REPARAREA TRANSFORMATOARELOR DE PUTERE

1. ARGUMENT

Viata si activitatea productivă a societății noastre contemporane a devenit de neconceput fară energia electrica .Utilizarea largă a energiei electrice în producţie si în viața de toate zilele a devenit o cerinţă obiectiva a progresului tehnic contemporan. În producerea, transportul, distribuirea si utilizarea energiei electrice un rol important îl joacă maşinile electrice, ca generatoare in centralele electrice, ca transformatoare de transport si distribuţie , ca motoare electrice în diferite acţionari electromecanice.

Transformatorul electric este un dispozitiv electromagnetic static cu doua sau mai multe infasurari cuplate magnetic , care serveste la transformarea parametrilor ( tensiune , curent , număr de faze ) energiei de curent alternativ , menținând neschimbata frecventa mărimilor alternative . În principal transformatorul este constituit dintr-un miez magnetic , pe care sunt aşezate doua infasurari , izolate intre ele , infasurarea primara care primeşte energia electrica , si infasurarea secundara , care cedeaza energia electrica unei relele sau unui consumator . Înfasurarea care corespunde cu tensiunea cea mai mare se numeşte înfasurare de inalta tensiune (IN) , iar infasurarea corespunzătoare tensiunii mai mici se numeşte infasurare de joasa tensiune (JT). Daca tensiunea secundara este mai mare decât tensiunea primara ( U2>U1) transformatorul este ridicător de tensiune ; daca tensiunea secundara este mai mica decât cea primara ( U2<U1 ),transformatorul este coborâtor de tensiune .

Transformatoarele de putere sunt aparate, fără piese în mişcare, în care are loc modificarea unor parametri electrici ai energiei primite. Transformatoarele şi autotransformatoarele montate în staţiile electrice, în posturi de transformare sau în puncte de alimentare transformă un curent alternativ de o anumită tensiune în curent alternativ de o altă tensiune, fără a-i modifica frecvenţa. Ele reprezintă echipamentele de cea mai mare valoare din staţiile electrice sau din posturile de transformare.

2. MENTENANȚA TRANSFORMATOARELOR DE PUTERE

În SEN se află în exploatare (la nivelul anului 2003) un număr de 339 transformatoare şi autotransformatoare de putere nominală cuprinsă între 63 şi 440MVA şi cu tensiunile nominale cuprinse între 110 şi 750 kV. Marea majoritate dintre acestea au durata de funcţionare mai mare de 25 de ani, perioadă considerată ca fiind „durata de viaţă standard”. La transformatoarele de putere punctele critice sunt:

a) înfăşurările:

- scăderea parametrilor de izolaţie sub limitele minime admise ceea ce poate conduce la străpungerea izolaţiei la supratensiuni;

- slăbirea rezistenţei la eforturi electrodinamice.

b) trecerile izolate

- se datorează calităţii inferioare a acestora;

c) sistemul de consolidare a înfăşurărilor realizat din materiale magnetice

- supraîncălzirea puternică a pieselor de presare (prezon-şaibă), ceea ce conduce la deformarea lor termică şi la degradarea termică a materialelor izolante;

d) comutatoarele cu reglaj sub sarcină;

e) circuitul magnetic

- se datorează cantităţii relativ mari de impurităţi mecanice şi de umiditate din ulei care determină scăderea izolaţiei tolelor, a pachetelor de tole, a schelelor;

f) sistemul de răcire:

- reducerea capacităţii de răcire prin înfundarea canalelor de circulaţie a aerului sau uleiului. În cursul exploatării transformatoarelor se execută următoarele lucrări de întreţinere curentă

- înlocuiri de siguranţe la transformatoarele protejate prin siguranţe (înlocuirea se face cu transformatoarele deconectate de la reţea şi cu instalaţiile legate la pământ);

- măsurători de sarcină şi tensiune în conformitate cu reglementările în vigoare;

- dacă sub transformatoarele montate în exterior există pat de piatră, afânarea şi greblarea periodică a acestuia pentru a permite scurgerea şi depistarea scurgerii uleiului;

- verificarea fundaţiilor şi a îngrădirilor; punerea la punct a dispozitivelor de închidere şi încuiere;

- completarea cu cerneală a aparatelor înregistratoare;

- demontări şi montări de aparate de măsurat aparţinând instalaţiei transformatorului;

- înlocuirea silicagelului. În cadrul activităţii de exploatare-întreţinere, în care se stabilesc lucrările care trebuie să readucă şi să menţină instalaţiile în starea tehnică prescrisă, pe lângă lucrările din activitatea de exploatare şi întreţinere curentă, un rol deosebit îl au lucrările din activitatea de revizii şi reparaţii (programare sau accidentale). Aceste lucrări sunt: revizia tehnică (RT), reparaţia curentă (RC), reparaţia capitală (RK).

3. PRINCIPALELE DEFECTE ȘI MODUL DE RECUNOAȘTERE A LOR LA TRANSFORMATOARELE DE PUTERE

Tipul defectului Modul de recunoaştere al defectului

Cauze posibile

Scurtcircuitarea locală a tolelor de oţel

Lucrează releul de gaze Îmbătrânirea lacului izolant al tolelor, deteriorarea tolelor

Îmbătrânirea lacului izolant al tolelor, deteriorarea tolelor

Scurtcircuit între spire Funcţionează protecţiile: de Deteriorarea izolaţiei între spire

gaze, diferenţială, maximală (dacă aceasta este instalată pe partea alimentării)

datorită îmbătrânirii în urma uzurii normale sau a suprasarcinilor de durată sau a insuficientei răciri. Descoperirea înfăşurărilor în urma coborârii nivelului de ulei. Poziţia necorespunzătoare a înfăşurărilor.

