![11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013
CIGRE ŠK A2 – 03
2
I. UVOD
Izolacijski sistem z vodniki, izoliranimi z lakom, in
transformatorskim oljem je pol hibridna termična
izolacija, ki jo tvorita lak termičnega razreda E
(120 ˚C) in olje z dovoljenim segrevanjem 100˚C,
razreda A [11]. Izolacijski sklop lak - olje
predstavlja v naravi oljni kanal med ovoji vijačnega
navitja, v katerem papirna izolacija ni prisotna.
Radialni kanal mora imeti čim večjo dielektrično
trdnost in mora hkrati omogočiti zadosten pretok
olja po hladilnih kanalih za učinkovito hlajenje
navitja. Širino kanala projektant optimizira z
upoštevanjem dielektričnih in termičnih zahtev.
Izračuni so pokazali, da dosegamo najboljši
polnilni faktor pri minimalnih radialnih kanalih z
uporabo enega ali več aksialnih hladilnih kanalov.
Na začetku smo si zastavili vprašanje: kakšna je
minimalna širina radialnega kanala in kakšna je
njegova dielektrična vzdržnost? Z upoštevanjem
termičnih kriterijev smo določili minimalni radialni
kanal širine 1,5 mm, ki še omogoča zadosten pretok
olja v navitju. Za izolacijo na vodnikih je
uporabljen lak PVA, grade 1.
Z razvojem navitij brez papirne izolacije smo začeli
v letu 2000, ko so bile opravljene prve meritve in
preverjanja pravokotnih vodnikov, izoliranih z
lakom. Meritve so bile vzorčne, izvedene v realnem
okolju na desetih enakih vzorcih z oljnim kanalom
širine 1,5 mm. Pridobljeni rezultati so projektantom
omogočili pravilno načrtovanje faktorja varnosti,
kar je za industrijsko okolje vedno aktualna tema.
Uporaba vodnikov, izoliranih z lakom, je bila
zaradi varnosti in pomanjkanja zanesljivih
podatkov omejena na navitja, ki ne presegajo
napetostnega razreda 20 kV [10].
Slika 1: Prva navitja z lak izolacijo iz leta 2001
(RT 50 MVA- 77/10,5 kV)
Prva navitja brez papirne izolacije na vodnikih, za
transformatorje večjih moči, smo v tovarni izdelali
v letu 2001. Ideja o opuščanju papirne izolacije na
vodnikih je nastala v času, ko smo se ukvarjali z
optimiziranjem konstrukcij z visokimi stopnjami
vrednotenja izgub. Obdelava in primerjava večjega
števila izračunov nas je vodila v smeri izboljšanja
obstoječega polnilnega faktorja navitij. Predvsem
so to navitja bližje magnetnemu krogu, v večini
primerov navitja nižjega napetostnega razreda 10 in
20 kV nazivne napetosti. Že prvi primerjalni
izračuni navitij z izboljšanim polnilnim faktorjem
so pokazali pomembne gospodarske in druge
koristi [10].
II. OPIS MERITEV
Postopek IEC
Na sliki 2 je prikazan preizkus dielektrične
vzdržnosti lak izolacije po postopku, opisanem v
standardu IEC 60851- 5 [1].
Slika 2: Postopek meritev po IEC standardu
Proizvajalci žice so obvezni izvajati preizkuse
dielektrične trdnosti lak izolacije po opisanem
postopku. Radij ukrivljenja žice ustreza
dimenzijam izbrane preizkusne žice. Preizkusno
žico zakrivijo po debelini v obliki črke U in jo
namestijo v kad, napolnjeno s kovinskimi
kroglicami predpisane velikosti. Pritisnjena
napetost je izmenična napetost industrijske
frekvence, ki se dviguje postopoma s korakom
100 V/s do končnega preboja izolacije. Z lakom
izolirana pravokotna žica je svojo množično
uporabo našla v suhih transformatorjih, kjer se za
izolacijo na žici praviloma zahteva višji termični
razred in dielektrične lastnosti merjene v zraku.
