CRNOGORSKI KOMITET MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTRIČNE MREŽE - CIGRE

Juso Ikanović Momčilo VujovićKOLEKTOR Etra d.o.o. KOLEKTOR Etra d.o.o.juso.ikanovic@kolektor.com momcilo.vujovic@kolektor.com

NAMOT ENERGETSKOG TRANSFORMATORA BEZ PAPIRNE IZOLACIJE

SADRŽAJ

U radu su predstavljene značajnije karakteristike namotaja iz pravougaonih provodnika izoliranih sa lakom bez papirne izolacije. Papirna izolacija u namotajima u cijelosti je opuštena i nadomještena sa izolacijom iz umjetnog materijala PVA (polyvinyl acetal) termičkog razreda E (120˚C). Razmatran je spiralni valjkasti namot. U prvom dijelu je napravljen pregled glavnih karakteristika lak izolacije, opisane su prednosti sa stanovišta dielektrične, termičke i mehaničke otpornosti laka i njihov uticaj na namot kao cjelinu.

Na razvojnom području tvorničkog ispitivanja izvršene su provjere dielektrične čvrstoće unutrašnje izolacije namota koju čini lak na žici i transformatorsko ulje bez prisutnosti izolacionog papira. Mjerenja probojnih napona izolacionog sklopa lak – ulje proveli smo po vlastitom postupku na segmentima namota koji predstavljaju isječak iz namota realnih dimenzija. Dobivenim rezultatima omogućili smo projektantima dobru osnovu za pouzdaniju procjenu podnosivih napona međuzavojne izolacije spiralnog namota.

Ključne riječi: Energetski transformator – Namotaj – Lak izolacija – Dielektrična čvrstoća

POWER TRANSFORMER WINDINGS WITHOUT PAPER INSULATION

SUMMARY

The paper gives a presentation of some most important properties of the enamel insulated rectangular wire windings. The basic paper insulation in the winding conductors is replaced completely by PVA (polyvinyl acetal) of thermal class E (120˚C). Single and double threaded helical windings are considered. The main properties and benefits from the perspective of dielectric, thermal and dynamic strength of the winding are noted.

Verification of dielectric strength and measurements of breakdown voltages of the insulation arrangement of oil and enamel. We conducted tests on models that represent section of real windings. The resulting values of breakdown voltages are considered when designing windings in transformers with enamel insulated wires.

Key words: Power Transformer – Winding – Enamel Insulation – Dielectric strength

KOLEKTOR Etra, Šlandrova 10, 1231 Ljubljana, Slovenija

1

1. UVOD

Optimiranjem konstrukcije namota projektanti nastoje smanjiti količinu papirne izolacije u namotajima na najmanju moguću mjeru. Krajnji domet predstavlja potpuno opuštanje papirne izolacije na provodnicima i zamjena papirne izolacije sa izolacijom PVA (polyvinyl acetal). Poboljšaju se faktori ispune namota [12], smanje mase ugrađenih materijala, a korisnicima umanjuju brige o staranju papirne izolacije u transformatoru. Prelaskom na bez papirnu izolaciju bilo je potrebno provjeriti postojeće dielektrične proračune i procijeniti dielektričnu otpornost PVA izolacije između zavoja spiralnog namota.

Izolacioni sistem sa provodnicima izoliranim lakom i transformatorskim mineralnim uljem je polu hibridna izolacija, koju čini lak termičkog razreda E (120˚C) i mineralno ulje termičkog razreda A sa dozvoljenim najvišim zagrijanjem 100˚C [13]. Izolacioni sklop lak - ulje predstavlja u suštini uljni kanal između zavoja spiralnog namota u kojem papirna izolacija nije prisutna. Radijalni kanal mora imati čim veću dielektričnu čvrstoću i mora istovremeno omogućiti potreban protok ulja kroz rashladne kanale za uspješno odvođenje toplote iz namota. Širinu kanala projektant optimizira uzimajući u obzir dielektrične i termičke zahtjeve. Uzimajući u obzir termičke kriterije, sa proračunima smo odredili minimalni radijalni kanal širine 1,5 mm koji, u većini slučajeva, omogućava dovoljan protok ulja za hlađenje namota. Na slici 1 je prikazan izgled rashladnog kanala u realnom namotu za obje vrste izolacije.