Întreruperi în înfăşurări

Funcţionează protecţia de gaze din cauza arcului care apare în punctul de întrerupere

Distrugerea capetelor de ieşire. Lipirea interioară necorespunzătoare a conductorului. Topirea unei părţi din spire din cauza scurtcircuitului în înfăşurare.

Străpungerea (punerea la masă)

Funcţionează protecţia de gaze, iar la transformatoarele cu neutrul legat la pământ şi protecţia diferenţială

Defectarea izolaţiei principale datorită îmbătrânirii sau existenţei fisurilor; umezirea uleiului. Scăderea nivelului de ulei din cuvă. Umiditate şi murdărie în ulei. Supratensiuni care au condus la străpungerea izolaţiei.

Scurtcircuit între înfăşurările fazelor.

Funcţionează protecţiile: de gaze, diferenţială şi maximală. Aruncarea uleiului prin expandor

Aceleaşi cauze ca în cazul precedent; în plus: scurtcircuit la borne sau la comutatorul de prize.

Topirea suprafeţelor contactelor la comutatoarele de ploturi

Funcţionează protecţiile: de gaze, diferenţială şi maximală

Defecte de montaj (apăsare insuficientă a contactelor şi elasticitate insuficientă a resoartelor de presare). Supraîncălziri datorită curenţilor de scurtcircuit din zonă.

Defectarea izolaţiei între tole.

Semnalizează protecţia de gaze, miros specific pătrunzător

Deteriorarea izolaţiei buloanelor de strângere, a izolaţiei între tole; deteriorarea sau lipsa garniturilor la jug.

Repararea transformatoarelor se realizează numai după retragerea lor din exploatare, pa baza foii de manevră, de către personalul de exploatare al staţiei sau postului respectiv. Procesul tehnologic cuprinde următoarele faze:

a. izolarea electrică a transformatorului de restul instalaţiei; b. desfacerea legăturilor electrice la borne; c. deplasarea transformatorului la atelierul de reparaţii; d. demontarea transformatorului; e. repararea părţilor componente defecte (miez, înfăşurări); f. remontarea transformatorului; g. încercări; h. reinstalarea transformatorului în boxă sau celulă; i. refacerea legăturilor la instalaţia electrică;

j. ridicarea izolării; k. cuplarea la reţea prin executarea operaţiilor indicate în foaia de manevră.

3.1. Demontarea transformatorului

Aceasta cuprinde operaţiile descrise pe scurt în cele ce urmează:

A. evacuarea uleiului parţial sau total într-un vas pregătit, curat şi uscat, prin robinetul de golire de la partea inferioară.

B. deşurubarea şi desfacerea legăturilor electrice se va realiza începând cu capacul cuvei, apoi legăturile la izolatoarele de trecere. Dacă buloanele nu pot fi deşurubate din cauza ruginii se ung cu petrol lampant. Se refac filetele defecte, iar piesele defecte se înlocuiesc cu altele noi.

C. demontarea subansamblurilor începe cu demontarea izolatoarelor, şi continuă cu expandorul. Se demontează conservatorul de ulei prin detaşarea lui pe flanşa conductei de ulei, apoi de piesele de care este fixat şi cu un cablu cu inele de ridicare se ridică de pe capacul cuvei. Se fereşte de deteriorări sticla indicatorului de nivel de ulei. Releul de gaze şi termometrul cu rezistenţă sau termosemnalizatorul sunt demontate imediat după evacuarea uleiului.

D. decuvarea reprezintă scoaterea părţii active din interiorul cuvei şi deasupra Unei tăvi se aşează pe traverse de cale ferată. Acest proces se realizează lin, cu ajutorul macaralei.

E. demontarea părţii active începe cu prizele şi comutatorul de ploturi care vor trebui în prealabil numerotate prin etichete. Se dezlipesc lipiturile cu lampa de lipit (cele cu cositor) şi cu dalta şi ciocanul (cele realizate cu aliaj tare).

Se demontează grinzile jugului, se despachetează jugul superior, şi se depresează înfăşurările deşurubându-se buloanele de presare. Se deşurubează buloanele de strângere a jugului superior şi grinzile respective, se leagă cu funii grinzile şi se scot buloanele de strângere. Se ridică grinzile jugului scoţându-le de pe tiranţii verticali. Se despachetează jugurile scoţând câte 2-3 tole simultan din două părţi. Muncitorii vor aşeza lângă ei pe schelă tolele despachetate. Pentru scoaterea înfăşurărilor se folosesc nişte gheare aşezate în cruce. Acestea se prind de înfăşurarea respectivă şi cu ajutorul unei macarale se ridică cu o funie strict vertical, după care se depozitează pe două grinzi pe pardoseală.

Demontarea radiatoarelor se realizează dacă sunt detaşabile după demontarea părţii active. Se închid robinetele, se deşurubează piuliţele flanşelor, se deplasează radiatoarele de pe prezoane, se aşează pe podea.

