8. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Čatež 2007Cigre ŠK A2 - PT8

Navitja močnostnih transformatorjev z izolacijo različnih termičnihrazredov

mag. Juso Ikanović, univ. dipl. inž, Istok Jerman, univ. dipl. inž.,ETRA 33, Energetski Transformatorji d.d., Ljubljana,

tel. +386 1 / 530 28 12, fax. +386 1 / 530 28 30,E-pošta: istok.jerman@etra33.si

Povzetek: Članek obravnava nekatere pomembnejše lastnosti izolacije sestavljene iz materialov različnih termičnihrazredov. Osnovna papirna izolacija na vodnikih v navitju je v celoti nadomeščena z izolacijo iz umetnih snovivišjega termičnega razreda. Ostali trdi izolacijski materiali v stiku z navitjem ustrezajo termičnemu razredu A.Aktivni del transformatorja je zalit s konvencionalnim mineralnim oljem. Opisane so pridobitve, ki jih prinašajoizboljšane najnovejše konstrukcije s stališča vgrajenih materialov, podane so meje sprejemljivosti dovoljenihtermičnih obremenitev po IEC TS 60076-14 ter možnosti in ovire pri izkoriščanju prednosti polhibridne izolacije.

Semi - hybrid thermal insulation system

Abstract: In the paper basic properties of insulation system made from materials of different thermal grades are dealtwith. Wide spread paper insulation is replaced by insulation consisting of inorganic materials of higher thermal grade.All other solid materials in contact with the winding are of thermal grade A. Active part of the transformer is immersed inconventional mineral oil. The benefits of improved built-in materials are described and allowed thermal limitationsaccording to IEC TS 60076-14 are stated. New possibilities and obstacles with using semi-hybrid insulation system arealso given.

I. UVOD

O polhibridni termični izolaciji govorimo takrat, ko sev izolacijskem sitemu glavne izolacije v aktivnem delutransformatorja uporabi mešanica materialov različnihtermičnih razredov. Pojem smo povzeli po najnovejšiIEC tehnični specifikaciji [5]. Tovrstni sistem izolacije jepoimenovan kot »Semi - hybrid insulation system«. Žesama razčlenitev in obravnava v IEC publikacijah nas jeprivedla k razmišljanju, da natančneje raziščemopomembnejše značilnosti, ki jih prinaša tovrstnamešanica izolacijskih materialov, kajti v naši tovarni ženekaj let uporabljamo izolacije različnih termičnihrazredov. V članku nameravamo iz dveh zornih kotovopredeliti glavne značilnosti polhibridne termičneizolacije, ki jo uporabljamo: s stališča proizvajalca in sstališča uporabnika. Odgovoriti želimo na vprašanja:kakšne dejanske prednosti ima polhibridna izolacija,kakšen vpliv ima na staranje izolacije in kako joobravnavati in zaznamovati v pomembnejšihdokumentih.

Prva navitja brez papirne izolacije na vodnikih zatransformatorje večjih moči smo v tovarni izdelali vletu 2000. Ideja o opuščanju papirne izolacije navodnikih je nastala v času, ko smo se ukvarjali zoptimiranjem konstrukcij z visokimi stopnjamivrednotenja izgub. Obdelava in primerjava večjegaštevila izračunov nas je vodila v smeri izboljšanjaobstoječega polnilnega faktorja navitij. Predvsem so tonavitja bližje magnetnemu krogu, v večini primerov

navitja nižjega napetostnega razreda 10 in 20 kV nazivnenapetosti. Že prvi primerjalni izračuni so pokazalipomembne gospodarske koristi navitij z izboljšanimpolnilnim faktorjem [8]. Po sedmih letih uporabe navitijbrez papirne izolacije njihova uporabnost narašča, delnozahvaljujoč ugodnem polnilnem faktorju delno pa tudirelativno sprejemljivi tržni ceni lak žice.