Slika1: Pogled na radijalne kanale u namotu ulje- papir i lak- ulje (desno)

2. GLAVNE OSOBINE LAKA

Lak izolacija na provodnicima je dugi niz godina poznat izolacioni materijal, koji je na području energetskih transformatora našao primjenu kod izrade transponiranog provodnika, gdje jedan provodnik tvori više sa lakom izoliranih paralelnih žica sa zajedničkim vanjskim povojem iz papirne izolacije. U grupu namota sa lak izolacijom ubrajamo samo namotaje izrađene sa lakiranim provodnicima bez prisutnosti papirne izolacije. U sadašnjoj fazi razvoja to su spiralni namotaji izrađeni sa pravougaonom lakom izoliranom žicom. Spiralni namotaj je u većini primjera prvi namotaj postavljen uz magnetni krug uobičajeno nižeg naponskog napona. Sa dobrim optimiranjem dielektrike i termike postižemo dobro iskorištenje prostora i dobar faktor ispune namota.

2.1. Lak (PVA)

Lak izolacija spada u grupu umjetnih polimera, u literaturi i upotrebi možemo je naći u tri glavne grupe; polyvinyl acetal (PVA), polyvinyl butyral (PVB) in polyvinyl formal (PVF). Za primjenu u elektrotehnici u upotrebi je lak PVA i PVF. Na tržištu laka postoji veliki broj komercijalnih oznaka koje se između sebe razlikuju prvenstveno u standardiziranoj termičkoj otpornosti laka; 120°C, 180°C i 200°C. Za izradu namota bez papirne izolacije upotrebljavamo polyvinyl acetal (PVA) termičkog razreda E (120°C). Debljina nanosa lak izolacije na pravougaonoj žici je tehnološki ograničena; tanji nanos (grade 1) iznosi minimalnih 60 m do maksimalnih 85 m, a deblji nanos (grade 2) od 120 m do 170 m.

Za lak izolaciju maksimalni nanos iznosi 180 m i predstavlja tehnološko ograničenje u izradi lak žice, minimalna debljina papirne izolacije iznosi 300 m i predstavlja sigurnosno ograničenje u izradi namota.

2

2.2. Izolacioni papir i stepen polimerizacije (DP)

Papir na provodniku je, u većini slučajeva, izolacija na bazi celuloze koja, po svojoj hemijskoj strukturi, spada u grupu prirodnih polimera. Polimerizacija izolacionog papira je štetna pojava koja se kod papira očituje postepenim gubitkom mehaničkih osobina tokom cijelog životnog vijeka transformatora. Radi se o slabljenju molekularnih veza (hidrogenske OH veze) u unutrašnjoj strukturi celuloze [8]. U praksi se stanje istrošenosti papira provjerava i dokazuje mjerenjem stepena polimerizacije DP (Degree of Polymerisation).

Kod sušenja namotaja sa papirnom izolacijom u tvorničkim sušionim komorama aktivni dio se zagrije do 125°C što, za izolacioni papir termičkog razreda 105°C, predstavlja znatno termičko opterećenje iz čega slijedi i neizbježan pad stepena polimerizacije u granicama od 20% do 30%. Gubitak životnog vijeka izolacionog papira počinje sa sušenjem papira prije pogona transformatora.

Za lak izolaciju PVA termičkog razreda 120°C postupak tvorničkog sušenja izolacije ne predstavlja veće toplotno opterećenje. U pogonu transformatora, lak na žici je „štićen“ izolacijom termičkog razreda 105°C [13].

Gubitak životnog vijeka PVA izolacije, po kriteriju stepena polimerizacije nije aktualna tema, provjere i praćenja stepena polimerizacije namota bez papirne izolacije u radu transformatora nijesu potrebna.

2.3. Termička otpornost laka

Najveća termička naprezanja mora podnijeti lak žica, kojoj standard IEC [6], [5] zahtjeva provjeru termičke otpornosti izolacije na žici kod temperature 155°C. Nanos laka ne smije pokazati pukotina, kad se ispitivana žica namata po njenoj visini na radijus jednak šestostrukoj debljini žice (za žicu debljine 2 mm, radijus namatanja iznosi 12 mm).

Zahtjev za tako strogim provjerama vodiču sa papirnom izolacijom uopšte se ne postavlja.

2.4. Otpornost na transformatorsko ulje

Na osnovu ispitivanja različitih laboratorija ocjene za otpornost na transformatorsko ulje ovdje nabrojanih lakova su dobre ili vrlo dobre, najbolje osobine i najviši stepen otpornosti na ulje pokazuje lak PVA [10].

2.5. Toplotna provodnost

Učinkovitom odvođenje toplote iz namota doprinosi visoka toplotna provodnost laka, koja se kreće oko vrijednosti 0,35 W/m°C. U poređenju sa izolacionim papirom sa 0,14 W/m°C lak ima bolje toplotne osobine što se očituje u nižem padu temperature bakar – lak.

2.6. Dozvoljene kompresijske sile

Po preporukama IEC standarda [2] kompresijska sila na radijalne odstojnike u uslovima kratkog spoja ne smije prevazići vrijednosti:

σsp, act ≤ 80 MPa, za namot s papirnom izolacijom i

σsp, act ≤ 120 MPa za namot sa lak izolacijom bez prisutnosti papira.

Namot izrađen sa lakom izoliranim vodičem bez prisutnosti papirne izolacije dozvoljeno je opteretiti sa znatno većim aksijalnim silama. Bolje mehaničke osobine laka znatno smanjuju mogućnosti oštećenja i trganja lak izolacije na žici što je, kod velikih dinamičkih opterećenja, u kratkom spoju transformatora, značajna prednost.

2.7. Otpornost bakra na koroziju

3

Tanko slojni nanos laka na vodičima spriječava pojavu oksidacije i korozije bakra u namotaju, koja može postati aktualna tema u pogonima sa velikim termičkim preopterećenjima u radu kao što su to elektrolučni ili ispravljački transformatori instalirani u pogonima za proizvodnju metala. Uzrok za pojavu korozije na bakru može biti i istrošeno ulje u transformatoru ili ulje slabijeg kvaliteta. Poučeni slabim iskustvima iz prakse neki korisnici zahtijevaju lak izolaciju na svim namotajima i tako rješavaju teškoće sa korozijom bakra. Koroziju bakra proizvođači savremenih ulja uspješno rješavaju sa dodacima različitih aditiva [9]. Prisutnost laka na provodniku eliminira pojavu korozije bakra.

2.8. Ispitivanje otpornosti laka savijanjem žice

Otpornost nanosa se provjerava savijanjem žice po visini i debljini. Lak mora podnijeti savijanje žice na radijus jednak dvostrukoj debljini žice bez vidnih oštećenja na laku [6]. Zahtjev za takvim ispitivanjima žici sa papirnom izolacijom se uopšte ne postavlja.

2.9. Relativno staranje laka

Jedno od najznačajnijih pitanja iz prakse korisnika jeste staranje izolacije u namotajima. Staranje je složen prirodni proces zavisan od velikog broja različitih činioca. Bez obzira na svu relativnost teorije o staranju izolacije, najveći uticaj na staranje izolacije ima količina vlage v transformatoru i temperatura najtoplije tačke u namotu. Kod određenog tehnološkog postupka sušenja izolacije apsolutna količina vlage je uvijek razmjerna količini celulozne izolacije u aktivnom dijelu. Izolacioni papir je i danas izrađen na bazi celuloze i kao takav iskazuje visok stepen upijanja vlage koja u zraku, kod 50% vlažnosti okoline, iznosi oko 7%.

Lak izolacija PVA dozvoljava veća termička opterećenja (120°C). Za namotaj bez papirne izolacije izračunali smo pripadajuće staranje izolacije po kriteriju najtoplije tačke [3]. Relativno staranje izolacije u namotaju se smanji iz V= 1 na V= 0,21 što iznosi samo 21% ponderiranog staranja (V= 1). U normalnim uslovima rada transformatora, kod očekivanog životnog vijeka 40 godina i pondera V= 1, gubitak životna vijeka namota u jednakom vremenskom intervalu iznosio bi samo 8,4 godina. Iako je proračun samo teoretski, ipak govori o značajnoj prednosti lak izolacije.

Praćenje staranja izolacije u namotajima, izrađenim sa lakom izoliranim provodnicima bez prisutnosti papirne izolacije, u normalnim uslovima rada i po kriteriju najtoplije tačke, nema praktičnog značaja.

2.10. Prednosti kod izrade namota

Odsutnost papira u namotaju skraćuje postupak sušenja namota koji je potreban samo zbog radijalnih odstojnika u rashladnim kanalima. Ako nam uspije postojeće odstojnike nadomjestiti sa ne celuloznim materijalom postupak sušenja unutrašnje izolacije u namotajima, prije stabilizacije visine namota, bio bi nepotreban. Namotaji izrađeni sa lakom izoliranom žicom dimenzijski su stabilni sa proizvodnim odstupanjima koje unose samo tolerancije u dimenzijama ugrađene žice. Korekcije visine namota po završenom sušenju i stabilizaciji visine namota, u većini primjera, nisu bile potrebne. Odsutnost papirne izolacije u namotu doprinosi većoj postojanosti visine namota i očuvanju tvorničke geometrije namota i za vrijeme rada transformatora.

2.11. Slabosti laka

Izrada namota je tehnološki složenija i proces izrade duži. U vidu treba imati spiralni namot, izrađen sa PVA pravougaonim provodnicima do sedamdeset paralelnih žica. Za izradu namota bilo je potrebno izraditi ili doraditi postojeće alate i pribor za namatanje te ugraditi napravu za kontinuiranu detekciju oštećenja na laku.

4

3. DIELEKTRIČNA OTPORNOST LAKA

3.1. IEC postupak (slika 1)

Shema na slici 1 prikazuje način ispitivanja dielektrične čvrstoće lak izolacije po postupku opisanom u standardu IEC [1], a shema na slici 2 izvedeni postupak ispitivanja.

Slika 1: Postupak ispitivanja po IEC standardu Slika 2: Postupak ispitivanja

Slika 3: Ispitivani model, modeli u ulju, proboj izolacije

Proizvođači PVA žice su obavezni ispitivanja dielektrične čvrstoće lak izolacije izvršiti po postupku opisanom na slici 1. Radijus krivljenja žice odgovara dimenzijama izabrane ispitivane žice. Uzorak žice saviju, po njenoj debljini, u luk u obliku slova U, smjeste u kadu i napune prostor sa metalnim kuglicama određene veličine. Narinuti napon je izmjenični napon industrijske frekvencije, koji se diže postupno s korakom 100 V/s do konačnog proboja lak izolacije na žici. Ispitati je potrebno najmanje pet uzoraka, od toga četiri uzorka moraju izdržati propisan minimalni napon, s tim da peti uzorak ne smije probiti izolacije pod 50% propisanog napona.

Konačni rezultat ispitivanja je minimalni probojni napon lak izolacije na žici, koji mora biti

u zraku, veći ili jednak 1000 V (grade 1) ili 2000 V (grade 2).

Nominalne debljine PVA izolacije iznose: 85 m (grade 1) i 145 m (grade 2).

Lakom izolirana pravougaona žica svoju je masovnu upotrebu našla u suhim transformatorima, gdje se za izolaciju na žici zahtjeva viši termički razred i dielektrične osobine mjerene u zraku. Ispitivanja kod više temperature i u ulju proizvođači lak žice izvode na zahtjev kupca. Dozvoljen pad probojne čvrstoće kod temperature 120˚C, ne smije biti veći od 25%. Proboji se dešavaju između žica izoliranim lakom na jednoj strani i metalnim kuglicama na drugoj strani. Podaci o dielektričnoj čvrstoći lak izolacije, dobiveni opisanim postupkom potvrđuju propisan nivo kvaliteta laka na žici. Svi proizvođači žice dužni su ispuniti zahtjeve standarda i minimalne vrijednosti probojnih napona [5].