3.2. Repararea miezului magnetic

Se realizează un control minuţios al stării tolelor şi a izolaţiei lor. Izolaţia de lac defecte cade la despachetare, iar cea din hârtie se sfărâmă. Dacă nu se constată urme de scurtcircuite locale, se reface jugul superior şi se supune la încercări: - măsurarea pierderilor în gol folosindu-se o înfăşurare de control, care să asigura magnetizarea completă a miezului. Se alimentează la 380/220V şi se măsoară P´0 (pierderile în gol). Apoi se scurtcircuitează tolele marginale ale miezului, pe suprafaţa exterioră cu un conductor şi se măsoară din nou P´´0. Dacă starea izolaţiei este satisfăcătoare, trebuie ca:

- măsurarea tensiunii tolele marginale şi pachetele miezului magnetic înfăşurarea de control fiind sub tensiune. Lipsa unei tensiuni între pachete indică o regiune în care există tola scurtcircuitate. Locul de defect se stabileşte la demontarea pachetelor de tole.

Măsurarea rezistenţei în c.c. a izolaţiei între tolele diferitelor pachete, conform fig. 3. Fixându-se un curent de 2-2,5 A, se determină rezistenţa diferitelor pachete cu relaţiile:

Rezistenţele trebuie să fie aproximativ egale, pentru pachetele simetrice. Se calculează apoi rezistenţa specifică a izolaţiei între tolele fiecărui pachet cu relaţia:

unde:

R – rezistenţa măsurată; F – aria tolei, cm2; n – numărul de tole în pachet.

3.3. Repararea înfăşurărilor

Înfăşurările sunt cele mai afectate părţi ale transformatorului, fiind supuse la deteriorări ale conductorului, desfaceri de pe bobină, contacte între spire, întreruperi, alterarea izolaţiei. Repararea presupune :

- Scoaterea izolaţiei de pe conductor după care se îndreaptă cu un ciocan din lemn şi se şterg cu cârpe. Dacă conductorul este ecruisat şi izolaţia se curăţă greu se recoc în cuptoare la 550-600°C. Dacă se constată goluri, crăpături, ele se taie şi conductorul se lipeşte cu cleştele electric.

- Reizolarea conductorului se face manual sau cu maşini de izolat. Pentru izolare se utilizează hârtie de cablu cu grosimea de 0,05 mm, iar la ultimul strat hârtie cu grosimea de 0,12mm. Productivitatea izolării în cazul folosirii maşinilor este de 6-8 ori mai mare. În cazul izolării manuale, lucrătorul şterge conductorul cu o cârpă curată, ia ruloul şi începe să izoleze aşezănd mai întâi primul strat. „jumătate acoperit”, parcurgând tot tronsonul (distanţa între două tambure), iar apoi cel de-al doilea strat ş.a.m.d. Este necesar să se aşeze izolaţia cât mai strâns, tot timpul netezind-o şi întinzând hârtia cu mâna, astel încât să nu se formeze goluri. Când tronsonul este complet izolat acesta se înfăşoară pe tambur, aşezănd strâns o spiră lângă alta.

- Rebobinarea înfăşurărilor în cazul bobinelor cilindrice în două straturi se execută pe şabloane sau direct pe cilindrul de pertinax, care constituie izolaţia faţă de miezul transformatorului, în acest ultim caz cilindrul fixându-se pe şablonul de bobinare. De prima spiră se fixează pana egalizatoare de carton preşpan, prin bandajare cu bandă de bumbac. Se verifică calitatea izolaţiei în timpul bobinării, refăcându-se cea deteriorată. Consolidarea spirelor se face cu fâşie de bandă groasă de bumbac, care face o spiră peste prima spiră. După aşezarea primului strat de spire se aşează distanţoarele longitudinale pentru realizarea canalelor de răcire.

- După bobinare urmează uscarea, presarea definitivă, impregnarea şi coacerea, operaţii care se efectuează în cuptoare cu vid, speciale. Înainte de coborârea în cuvă se curăţă minuţios, se şterge cu o cârpă uscată. Uscarea se realizează la temperatura de 100-120°C, timp de 6-12 ore. Apoi se scoate se răceşte la 70°C, se presează până la dimensiunea dorită şi se impregnează cu lac într-o baie. Apoi se introduce din nou în cuvă pentru coacere timp de 8 ore. - Remontarea

înfăşurărilor pe miezul magnetic se realizează după verificarea în prealabil a lor; se realizează cu ajutorul macaralei, cea de joasă să fie montată imediat lângă coloană şi cea de înaltă la exterior.

3.4. Remontarea transformatorului.

După asamblarea părţii active sunt pregătite pentru montare cuva, conservatorul, expandorul, radiatoarele, capacul, bornele, comutatorul, instrumentele de măsură, robinetele etc. Asamblarea constă în:

- montarea conservatorului şi expandorului;

- instalarea garniturilor de etanşare;

- montarea radiatoarelor, robinetelor, roţilor;

- ridicarea părţii active şi coborârea ei în cuvă;

- instalarea capacului; - umplerea transformatorului cu ulei şi verificarea etanşeităţii garniturilor;

- vopsirea exterioară a transformatorului

4. PROBE ŞI ÎNCERCĂRI ALE TRANSFORMATOARELOR ELECTRICE

Principalele probe şi verificări ale transformatoarelor de putere care au ca scop verificarea calitatii reparatiei sunt:

- măsurarea rezistenţei de izolaţie a înfăşurărilor şi a coeficientului de absorbţie R60/R15;

- verificarea raportului de transformare;

- verificarea grupei de conexiuni a înfăşurărilor;

- verificarea rigidităţii dielectrice a izolaţiei la frecvenţă industrială;

- încercarea la scurtcircuit;

- încercarea la mers în gol;

- măsurarea rezistenţei înfăşurărilor în curent continuu;

- măsurarea unghiului de pierderi dielectrice tgδ a înfăşurărilor şi bornelor (izolatoarelor de trecere);

- determinarea raportului C2/C20.