II. POLHIBRIDNA TERMIČNAIZOLACIJA

Lak izolacija na vodnikih je že vrsto let znanizolacijski material, ki se je na področju močnostnihtransformatorjev uveljavil pri transponiranem kablu, kjeren vodnik ponavadi tvori več z lakom izoliranihvzporednih vodnikov s skupnim povitjem iz papirneizolacije. Med navitja z lak izolacijo štejemo le tistanavitja, ki so izdelana z lakiranimi vodniki brez papirneizolacije. V sedanji fazi razvoja navitij so to predvsemenostavnejša navitja enohodna in večhodnanizkonapetostna navitja v obliki neprekinjene vijačnice.Visokonapetostno navitje in eno ali več drugih navitij soizdelani iz vodnikov s papirno izolacijo termičnegarazreda A. Vsa ostala izolacija v stiku z navitji: podpornidistančniki, cilindri, letvice in dodatna povitja prav takosodijo v termični razred A. Aktivni del transformatorja jezalit z mineralnim oljem običajnih lastnosti, ki ustrezastandardu IEC 60296 kar pomeni, da se mu za uporabopostavlja obratovalna termična omejitev 100 ̊ C.

8. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Čatež 2007Cigre ŠK A2 - PT8

Navitji brez papirneizolacije V=0,21

NN SN

Navitje s papirnoizolacijo V=1 ali V=0,28

VN

Sl. 1. Polhibridna izolacija 110kV tronavitnegatransformatorja

Na sliki 1 je na preseku okna enega izmedtransformatorjev naše proizvodnje prikazana glavnaizolacija med navitji in do jedra, ki ustreza pogojempolhibridne izolacije opisanim v lit. [5]. NN in SN navitjesta izdelana iz vodnikov izoliranih z lakom brez papirneizolacije, VN navitje pa je izdelano z običajno papirnoizolacijo (IEC 60554-3, razred 5A). Lak izolacija navodnikih, ki jo uporabljamo, sodi v termični razred E(120 ˚C). V literaturi jo zasledimo pod označbo PVF inPVA s kemičnim nazivom polyvinyl acetal [6].

TABELA IDOVOLJENE TERMIČNE OBREMENITVE

TIP IZOLACIJE

OB

IČA

JEN

(TN

SP)

POLH

IBR

IDN

I(T

SP)

POLH

IBR

IDN

I(P

VA

)

Najvišja temperatura okolice [°C] 40 40 40

Enotna temperatura okolice [°C] 20 20 20

Najvišja nadtemperatura olja [K] 60 60 60

Srednja nadtemperatura navitja [K] 65 75 80

Najvišja temperatura olja [°C] 100 100 100

Najvišja temperatura navitja [°C] 105 115 120

Nadtemperatura najtoplejše točke [K] 78 90 93

Temperatura najtoplejše točke [°C] 118 130 133

Temperatura najtoplejše točke(enotna) [°C] 98 110 113

Referenčna temperatura za izračunizgub [°C] 75 95 95

V tabeli 1 so podane dovoljene termične obremenitveza različne izolacije, ki se lahko pojavijo v običajni inpolhibridni izolaciji. Uporabljene so naslednje okrajšave:

TNSP - običajen (termično nestabiliziran) papir,TSP - termično stabiliziran papir,PVA - lak izolacija brez papirja.

III. PREDNOSTI POLHIBRIDNE IZOLACIJE SSTALIŠČA PROIZVAJALCA

Odločilna in najbolj pomembna prednost v uporabinavitij iz vodnikov izoliranih z lakom je občutnoizboljšanje polnilnega faktorja, kar je pripomoglo kzmanjšanju mas in dimenzij navitij. Obstoječo papirnoizolacijo na pravokotnih vodnikih smo nadomestili stenkoslojnim nanosom laka v razponu med 0,06 mm in0,17 mm.

Izračuni so pokazali, da je uvedba navitij brez papirneizolacije pripomogla k 8 odstotni manjši skupni masitransformatorja, 9 odstotnem zmanjšanju skupne masebakra in 7 odstotnem zmanjšanju mase magnetnepločevine [8]. Delež notranje izolacije v navitjih jezmanjšan za 7 %.