Preizkusijo pet vzorcev, od katerih morajo štirje
zdržati predpisano minimalno napetost, s tem da
peti vzorec ne sme prebiti izolacije pod 50
odstotkov predpisane napetosti. Končni izid](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Recommended
Recommended
More Related Content
Viewers also liked
Similar to Power Transformer Windings without Paper Insulation
Similar to Power Transformer Windings without Paper Insulation (6)
More from Juso Ikanovic
More from Juso Ikanovic (7)
Power Transformer Windings without Paper Insulation
- 1. 11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRE ŠK A2 – 03 1 Navitja močnostnih transformatorjev brez papirne izolacije Juso IKANOVIĆ KOLEKTOR ETRA Energetski transformatorji, d.o.o. juso.ikanovic@kolektor.com Istok JERMAN KOLEKTOR ETRA Energetski transformatorji, d.o.o. istok.jerman@kolektor.com Povzetek: V članku so predstavljene nekatere pomembnejše lastnostinavitij izdelanih iz pravokotne žice, izolirane z lakom. Osnovna papirna izolacija na vodnikih v navitju je v celoti opuščena in nadomeščena z izolacijo iz umetne snovi PVA (polyvinyl acetal) termičnega razreda E (120˚C). Obravnavano je vijačno navitje v enohodni ali dvohodni izvedbi. Aktivni del transformatorja je zalit z mineralnim oljem termičnega razreda A. Opisane so glavne značilnosti in pridobitve s stališča dielektrične, termičnein dinamične trdnosti navitja. Po kriteriju najtoplejše točke je ocenjeno relativno staranje lak izolacije. Primerjalno s standardom IEC so opisane meritve dielektrične vzdržnosti lak izolacije, ki so bile opravljene po lastnem postopku v našem visokonapetostnem laboratoriju. Na koncu je podan količinskipreglednavitij, izdelanih včasovnem obdobju od leta 2001 do leta 2012 in ocenjen vpliv na vstopne stroške. Na podlagi dosedanjih proizvodnih in obratovalnih izkušenj je podana ocena nadaljnje uporabnosti navitij brez papirne izolacije. Ključne besede: močnostni transformator, vijačno navitje, lak izolacija, dielektrična vzdržnost Power Transformer Windings without Paper Insulation Juso IKANOVIĆ KOLEKTOR ETRA Energetski transformatorji, d.o.o. juso.ikanovic@kolektor.com Istok JERMAN KOLEKTOR ETRA Energetski transformatorji, d.o.o. istok.jerman@kolektor.com Abstract: The paper gives a presentation of some most important properties of the enamel insulatedrectangularwire windings. The basic paper insulation in the winding conductors is replaced completely by PVA (polyvinyl acetal) of thermal class E (120˚C). Single- anddouble threaded helical windings are dealt with. The active part of the transformer is immersedin mineral oil of thermal class A. The main properties and benefits from the perspective of dielectric, thermal anddynamic strength of the winding are noted. According to the hot-spot criteria, the relative ageing rate of the enamel insulationis noted. Measurementsof the withstandvoltage of the enamel insulation, taken according to our own procedure in our high-voltage laboratory, are noted comparatively to the IEC standard. In conclusion, an overview of the quantity of windings between 2001 and 2012 is given, togetherwith an estimate of the influence of input costs. With regard to our up-to-date production and experience, an evaluation of the furtheruse of windings without paper insulation is given. Key words: Power Transformer, Helical Winding, Enamel Insulation, Withstand Voltage