4.1. Măsurarea rezistenţei de izolaţie a înfăşurărilor şi a coeficientului de absorbţie R60/R15;

Se măsoară:

- cu megohmmetrul de 1000V la înfăşurările de joasă tensiune;

- cu megohmmetrul de 2500V la înfăşurările de înaltă tensiune.

Rezistenţa de izolaţie se măsoară între fiecare înfăşurare şi masă şi între înfăşurări (figura 5).Indicaţiile megohmmetrului se citesc după 15 şi 60 s. Raportul acestor citiri R60/R15 se numeşte coeficient de absorbţie, fiind unul dintre criteriile de stabilire a gradului de umiditate a înfăşurărilor. Valorile măsurătorilor se compară cu cele indicate de întreprinderea constructoare.

Coeficientul de absorbţie trebuie să fie R60/R15≥1,3.

Momentul efectuării probei:

- la PIF (punerea în funcţiune);

- în cadrul reviziilor tehnice RT, reparaţiilor curente RC şi a reparaţiilor capitale RK;

- la schimbarea uleiului;

- la transformatoarele aflate în stare operativă “rezervă rece” odată la 2 ani.

4.2. Verificarea raportului de transformare

Se face pe toate fazele şi pe toate prizele transformatorului. Pe partea de înaltă tensiune, unde nu se poate măsura tensiunea de fază (conexiunea de regulă este triunghi), se face măsurarea tensiunii între faze ( ) 31 f UU . Raportul de transformare nu trebuie să difere de cel indicat de întreprinderea constructoare cu 0,5 %.

Raportul de transformare se determină cu ajutorul montajului din figura de mai sus şi valoarea sa se obţine făcând raportul dintre tensiunea fazei din primar şi cea din secundar (măsurată la

bornele omoloage), la mersul în gol al transformatorului, trecând comutatorul de prize prin toate poziţiile sale.

Momentul efectuării probei:

- la PIF (punerea în funcţiune);

- intervenţii la înfăşurări şi la conexiuni;

- la modificarea conexiunilor sau a raportului de transformare pe placa de conexiuni exterioară sau interioară;

- după RK în atelier.

4.3. Verificarea rigidităţii dielectrice a izolaţiei transformatorului.

Această încercare are drept scop verificarea izolaţiei unei înfăşurări faţă de masă sau faţă de alte înfăşurări şi a izolaţiei între spire şi părţile unei aceleiaşi înfăşurări. Proba se efectuează după trecerea a cel puţin trei ore de la umplerea cu ulei a transformatorului.

Verificarea rigidităţii dielectrice a izolaţiei se face în două feluri:

- cu tensiune aplicată;

- cu tensiune indusă.

În figura 5 se prezentată prima metodă fiind cea mai utilizată pentru transformatoarele de putere din dotarea consumatorilor. Tensiunea de încercare se aplică în modul următor: se aplică brusc 50 % din valoarea tensiunii de încercare, apoi treptat, până se atinge valoarea tensiunii de încercare; aceasta se menţine un minut, apoi se scade treptat până la zero.

Transformatorul se consideră bun, dacă în timpul probelor nu se produc conturnări sau străpungeri, care se manifestă atât prin zgomote caracteristice, cât şi prin oscilarea pronunţată a acelor aparatelor de măsură.

4.4. Încercarea la scurtcircuit

Se face cu scopul de a verifica tensiunea procentuală de scurtcircuit uk% şi pierderile în scurtcircuit Pk. Montajul este cel indicat în figura 7. Tensiunea aplicată se creşte treptat, până

când indicaţiile ampermetrelor ating valoarea curentului nominal. În acest moment se citesc: tensiunea de scurtcircuit Uk în V şi Pk în W (prin metoda celor două wattmetre). Valorile măsurărilor se compară cu cele înscrise în fişa tehnică a transformatorului.

Montajul din figura 8 conţine un transformator trifazat reglabil TR, două ampermetre A1 şi A2, două wattmetre W1 şi W2 a căror bobine de current sunt alimentate din secundarele a două transformatoare de current 1TC şi 2TC, un voltmetru pentru a determina tensiunea de scurtcircuit şi transformatorul verificat T.

Momentul efectuării probei:

- la PIF (punerea în funcţiune) în lipsa buletinului de fabrică;

- după RK în atelier care presupune demontarea înfăşurărilor sau intervenţii la miezul magnetic.

4.5. Încercarea la mers în gol

Încercarea la mers în gol se face cu scopul de a determina curentul procentual de mers în gol i0% şi pierderile de putere la mers în gol P0, în W. Montajul cuprinde trei ampermetre, două wattmetre a căror bobine de curent sunt alimentate din secundarele transformatoarelor de curent 1TC şi 2TC şi tansformatorul de încercat T. Se aplică tensiunea nominală pe partea de joasă tensiune, bornele de înaltă fiind în gol (la un potenţial ridicat şi deci încercarea se face cu respectarea NTS pentru instalaţia sub tensiune periculoasă).

Se citesc valoarea curentului, media aritmetică a

indicaţiilor celor trei ampermetre şi valoarea puterii P0 prin metoda celor două wattmetre. Se calculează curentul de mers în gol în procente i0%. Valorile se compară cu cele din fişa tehnică a transformatorului.

4.6. Măsurarea unghiului de pierderi dielectrice tgδ a înfăşurărilor şi bornelor (izolatoarelor de trecere);

Această măsurare (figura 8) se efectuează cu puntea Schering, punte care având tensiunea de 10 kV, se utilizează numai pe partea de înaltă tensiune a transformatorului. Tangenta unghiului de pierderi serveşte drept criteriu pentru stabilirea gradului de umiditate a

înfăşurărilor. Aceasta nu trebuie să depăşească cu mai mult de 30% valoarea dată de întreprinderea constructoare.