Zaradi odsotnosti papirja v navitju so postopki sušenjaobčutno skrajšani in so potrebni samo zaradi vmesnihdistančnikov v hladilnih kanalih. Če nam uspe obstoječedistančnike nadomestiti z neceluloznim materialom, bivmesni postopek sušenja notranje izolacije v navitjihpred stiskanjem le teh odpadel.

Navitja izdelana iz vodnikov izoliranih z lakom sodimenzijsko stabilna z zanemarljivimi proizvodnimiodstopanji. Nastavitve višine po končanem sušenju instiskanju navitij pogosto niso potrebne.

S stališča odpornosti navitij na kratkostične sile,odsotnost papirne izolacije v navitju pripomore kstabilnejšem vpetju navitja.

Obstojnost nanosa se preverja s preizkusom zvijanjavodnika, ki mora prenesti upogib na radij enak štiri-kratni debelini vodnika brez poškodb laka [6]. Zahtevaza takšnim preizkusom se vodnikom s papirno izolacijosploh ne postavlja, kajti natezna trdnost papirja jeneprimerljivo manjša od natezne trdnosti laka.

Tenkoslojni nanos laka na vodnikih preprečuje pojavoksidacije in korozije bakra, ki postane aktualen pri višjihtermičnih obremenitvah in oljih slabše kakovosti [2].

IV. PREDNOSTI POLHIBRIDNEIZOLACIJE S STALIŠČA UPORABNIKA

Najbolj pomembni vprašanji za uporabnika staobratovalna zanesljivost transformatorja in staranjeizolacije v njem. Staranje je zapleten naravni pojavodvisen od velikega števila različnih dejavnikov. Neglede na relativnostno teorijo o staranju, imata največjivpliv na staranje izolacije količina vlage vtransformatorju in temperatura najtoplejše točke. Pridoločenem tehnološkem postopku sušenja izolacije jeabsolutna količina vlage vedno premosorazmerna

Navitji brez papirneizolacije V=0,21

NN SN

Navitje s papirnoizolacijo V=1 ali V=0,28

VN

8. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Čatež 2007Cigre ŠK A2 - PT8

količini vgrajene izolacije v aktivnem delu. Izračunikažejo, da je opuščanje papirne izolacije v NN navitjihpripomoglo k 7 odstotnem zmanjšanju mas notranjeizolacije v navitjih in posledično 5 odstotnem zmanjšanjuskupne količine vlage v transformatorju.

Tudi danes je izolacijski papir izdelan na osnoviceluloze in kot tak izkazuje visoko stopnjo vpojnostivlage, ki v zraku pri 50 odstotni vlažnosti okolice znaša7 %. Sodobni postopki za sušenje transformatorjev vtovarni omogočajo relativno učinkovito izsuševanjeizolacije pod mejo 0,5 %. Pri izračunu in načrtovanjukonstrukcij posvečamo projektanti transformatorjevnajvečjo pozornost izolaciji v navitju, ki ima neposredenstik z bakrom in mora zdržati relativno visokedielektrične obremenitve pri preizkusih izolacije, hkratipa mora omogočiti zadosten prehod toplote iz navitja volje. Projektanti moramo upoštevati vse zahteveuporabnika. Z optimiranjem izolacije s stališča izgubeživljenjske dobe se do sedaj nismo ukvarjali, ta je bilaprepuščena spremljanju in izračunu uporabnika vobratovanju transformatorja. Danes je uporabnikom navoljo veliko različnih, relativno dobro dodelanihpostopkov in naprav za spremljanje življenjske dobetransformatorja. Za vse postopke je značilno, da temeljijona spremljanju obremenitev transformatorja v daljšemčasovnem obdobju in izračunu temperature najtoplejšetočke. Pavšalni dodatek 1,1 ali 1,3 nad srednjimsegretkom navitje - olje določa standard, a so se vnovejšem času mnogi avtorji prizadevali podati noveosnove za izračun najtoplejše točke, ki bi upoštevalerealne značilnosti konstrukcije navitij: višino svitka, tipnavitja, pretoke olja v navitju [9]. Ne glede na načinizračuna, ostaja izračun najtoplejše točke še vedno precejnezanesljiv, hkrati pa ostaja kot eden izmednajpomembnejših dejavnikov pri staranju izolacije.