5

Sa stanovišta projektantskih potreba, rezultati tih mjerenja ne mogu poslužiti kao osnova za dimenzioniranje izolacije u namotaju. Zbog toga je bilo potrebno razraditi vlastiti postupak ispitivanja koji će dati rezultate upotrebljive za projektantsku praksu, a to je značilo izradu realnih modela sa realnom geometrijom namota (slika 3).

3.2. Postupak ispitivanja (slika 2 i 3)

Projektante namota zanima dielektrična čvrstoća lak izolacije između zavoja u kanalu lak – ulje u realnim uslovima, namotaj mora biti dimenzioniran da izdrži dielektrična opterećenja za vrijeme ispitivanja transformatora udarnim naponom. Ispitivanja smo proveli sa izmjeničnim naponom industrijske frekvencije u trajanju jedne minute AC (1 min).

Za razliku od postupka IEC, gdje se napon diže u koracima do konačnog proboja, naši modeli su bili ispostavljeni naponu u trajanju jedne minute, što nam je omogućilo preračunavanje napona oblika AC (1 min) u oblik udarnog napona (1,2/50 µs). Svi modeli su izrađeni i pripremljeni za ispitivanja po tehnološkim postupcima koji se primjenjuju kod izrade namota u redovnoj proizvodnji. Modeli predstavljaju isječak iz spiralnog namota realne veličine sa odstojnicima između zavoja različite širine. Za izradu je upotrijebljena žica izolirana lakom PVA grade 1 i grade 2. Jedan zavoj čini snop deset paralelnih žica sa odstojnicima za tvorbu radijalnog kanala iz presovanih ploča kvaliteta T IV. Modeli su bili potopljeni u novo, čisto i degazirano transformatorsko ulje.

Mjerenja smo izvršili u vlastitom ispitnom laboratoriju kod sobne temperature. Ispitano je bilo deset primjeraka za svaki tip izolacije i različite širine kanala do 3 mm. U referatu prikazujemo rezultate izmjerene sa odstojnicima širine 1,5 mm.

Postupak IEC [1] postavlja granice prihvatljivosti za minimalni probojni napon lak izolacije na jednoj strani žice. Napon se diže postupno do proboja izolacije i bilježe se probojni naponi.

U našem postupku bilo je potrebno dignuti napon do određene izabrane vrijednosti i zadržati jednu minutu. Seriju grade 1 smo opteretili sa početnih pet kilovolti i u razmacima po 2,5 kV i prve proboje zabilježili kod napona 17,5 kV na uzorcima; 1, 3, 7, 8 i 10. Seriju grade 2 započeli smo na pragu 13 kV. Iz slike 4 možemo razabrati minimalne probojne napone:

Grade 1; najniži izmjereni probojni napon je na granici 17 kV.Grade 2; najniži izmjereni probojni napon je na granici 19 kV.

Projektanta namota zanima podnosivi napon sa kojim može računati na pouzdano dimenzioniranje izolacije u realnom namotu sa što manjom vjerovatnoćom proboja. Od procjene podnosivog napona je zavisna uspješnost prijemnih naponskih ispitivanja transformatora. Konačni podnosivi napon PVA kanala 1,5 mm spada u kategoriju prihvaćene vrijednosti i mora uzeti u obzir znatno rasipanje mjerenih rezultata koje se kreće između vrijednosti 1,5 i 2 [14]. Mali udio izolacije u uljnom kanalu (0,1 mm) i raspon u nejednakosti dielektričnih konstanti laka i ulja uzrokuju neravnomjernost raspodjele dielektričkog tereta u uljnom kanalu. Probojne vrijednosti koje smo dobili sa našim mjerenjima na isječku iz realnog namota spadaju u područje tipičnih dielektričnih čvrstoća malih uljnih kanala izmjerenih između standardnih elektroda [11].

Na osnovu rezultata ovih mjerenja i izborom adekvatnog faktora sigurnosti projektant može lakše odrediti podnosivi napon između zavoja spiralnog namota.