4.7. Determinarea raportului C2/C20

Un alt criteriu pentru aprecierea umidităţii înfăşurărilor îl constituie şi raportul capacităţilor la frecvenţele de 2 şi 50 Hz. Măsurarea se face cu dispozitivul pentru controlul umidităţii, conform instrucţiunilor de folosire a acestuia. Înainte de măsurarea raportului C2/C20, trebuie să se măsoare rezistenţa de izolaţie a înfăşurării transformatorului, deoarece la valori reduse ale acesteia dispozitivul dă erori inacceptabile.

5. ELEMENTE CONSTRUCTIVE ALE TRANSFORMATORULUI

Principalele elemente constructive ale transformatoarelor şi autotransformatoarelor sunt: circuitul magnetic (miezul), înfăşurările, cuva şi capacul, conservatorul, comutatorul pentru reglajul tensiunii, izolatoarele de trecere, instalaţiile de răcire, releele de gaze şi alte accesorii.

Fig.9. Transformator de putere - vedere laterală: 1-cuva transformatorului; 2-roată de cărucior; 3- radiator; 4-conservator; 5-supapă de siguranţă; 6-suport conservator; 7-suport cric; 8-robinet de golire; 9-robinet de filtrare; 10-dispozitiv de acţionare; 11-izolator nul; 12- cutia cu contactoare; 13-izolator de ÎT; 14-izolator de JT; 15-izolator de JT; 16-fanion izolator de JT; 17-robinet de golire; 18-bornă de punere la pământ; 19-gresor; 20-robinet radiator; 21-filtru de aer; 22-releu Buchholz; 23-robinet izolare conservator; 24-nivel de ulei.

Transformatorul electric este construit din următoarele elemente constructive de bază : miezul feromagnetic, care realizează un cuplaj magentic strâns între circuitele electrice ale înfăşurărilor, este construit din tablă electrotehnică cu grosime de 0,3 şi 0,33 mm. În prezent pentru transformatoarele de putere se utilizează numai tablă laminată la rece cu cristale orientate (texturată), cu pierderi specifice de 0,45-0,6 W/Kg, la B=1 T şi f=50 Hz.

Tabla electrotehnică, tăiată convenabil în fâşii numite ţole, se împachetează formând miezul feromagnetic. Tolele sunt izolate între ele cu lacuri sa oxizi (la tabla texturată). Consolidarea miezului se asigură prin diferite sisteme, alcătuind aşa zisă „schelă” a transformatorului, care depind de mărimea şi tipul produsului. În figura 1.2 se indică scheme de miezuri pentru transformatoare monofazate, iar în figura 1.3 scheme pentru cele trifazate. Cu litera a au fost notate miezurile cu colane, iar cu b miezurile cu coloane, în manta. Pentru clarificarea utilizării acestor tipuri de miezuri, sunt indicate sensurile fluxurilor magnetie la un moment dat şi, prin cercuri, coloanele pe care se montează înfăşurări. Partea mieului feromagnetic pe care se dispun înfăşurările poartă denumirea de coloană, iar părţile care unesc coloanele între ele se numesc juguri. Deoarece înfăşurările se execută în sfera miezului şi se montează

ulterior pe coloanele transformatorului miezul feromagnetic se construieşte cu jugul superior demontabil, de tip suprapus (fig. 1.4,a) sau de tip ţesut (fig.1.4,b,c şi d). Tăierea tolelor se execută la 900 sau la construcţiile mai noi, la 450sau la 300 şi 600. Sistemul de înfăşurări este construit din spire realizate din conductoare de cupru sau de aluminiu, dispuse pe miezul feromagnetic, după ce în prealabil nu au fost izolate corespunzător. Transformatoarele cu două sau mai multe înfăşurări distincte pentru fiecare transformatorului. Pentru realizarea unui cuplaj magnetic cât mai strâns între înfăşurările distincte, acestea se dispun - de regulă - pe aceeaşi coloană a transformatorului.

În tehnica măsurătorilor se utilizează transformatoarele de măsură; transformatoarele de tensiune şi transformatoare de curent. În automatică şi electronică îşi găsesc o largă întrebuinţare transformatoarele de foarte mică putere, cu construcţii şi tehnologii speciale. După modul de răcire se deosebesc transformatoare uscate şi transformatoare în ulei. Transformatoarele uscate au miezul şi înfăşurările aşezate în aer, sau înglobate în răşini sintetice; în această categorie ce execută unităţi cu puteri până la ordinul sutelor de kVA. La transformatoarele în ulei, miezul şi înfăşurările sunt aşezate într-o cuvă umplută cu ulei; această construcţie caracterizează unităţile de puteri mari şi foarte mari.

6. MĂRIMI NOMINALE ȘI MARCAREA BORNELOR

Pentru transformatoarele de putere cu răcire în ulei funcţionarea în regim nominal este definită de următoarele mărimi nominale: puterea, tensiunile şi deci raportul de transformare, curenţii, tensiunea de scurtcircuit şi frecvenţa . La transformatoarele cu prize de reglare a tensiunii, regimul nominal este cel corespunzător prizei cu tensiunea nominală. Puterea nominală a transformatorului este puterea aparentă la bornele circuitului secundar, exprimată în kVA, pentru care nu sunt depăşite limitele de încălzire.