- 2. 11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRE ŠK A2 – 03 2 I. UVOD Izolacijski sistem z vodniki, izoliranimi z lakom, in transformatorskim oljem je pol hibridna termična izolacija, ki jo tvorita lak termičnega razreda E (120 ˚C) in olje z dovoljenim segrevanjem 100˚C, razreda A [11]. Izolacijski sklop lak - olje predstavlja v naravi oljni kanal med ovoji vijačnega navitja, v katerem papirna izolacija ni prisotna. Radialni kanal mora imeti čim večjo dielektrično trdnost in mora hkrati omogočiti zadosten pretok olja po hladilnih kanalih za učinkovito hlajenje navitja. Širino kanala projektant optimizira z upoštevanjem dielektričnih in termičnih zahtev. Izračuni so pokazali, da dosegamo najboljši polnilni faktor pri minimalnih radialnih kanalih z uporabo enega ali več aksialnih hladilnih kanalov. Na začetku smo si zastavili vprašanje: kakšna je minimalna širina radialnega kanala in kakšna je njegova dielektrična vzdržnost? Z upoštevanjem termičnih kriterijev smo določili minimalni radialni kanal širine 1,5 mm, ki še omogoča zadosten pretok olja v navitju. Za izolacijo na vodnikih je uporabljen lak PVA, grade 1. Z razvojem navitij brez papirne izolacije smo začeli v letu 2000, ko so bile opravljene prve meritve in preverjanja pravokotnih vodnikov, izoliranih z lakom. Meritve so bile vzorčne, izvedene v realnem okolju na desetih enakih vzorcih z oljnim kanalom širine 1,5 mm. Pridobljeni rezultati so projektantom omogočili pravilno načrtovanje faktorja varnosti, kar je za industrijsko okolje vedno aktualna tema. Uporaba vodnikov, izoliranih z lakom, je bila zaradi varnosti in pomanjkanja zanesljivih podatkov omejena na navitja, ki ne presegajo napetostnega razreda 20 kV [10]. Slika 1: Prva navitja z lak izolacijo iz leta 2001 (RT 50 MVA- 77/10,5 kV) Prva navitja brez papirne izolacije na vodnikih, za transformatorje večjih moči, smo v tovarni izdelali v letu 2001. Ideja o opuščanju papirne izolacije na vodnikih je nastala v času, ko smo se ukvarjali z optimiziranjem konstrukcij z visokimi stopnjami vrednotenja izgub. Obdelava in primerjava večjega števila izračunov nas je vodila v smeri izboljšanja obstoječega polnilnega faktorja navitij. Predvsem so to navitja bližje magnetnemu krogu, v večini primerov navitja nižjega napetostnega razreda 10 in 20 kV nazivne napetosti. Že prvi primerjalni izračuni navitij z izboljšanim polnilnim faktorjem so pokazali pomembne gospodarske in druge koristi [10]. II. OPIS MERITEV Postopek IEC Na sliki 2 je prikazan preizkus dielektrične vzdržnosti lak izolacije po postopku, opisanem v standardu IEC 60851- 5 [1]. Slika 2: Postopek meritev po IEC standardu Proizvajalci žice so obvezni izvajati preizkuse dielektrične trdnosti lak izolacije po opisanem postopku. Radij ukrivljenja žice ustreza dimenzijam izbrane preizkusne žice. Preizkusno žico zakrivijo po debelini v obliki črke U in jo namestijo v kad, napolnjeno s kovinskimi kroglicami predpisane velikosti. Pritisnjena napetost je izmenična napetost industrijske frekvence, ki se dviguje postopoma s korakom 100 V/s do končnega preboja izolacije. Z lakom izolirana pravokotna žica je svojo množično uporabo našla v suhih transformatorjih, kjer se za izolacijo na žici praviloma zahteva višji termični razred in dielektrične lastnosti merjene v zraku. Preizkusijo pet vzorcev, od katerih morajo štirje zdržati predpisano minimalno napetost, s tem da peti vzorec ne sme prebiti izolacije pod 50 odstotkov predpisane napetosti. Končni izid
- 3. 11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRE ŠK A2 – 03 3 meritev je minimalna prebojna napetost lak izolacije, ki mora biti v zraku večja ali enaka: Upr 1000V (grade 1) in Upr 2000V (grade 2). Preizkus pri višji temperaturi in v olju izvajajo proizvajalci lak žice na posebno zahtevo naročnika. Dovoljen padec prebojne napetosti pri povišani temperaturi 120˚C, ne sme biti večji od 25% [5]. Razvidno je, da se prebojna napetost ugotavlja med vodnikom, izoliranim z lakom enostransko, in kovinskimi kroglicami, kot maso na drugi strani. