může dojít k neočekávaným projevům. Proto dnes solidní výrobci měničových transformátorů už od začátku stroj navrhují pro tento provoz. Při současných metodách konstrukce s použitím výpočetní techniky a simulačních metod to není problém. Tak ztratilo smysl i označování měničových transformátorů dvěma výkony, a používá se jen označení výkonem, jaký skutečně může být dodáván do měniče, či usměrňovače. Je pravdou, že zásady, uváděné v ČSN EN a v ČSN za tímto moderním pojetím už hodně pokulhávají. Závěrem této kapitoly bych konstatoval, že v této věci se chybuje opravdu hodně na jednu stranu se třeba pro měniče fotovoltaických elektráren (FVE) používají běžné distribuční transformátory. Na druhou stranu ale dnes existují zapojení měničů (s aktivními filtry), které transformátor nezatěžují vyššími harmonickými, a pro takový měnič skutečně stačí distribuční transformátor. V souvislosti s transformátory pro FVE je na místě si ještě uvědomit, že konstrukce transformátoru s vinutím NN z fólií, širokých na celou výšku sloupku, a s vinutím VN z hliníkových pásků, má tak velikou kapacitu, že přirozeným způsobem omezuje přenos vyšších harmonických do sítě. Proto distribuční transformátor této konkrétní konstrukce je možno použít bez úprav i pro FVE.

7 Transformátor 4,4 MVA v krytí IP44, s chlazením AFWF (hmotnost 9 tun) Ztráty transformátorů Význam ztrát transformátoru se někdy přeceňuje - někteří výrobci se takto snaží uplatnit podstatně dražší provedení s nízkými, nebo velmi nízkými ztrátami. Skutečně realistické ekonomické zhodnocení významu ztrát najdete na web stránce Při výpočtu se zde respektuje jak reálné průměrné zatížení transformátoru, tak i předpokládaný vývoj cen el. energie a inflace. Obvykle se ekonomická efektivnost variant vypočítává na 5 až 7 let (výpočty na delší období jsou zatíženy příliš velkou chybou). Na druhou stranu jsou aplikace, kde ztráty mají skutečně velký význam je to např. u fotovoltaických elektráren, kde každá kwh ztrát stojí přes 12 Kč. Jmenovité napětí Ačkoliv standard ČSN (resp. IEC38) platí už skoro 10 let, stále ještě převažuje požadavek na sekundární napětí distribučních transformátorů 400 V. Výše uvedená norma přitom stanoví jmenovité napětí střídavého zdroje na 420 V (pro střídavou třífázovou síť 230/400 V). 400 V je odůvodněná hodnota při úpravách

8 starých instalací, ale u novostaveb by bylo vhodné držet se normy. Bezúdržbové? Moderní zalévané transformátory jsou často označované jako bezúdržbové. To je samozřejmě nadsázka. V závislosti na preciznosti provedení stroje a jeho provozních podmínkách se liší i požadavky na údržbu. Pokud je vše v pořádku a transformátor je kvalitní, spočívá údržba v kontrolní preventivní prohlídce a případném vyčištění chladicích kanálků (a případně větracích otvorů ve skříni) od usazených nečistot. Lhůty těchto prohlídek ale musí stanovit provozovatel podle místních podmínek. Pokud je někde pojem bezúdržbová chápán doslovně, může postupně dojít k zanesení chladicích kanálů a tím k podstatnému zhoršení chlazení. Jak dlouho to stroj vydrží, to už pak záleží na tom, jak je transformátor zatěžován, a zda je v pořádku jeho tepelná ochrana. V každém případě ale vinou zvýšených teplot vinutí (a tím i izolace) dochází k rychlejšímu stárnutí. Někteří uživatelé se domnívají, že záruka na 5 let znamená, že po celou tuto dobu se na zařízení nepůjdou ani jednou podívat. Je to podobné, jako domnívat se, že u auta se zárukou na 5 let bude postačovat po tuto dobu pouze dolévat benzín je přece v záruce, že? U olejových transformátorů se o bezúdržbovosti někdy mluví v souvislosti s hermetizovaným provedením. Opět jde o nadsázku, kterou nelze brát doslovně. Obecně platí, že nároky na údržbu kvalitního zalévaného transformátoru jsou podstatně menší, než u transformátoru olejového. Ekologie, ekonomika a spolehlivost provozu transformátorů Toto téma (také obestřené řadou mýtů a pověr) je zpracované v samostatném článku na webu Připomněl bych snad jen jeden hodně zakořeněný omyl že olejový transformátor je vždycky levnější než zalévaný. Většinou ano. Ale pokud jde o stroje ve vnitřním prostředí, pak opatření na ochranu proti požáru (a případně i výbuchu) zvyšují náklady na olejový stroj natolik, že samotné investiční náklady mohou být u zalévaného provedení nižší (nemluvě o nesrovnatelně menších nárocích na údržbu a likvidaci a o ekologickém hledisku). Drobnosti V souvislosti s výše uvedenými omyly lze brát jen jako banalitu (nebo perličku) to, že někteří výrobci mluví o vynutí transformátoru. Jako svědectví o neznalosti problematiky ale svědčí i často uváděný údaj o způsobu zatížení transformátoru, a to zatížení S1. Zatěžovací charakteristiky, označované S1 až S10 se používají pro točivé stroje (viz ČSN EN ). Opravdu si myslíte, že transformátor je točivý stroj?

9 Pro měničové transformátory jsou třídy zatížení definované v ČSN EN , případně v ČSN EN Pro distribuční transformátory se o zatěžovacích charakteristikách nemluví, protože se automaticky počítá se zátěží 100 % výkonu trvale. TRASFOR S.A. Strada Cantonale 6995 Molinazzo di Monteggio Švýcarsko TRASFOR S.A., organizační složka Praha Jablonecká 411/ Praha 9 Prosek Tel./fax: Mobil: pavel.muzik@trasfor.cz