Tensiunea nominală primară este tensiunea care trebuie aplicată la bornele de alimentare ale înfăşurării primare a tranformatorului în regimul său nominal de funcţionare. Tensiunea nominală secundară, la transformatoarele cu puteri peste 10 kVA, este tensiunea care rezultă la bornele înfăşurării secundare atunci când transformatorul funcţionează în gol şi se aplică primarului tensiunea nominală primară, comutatorul de prize al transformatorului fiind pus pe priza nominală. La transformatoarele mici, cu puteri sub 10 kVA, teniunea nominală este cea corespunzătoare curentului secundar nominal. Raportul nominal de transformare este dat de raportul dintre tensiunea nominală şi cea secundară, la mersul în gol. Curenţii nominali, primari şi secundari, sunt curenţii de linie care rezultă din valorile nominale ale puterii şi ale tensiunilor, definite mai sus.

Tensiunea de scurtcircuit nominală este tensiunea care trebuie aplicată circuitului de înaltă tensiune al transformatorului pentru ca acest circuit să fie parcurs de curentul nominal atunci când circuitul de joasă tensiune este legat în scurtcircuit, transformatorul fiind pe priza nominală şi temperatura înfăşurărilor fiind egală cu temperatura convenţională de lucru (750 pentru clasele de izolaţie A, E, B şi 1150 pentru clasele F şi H). Frecvenţa, nominală a transformatorului, în condiţii normale, se consideră frecvenţa de 50 Hz. În cazuri speciale, frecvenţa se specifică prin caiete de sarcină cu mărime nominală de bază. Marcarea bornelor, stabileşte următoarele reguli: La înfăşurările de înaltă tensiune ale transformatoarelor se prescriu literele A, B, şi C pentru începuturile lor şi X, Y, Z pentru sfârşiturile acestora; la bornele înfăşurărilor de joasă tensiune se utilizează literele b,c respectiv x, y, z. La transformatoarele cu trei înfăşurări pentru înfăşurarea de medie tensiune se prescriu literele Am, Bm, Cm şi Xm, Ym, Zm.

Punctul neutru al înfăşurărilor, dacă este scos la borne, pe capac, se notează cu literele N, n şi Nm. Aşezarea bornelor pe capac se face în aşa fel, încât privind transformatorul de sus şi din

partea bornelor deînaltă tensiune, dispunerea bornelor trebuie să fie în ordinea NABC, n, a, b, c, Nm Am Bm Cm, cum este arătat în figura 1.7 pentru diferite tipuri de transformatoare

Trebuie subliniat faptul că atât partea de înaltă tensiune, cât şi pe partea de joasă tensiune, succesiunea alfabetică a literelor coincide cu succesiunea fazelor în timp, bobinele înfăşurărilor considerându-se că au acelaşi sens de înfăşurare.

7. PRINCIPIUL DE FUNCŢIONARE AL TRANSFORMATORULUI ELECTRIC

Se consideră un transformator monofazat având înfăşurarea primară, cu W1 spire, alimentată de la o sursă de curent alternativ de tensiune u1; înfăşurarea secundară se presupune mai întâi deschisă (transformatorul funcţionează în gol). În această situaţie, transformatorul se comportă ca o bobină de reactanţă cu miez de fier. Înfăşurarea primară este parcursă de un curent alternativ i1e relativ mic (2-8% din I1n), datorită reactanţei mari a circuitului la funcţionarea în gol. Solenaţia înfăşurării primare excită prin miezul feromagnetic fluxul ᵠ, variabil în timp. Aplicând legea inducţiei electromagnetice pe un contur închis r care străbate cele w1 spire ale înfăşurării primare în sensul pozitiv al curentului i1e şi se închide prin aer pe o linie a tensiunii la borne şi presupunând că fluxul magnetic se închide numai prin miez, se poate scrie ecuaţia:

(1.4)

în care R1 este rezistenţa înfăşurării primare şi s-a ţinut seama de sensul ales pozitiv pentru tensiunea la borne u1, circuitul fiind considerat receptor. Căderea chimică de tensiune R1 · i1e este mică în raport cu tensiunea de alimentare şi se poate neglija, ecuaţia, (1.1)

(1.5)

În înfăşurarea secundară cu W2 spire, care înlănţuie practic acelaşi flux magnetic p, se induce o tensiune electromotoare de transformare, de aceeaşi frecvenţă ca şi tensiunea u1 având expresia:

(1.6)

Raportul tensiunilor la bornele celor două înfăşurări, notat cu ku are valoarea:

(1.7)

şi este denumit raport de transformare. În regim armonic raportul valorilor nstantanee ale tensiunilor instantanee este egal cu raportul valorilor efective, deci:

(1.8)

Dacă se conectează la bornele înfăşurării secundare un receptor, circuitul înfăşurării este parcurs de curentul i2, determinat de tensiunea la bornele secundare la funcţionarea în sarcină transformatorului şi de impedanţa receptorului . Curentul i1 din înfăşurarea primară se modifică potrivit sarcinii transformatorului. Fluxul magnetic ϕ este produs de solenaţia rezultantă a ambelor înfăşurări:

(1.9)

care este în acest caz solenaţia de magnetizare.