Θh [°C]

Θh=98 °C

0,01

0,1

1

10

100

1000

80 90 100 110 120 130 140

Rel

ativ

no st

aran

je iz

olac

ije V

.

TNSP

TSP

PVA

Rel

ativ

no st

aran

je iz

olac

ije V

Θh [°C]

Sl. 2. Relativno staranje izolacije

Kot kažejo diagrami na sliki 2, izkazuje relativnostaranje izolacije visoko stopnjo občutljivosti natemperaturo najtoplejše točke. Napaka v izračununajtoplejše točke v velikosti 3°C poveča nezanesljivostizračuna izgube življenjske dobe za 40 %. Pri tako visokinezanesljivosti izračuna se zastavlja vprašanje s kakšnoresnostjo obravnavati podatek za katerega vemo le to, daje pomemben. Popolno sliko o stanju iztrošenosti

izolacije pri rabljenih enotah bi lahko dala le preizkavavzorcev papirne izolacije iz notranjosti navitja, a je ta izpraktičnih razlogov nedostopna vse do odpiranjatransformatorja in razdiranja aktivnega dela. V zadnjemobdobju smo projektanti transformatorjev zoptimiranjem konstrukcij in neposrednimi izboljšavami vnotranji izolaciji navitij vplivali tudi na izboljšanježivljenjske dobe transformatorja. Zanimalo nas je,kakšno je staranje izolacije v polhibridni termičniizolaciji navitij.

V. MOŽNI OPTIMUM STARANJAPOLHIBRIDNE TERMIČNE IZOLACIJE

Za oceno staranja izolacije smo uporabili že znano t.i.enotno vrednost staranja V=1, ki se nanaša natemperaturo okolice 20 °C in temperaturo najtoplejšetočke 98 °C. Vsakem navitju posebej smo izračunaliustrezen koeficient relativnega staranja izolacije v njem.

Pri tem izračunu smo uporabili tri enačbe ([4], [5]):prva se nanaša na običajno izolacijo termičnonestabiliziran papir, druga se nanaša na termičnostabiliziran papir, tretja enačba je prirejena izračunustaranja izolacije za lak izolacijo termičnega razreda E.

Termično nestabiliziran papir (TNSP)

( ) 6/98−Θ= h2V (1)

Termično stabiliziran papir ( TSP )

+Θ

−+= 273

15000273110

15000

heV (2)

Lak izolacija ( PVA )

+Θ

−+= 273

15000273113

15000

heV (3)

NN SN

VN

NN SN VN

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Relativnostaanezoacje

PVA PVA TNSP PVA PVA TSP

Tip izolacije

Rel

ativ

no st

aran

je iz

olac

ije V

V=0,28 (Θh=98 °C)

V=1 (Θh=98 °C)

A A1

Rel

ativ

no st

aran

je iz

olac

ije V

Tip izolacije

Sl. 3. Relativno staranje izolacije v navitjih

V konstrukciji A1 (slika 3) je relativno staranjeizolacije na vseh navitjih dokaj dobro uravnoteženo,izguba pričakovane življenjske dobe izolacije na

8. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Čatež 2007Cigre ŠK A2 - PT8

VN navitju je z uporabo termično stabiliziranega papirjazmanjšana iz V= 1 na V= 0,28. Izračuni kažejo, da bibilo priporočljivo pri uporabi NN navitij brez papirneizolacije za navitja VN uporabiti termično stabiliziranpapir ter tako bolje poenotiti staranje izolacije za vsanavitja. Izguba življenjske dobe navitij brez papirneizolacije je sicer še vedno manjša in znaša V= 0,21 karznese le 75% izgube življenjske dobe VN navitja. Kljubprecejšnji računski razliki z gledišča izkoriščenostiživljenjske dobe transformatorja je konstrukcija A1optimalna.