6

0 2 4 6 8 100

5

10

15

20

25

30

35

Izdrživi napon - grade 1 (1,5 mm) Probojni napon - grade 1 (1,5 mm)Izdrživi napon - grade 2 (1,5 mm) Probojni napon - grade 2 (1,5 mm) Model

AC

(1 m

in) [

kV]

Slika 4: Rezultati ispitivanja

4. ZAKLJUČAK

U radu je opisanih deset značajnih karakteristika i prednosti lakom izolirane pravougaone žice sa kojom se može izraditi namot bez papirne izolacije. Papirnu izolaciju na žici nadomješta polyvinyl acetal (PVA) termičkog razreda E (120°C).

Modeli su izrađeni u tvorničkim uslovima izrade, ispitivani u tvorničkom laboratoriju po vlastitom postupku ispitivanja.

Ispitivanja dielektrične otpornosti izolacionog sklopa lak – ulje proveli smo na realnim modelima i dobivenim rezultatima omogućili projektantima dobru podlogu za pouzdaniju procjenu podnosivih dielektričnih opterećenja PVA izolacije između zavoja spiralnog namota. Izborom adekvatnog faktora sigurnosti u proračunima, doradom postojećih alata i pribora za namatanje te ugradnjom naprave za kontinuiranu detekciju oštećenja na laku, papirna izolacija u spiralnom namotu je opuštena i nadomještena sa izolacijom PVA.

Odsutnost papirne izolacije u namotajima umanjuje količinu preostale vlage, obezbjeđuje postojanost visine namota i smanjuje zavisnost dimenzija namota od vlage u procesu izrade i kasnijem pogonu transformatora. Zbog odsutnosti papira u namotaju kontrola staranja i gubitak životnog vijeka izolacije po kriteriju stepena polimerizacije izolacionog papira nije potrebna. Na sadašnjem stepenu razvoja namot bez papirne izolacije je moguće izraditi samo za spiralne valjkaste izvedbe namota nazivnog napona do 110 kV.

Očekujemo da će se razvoj tehnologija tanko slojnih nanosa iz umjetnih polimera i dalje usavršavati i proizvođačima omogućiti nove razvojne pomake u gradnji savremenih energetskih transformatora.

7

5. LITERATURA

[1] IEC 60851- 5, 2011: Winding wires- Test methods.[2] IEC 60076- 5, 2006: Ability to withstand short circuit.[3] IEC 60076- 7, 2005: Loading guide for oil- immersed power transformers.[4] IEC TS 60076- 14, 2004: Guide for the design and application of liquid- immersed power

transformers using high- temperature insulation materials.[5] IEC 60317- 0 – 2, 2000: Enamelled rectangular copper wire.[6] IEC 60317- 18, 2004: Polyvinyl acetal enamelled rectangular copper wire, class 120. [7] R. P. Marek, Dupont USA, Power transformer refurbishment: the benefits of hybrid

insulation, CIGRE 2004. [8] D. H. Shroff, A. W. Stannet: A review of paper aging in power transformers, IEEE,

vol.132A, 1985.[9] M. Eklund, New transformer oil specifications needed to meet current demands, Nynas

Naphthenics 3/2005.[10] S. Beckmöller: Innovation around CTC, Transform Essex, Abu Dhaby 2013.[11] Küchler, Andreas: Hochspannungstechnik, 2nd Edition, Springer, 2004.[12] J. Ikanović: Izboljšan polnilni faktor navitij energetskih transformatorjev, Elektrotehniški

vestnik 68(5), 2001.[13] J. Ikanović, I. Jerman: Navitja močnostnih transformatorjev z izolacijo različnih termičnih

razredov, (Sloko) Cigre ŠK A2- PT8, Čatež 2007.[14] J. Ikanović, I. Jerman: Navitja močnostnih transformatorjev brez papirne izolacije, (Sloko)

Cigre ŠK A2- 03, Laško 2013.[15] J. Ikanović, I. Jerman, M. Vujović: Novosti v razvoju navitij brez papirne izolacije, Höflerjevi

dnevi, Portorož 2014.

8