Relaţia (1.6) exprimă fenomenul de reacţie a indusului la un transformator: w1i1 reprezintă solenaţia primară instantanee care determină un câmp magnetic de excitaţie; w2i2 este solenaţia secundară instantanee, care produce, când transformatorul funcţionează în sarcină, un câmp magnetic, de reacţie. Cele două câmpuri magnetice, de excitaţie şi de reacţie se compun şi determină un câmp rezultant creat, evident de solenaţia rezultantă instantanee care rezultă din aplicarea legii circuitului magnetic pe conturul închis r. Fluxul magnetic ᵠ este

dictat practic ca variaţie în timp şi ca valoare instantanee de tensiunea u1 aplicată la bornele înfăşurării primare, considerând regimuri staţionare:

(1.10)

şi deci:

(1.11)

adică fluxul γ este sinusoidal, defazat

cu în urma tensiunii şi este practic acelaşi fie că transformatorul funcţionează în gol sau în sarcină.

Cum solenaţia de magnetizare este mica în raport cu solenaţiile înfăşurărilor, se poate scrie:

(1.12)

considerând un regim armonic. Prin urmare la creşterea solenaţiei înfăşurării secundare (creşterea curentului I2) trebuie să crească şi solenaţia înfăşurării primare, astfel încât solenaţia de magnetizare θµ să rămână practic constantă. Dacă se neglijează pierderile (transformator ideal) se poate scrie:

sau

(1.13)

adică sarcina din secundar cu un anumit factor de putere se reflectă în primar aproximativ cu acelaşi factor de putere. Oricum, chiar la un transformator real cu pierdere nu se schimbă în limite mari defazajul dintre (U1I1) în raport cu defazajul dintre (U2I2), la încărcări în jurul valorilor nominale. Puterea instantanee p1 primită de transformator pe la bornele înfăşurării primare de regaseste în parte în pierderile prin efect Joule în cele două înfăşurări, în pierderile în miezul feromagnetic, o parte reprezintă variaţia în unitatea de timp a energiei localizate în câmpul de dispersie a înfăşurărilor şi în miezul magnetic, iar cea mai mare parte se transmite pe la bornele înfăşurării secundare - sub forma puterii instantanee p2 - receptorului:

(1.14)

La funcţionarea în sarcină a transformatorului se produc căderi de tensiune în înfăşurări datorită rezistenţei de dispersie a acestora; tensiunea la bornele secundarului variază de la funcţionarea în gol la funcţionarea în sarcină în funcţie de căderile de tensiune din înfăşurări şi din defazajul curentului din secundar faţă de tensiunea la bornele respective.

Se consideră un transformator monofazat având înfăşurarea primară, cu w1 spire, alimentată de la o sursă de curent alternativ de tensiune u1; înfăşurarea secundară se presupune mai întâi deschisă(transformatorul funcţioneazăîn gol). În această situaţie, transformatorul se comport ca o bobină de reactanţă cu miez de fier. Înfăşurarea primară este parcursă de un curent alternativ i1e relativ mic (2-8% din I1n), datorită reactanţei mari a circuitului la funcţionarea în gol. Solenaţia înfăşurării primare excită prin miezul feromagnetic fluxul ᵠ, variabil în timp. Aplicând legea inducţiei electromagnetice pe un contur închis Γcare străbate cele w1 spire ale înfăşurării primare în sensul pozitiv al curentului i1e şi se închide prin aer pe o linie a tensiunii la borne şi presupunând că fluxul magnetic se închide numai prin miez, se poate scrie ecuaţia:

(1.15)

În înfăşurarea secundară cu w2 spire, care înlănţuie practic acelaşi flux magnetic ᵠ ,se induce o tensiune electromotoare de transformare, de aceeaşi frecvenţă ca şi tensiunea u1 având expresia:

(1.16)

Raportul tensiunilor la bornele celor douăînfăşurări, notat cu ku are valoarea:

(1.17)

şi este denumit raport de transformare. În regim armonic raportul valorilor instantanee ale tensiunilor instantanee este egal cu raportul valorilor efective, deci:

(1.18)

Dacă se conectează la bornele înfăşurării secundare un receptor, circuitul înfăşurării este parcurs de curentul i2, determinat de tensiunea la bornele secundare la funcţionarea în sarcină

a transformatorului şi de impedanţa receptorului. Curentul i1 din înfăşurarea primarăse modifică potrivit sarcinii transformatorului. Fluxul magnetic ᵠ este produs de solenaţia rezultantă a ambelor înfăşurări:

(1.19)

care este în acest caz solenaţia de magnetizare.

Relaţia anterioară exprimă fenomenul de reacţie a indusului la un transformator: w1i1 reprezintă solenaţia primară instantanee care determină un câmp magnetic de excitaţie; w2i2 este solenaţia secundară instantanee, care produce, când transformatorul funcţionează în sarcină,un câmp magnetic, de reacţie. Cele două câmpuri magnetice, de excitaţie şi de reacţie se compun şi determină un câmp rezultant creat, evident de solenaţia rezultantă instantanee care rezultă din aplicarea legii circuitului magnetic pe conturul închis . Fluxul magnetic ᵠeste dictat practic ca variaţie în timp şi ca valoare instantanee de tensiunea u1 aplicată la bornele înfăşurării primare, considerând regimuri staţionare:

(1.20)

şi deci:

(1.21)

adică fluxul este sinusoidal, defazat cu în urma tensiunii u1 şi este practic acelaşi fie că transformatorul funcţionează în gol sau în sarcină.

Cum solenaţia de magnetizare este mica în raport cu solenaţiile înfăşurărilor, se poate scrie:

(1.22)

considerând un regim armonic. Prin urmare la creşterea solenaţiei înfăşurării secundare (creşterea curentului I2) trebuie să crească şi solenaţia înfăşurării primare, astfel încât solenaţia de magnetizare să rămână practic constantă.