V konstrukciji A (slika 3), je relativno staranjeizolacije določeno s staranjem papirne izolacije na VNnavitju, saj ima ta najvišjo stopnjo staranja V= 1, ki sicerne presega običajnih zahtev za termični razred A, a jezaradi uporabe običajne papirne izolacije podvrženahitrejšemu procesu staranja. Izguba življenjske dobenavitij brez papirne izolacije je občutno manjša in znašale eno petino izgube življenjske dobe VN navitja.Z gledišča izkoriščenosti življenjske dobetransformatorja obstoječa konstrukcija ni optimalna.

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Moč transformatorja [MVA]

Cenazavečjihladilniaparat

ONAFONAN

CTSP - cena za termično stabiliziran papir, V=0,28 (Θh=98 °C), CTSP=1CHA - cena za večji hladilni aparat, V=0,28 (Θh=85 °C)

Cen

a za

več

ji hl

adiln

i apa

rat C

HA

CTSP=1

Cen

a za

več

ji hl

adiln

i apa

rat C

HA

Moč transformatorja [MVA]

Sl. 4. Relativno povečanje stroškov zaradi večjegahladilnega aparata

Če bi želeli konstrukcijo optimirati in doseči enotnorelativno staranje izolacije V= 0,28, kot v A1, bi bilopotrebno povečati zmogljivost hladilnega aparata, ki biomogočil učinkovitejše hlajenje in znižanje temperaturenajtoplejše točke za 13 K na θh = 85 °C. V ta namen smona šestnajstih vzorčnih primerih transformatorjevrazličnih moči opravili termične izračune hladilnihaparatov, ki bi zadostili danim pogojem ( θh = 85 °C ).

Stroškovna primerjava kaže, da stroški za večji hladilniaparat v vseh obravnavanih primerih presegajo stroške,ki jih je treba upoštevati pri ceni termično stabiliziranegapapirja. Stroški za povečanje hladilnega aparata vobmočju moči 30 MVA do 160 MVA so v povprečju za30 % višji od stroškov za vgradnjo termičnostabiliziranega papirja (sl. 4). Z gledišča stroškov inizkoriščenosti življenjske dobe transformatorja, zahtevaza znižanjem temperature najtoplejše točke spovečanjem zmogljivosti hladilnega aparata iz sedanjihθh = 98 °C na θh = 85 °C ni stroškovno upravičljiva.

S povečanjem hladilnega aparata se neizogibno večajotudi zunanje dimenzije transformatorja. Pri ONAN/ONAF

hlajenjih bi v vseh obravnavanih primerih povprečnopovečanje tlorisnih površin znašalo okrog 10%, kar bi prisodobno zasnovanih transformatorskih postajah inpostrojih prav gotovo bila pogosta omejitev pri uporabitakšne rešitve. Predvidevamo, da se bodo zahteve gledegradbenih posegov v prostor čedalje bolj zaostrovale inda bomo projektanti optimume konstrukcij v bodočnostiiskali ravno na področju prostorskih omejitev.

VI. SISTEMSKA OZNAČBA ZA POLHIBRIDNOIZOLACIJO

Ko smo za izdelavo navitij začeli uporabljati izolacijerazličnih termičnih razredov in izolacija na navitjih nibila več enovita, se je zastavljalo vprašanje kakozaznamovati novost in sicer tako, da bi bila boljeizkoriščena in najbolje služila uporabniku. Prav tako botreba zaznamovati zahteve uporabnikov, ki so že vrazpisnih pogojih predvideli uporabo termičnostabiliziranega papirja v navitju z namenom, da dosežejodaljšo življenjsko dobo transformatorja (V<1) ali papovečajo možnosti preobremenitev pri enotnem staranjuizolacije (V=1).

IEC TS 60076-14 priporoča, da se na napisno tablicotransformatorja vnese zapis o vrsti izolacijskega sistema:homogena, hibridna, polhibridna in podatek otemperaturi najtoplejše točke.