8. EXPLOATAREA TRANSFORMATOARELOR DE PUTERE

Siguranţa în funcţionare şi durata de viaţă a unui transformator depind în mare măsură de starea uleiului din cuva transformatorului. Proprietăţile fizice ale uleiului se modifică în decursul exploatării, uleiul îmbătrâneşte. Cele mai importante caracteristici ale uleiului din punct de vedere al exploatării sunt rigiditatea dielectrică şi tangenta unghiului de pierderi. Orice impuritate care pătrunde în ulei influenţează negativ rigiditatea lui dielectrică. Impurităţile din ulei pot fi solide, lichide sau gazoase.

Impurităţile solide provin mai ales din procesul de fabricaţie al transformatorului, ele sunt particule de hârtie, lemn, rugină, vopsea, etc. Unele particule de impurităţi absorb umezeala, formează particule cu permitivitate ridicată, se grupează şi se orientează în direcţia câmpului electric, realizând punţi de străpungere prin ulei. Dintre impurităţile gazoase şi lichide, importanţă deosebită prezintă oxigenul şi apa, care degradează uleiul şi acţionează defavorabil şi asupra izolaţiilor solide ale transformatorului. Contactul, sub orice formă, dintre ulei şi aer duce la procesul de oxidare a uleiului. Apa din ulei provine din umiditatea aerului din mediul înconjurător şi în urma proceselor de descompunere ale uleiului. Consecinţa imediată a creşterii umidităţii uleiului este micşorarea rigidităţii lui dielectrice.

În acelaşi timp umiditatea micşorează rigiditatea dielectrică a izolaţiei de hârtie, accelerează pierderea calităţilor mecanice ale hârtiei, adică accelerează îmbătrânirea izolaţiei de hârtie. Este necesară protejarea uleiului faţă de umiditatea şi oxigenul din aerul mediului înconjurător. Cea mai simplă protecţie este aplicarea conservatorului de ulei, prin care se realizează o suprafaţă de contact micşorată dintre ulei şi aer. Atât procesul de oxidare, cât şi procesul de absorbţie a umidităţii sunt favorizate de o temperatură mai ridicată. De aceea se urmăreşte menţinerea temperaturii uleiului din conservator la valori scăzute. În acest scop conservatorul se leagă cu cuva transformatorului printr-o ţeavă relativ subţire, care asigură răcirea uleiului, care datorită dilataţiei termice trece din cuvă în conservator. Spaţiul de aer din conservator comunică cu exteriorul printr-o ţeavă pe care sunt filtre de oxigen şi de apă. Un procedeu răspândit de încetinire a procesului de îmbătrânire a uleiului este introducerea în ulei a unor substanţe, denumite inhibitori, care împiedică direct desfăşurarea procesului chimic de oxidare a uleiului. Încă în procesul de fabricaţie al transformatorului trebuie să se aibă în vedere acţiunea catalitică a metalelor în procesul de oxidare a uleiului. De aceea, se prevăd metode de pasivizare a suprafeţelor metalice din transformator, cum ar fi acoperirea acestora cu un lac special.

Măsurile indicate de protecţie a uleiului de transformator încetinesc procesul de îmbătrânire a uleiului, dar nu îl elimină complet. Astfel se impun măsuri de control şi întreţinere a uleiului. Periodic, se verifică aspectul (culoarea) uleiului, prezenţa cărbunelui în suspensie, prezenţa

apei, punctul de inflamabilitate, aciditatea organică, impurităţile mecanice, rigiditatea dielectrică şi tangenta unghiului de pierderi. Întreţinerea uleiului de transformator înseamnă îndepărtarea impurităţilor, a produselor de oxidare şi a apei din ulei. Procedeele de întreţinere sunt: decantarea, filtrarea, centrifugarea, uscarea sau tratarea în vid a uleiului. Dacă uleiul este pronunţat oxidat, el trebuie regenerat. Metodele de regenerare sunt similare cu metodele de rafinare ale uleiului. Prin ele se îndepărtează din ulei acizii, hidrocarburile nesaturate şi apa. La schimbarea uleiului trebuie luate măsuri de îndepărtare a produselor de oxidare ale uleiului din izolaţiile solide ale transformatorului.O protecţie mult superioară a uleiului se realizează prin interpunerea între uleiul din transformator şi atmosferă a unei perne de azot. Astfel, se elimină procesul de oxidare a uleiului şi de asemenea, se elimină aproape complet şi procesul de absorbţie a umidităţii, ceea ce duce la mărimea considerabilă a duratei de viaţă a uleiului, precum şi a materialelor izolante solide ale înfăşurărilor şi deci a transformatorului.

O altă modalitate de eliminare a contactului dintre uleiul din transformator şi aerul din mediul înconjurător este separarea uleiului de aer în conservator printr-o membrană elastică, care urmăreşte variaţiile de volum ale uleiului. Sau, în cuva transformatorului umplută complet cu ulei se introduce un balon elastic, de asemenea umplut cu ulei. Balonul elastic comunică cu un expandor.

BIBLIOGRAFIE

1. CIOC I., VLAD I., CALOTA G. “Transformatorul electric“, Ed. Scrisul Romanesc,Craiova, 1989

2. NOTINGHER, P., Materiale pentru electrotehnica, Ed. POLITEHNICA PRESS, Bucuresti, 2005

3. E. Potolea. Calculul regimurilor de funcționare ale sistemelor electroenergetice. București: Editura Tehnică, 1977

4. Felea I. - "Maşini şi acţionări electrice. Îndrumar de proiectare", Litografia Oradea, 1990

5. Ifrim A., Notingher P. - "Materiale electrotehnice", Ed. D.P. Bucureşti, 1979