Ker se zahteve med seboj pogosto prepletajo in, kerpodatek o vrsti uporabljene izolacije za uporabnika nepomeni veliko, je bolj koristno, da se na napisno tablicozaznamuje staranje izolacijskega sistema po že splošnoznani in sprejeti enotni ocenjevalni stopnji V.Predvidevamo, da se bosta najbolj pogosto pojavljali dvemožni polhibridni konstrukciji: A in A1 (slika 3).

A: Označba polhibridne izolacije pri zahteviuporabnika θh = 98 °C (θ = 65 K), termično nestabiliziranpapir, tronavitni transformator, navitja SN in NN brezpapirne izolacije:- Relativno staranje izolacije V (IEC 60076-7):

NN/SN/VN – 0,21/0,21/1- Relative ageing rate V (IEC 60076-7):

LV/MV/HV- 0,21/0,21/1A1: Označba polhibridne izolacije pri zahtevi

uporabnika θh = 98 °C (θ = 65 K), termično stabiliziranpapir, tronavitni transformator, navitja SN in NN brezpapirne izolacije:- Relativno staranje izolacije V (IEC 60076-7):

VN/SN/NN- 0,21/0,21/0,28- Relative ageing rate (IEC 60076-7):

HV/MV/LV- 0,21/0,21/0,28.

8. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Čatež 2007Cigre ŠK A2 - PT8

VII. ZAKLJUČEK

Polhibridna termična izolacija dopušča večje termičneobremenitve izolacijskih materialov z višjim termičnimrazredom. V tem prispevku smo polhibridno izolacijoobravnavali s standardnimi dovoljenimi termičnimiobremenitvami θh = 98 °C (θ = 65 K) pri enotni stopnjirelativnega staranja izolacije V=1. Pri navitjih brezpapirne izolacije, ki kažejo optimume po kriterijuvgrajenih materialov, smo izračunali pripadajoče staranjeizolacije po kriteriju najtoplejše točke. Ugotovili smo, daoptimum življenjske dobe vgrajene izolacije dosežemo spoenotenjem termičnih razredov notranje izolacije navseh navitjih. Termični ekvivalent lak izolaciji na NNnavitjih je termično stabiliziran papir na VN navitjih.

Z gledišča uporabnika in izkoriščenosti življenjskedobe transformatorja je zahteva za uporabo termičnostabiliziranega papirja na navitjih s papirno izolacijo zelopriporočljiva. Relativno staranje izolacije na navitjih bilahko na ta način zmanjšali na V= 0,3 kar znaša le 30 %enotnega staranja izolacije. V normalnih obratovalnihpogojih transformatorja, pri pričakovani življenjski dobi40 let in enotnem staranju izolacije V= 1 bi izgubaživljenjske dobe v enakem časovnem obdobju znašala le12 let. Nezanesljivost v izračunu najtoplejše točke jesedaj bistveno manj vplivna, kar je pri znani težavnostipri meritvah temperatur in izračunu najtoplejše točke terstaranja izolacije pomemben dejavnik. Spremljanjestaranja izolacije v navitjih v normalnih pogojihobratovanja po kriteriju najtoplejše točke, praktično ne bibilo več aktualno.

LITERATURA

[1] D.H.Shroff, A.W.Stannet: A review of paperaging in power transformers, IEEE, vol.132A,1985

[2] Munksjo Paper- Speciality Paper[3] IEC 60076- 7, 2005: Loading guide for oil-

immersed power transformers[4] IEEE standard C57.91: 1995, IEEE Guide for

loading mineral oil- immersed transformers[5] IEC TS 60076- 14, 2004: Guide for the

design and application of liquid- immersedpower transformers using high- temperatureinsulation materials

[6] IEC 60317- 0 – 2, 2000: Enamelledrectangular copper wire

[7] IEC 60317- 18, 2004: Polyvinyl acetalenamelled rectangular copper wire, class 120

[8] J. Ikanović: Izboljšan polnilni faktor navitijenergetskih transformatorjev, Elektrotehniškivestnik 68(5), 2001

[9] IEC 60076-2, Annex B, Methods to calculateof the hot-spot temperature- rises

[10] R.P. Marek, Dupont USA, Power transformerrefurbishment: the benefits of hybridinsulation, CIGRE 2004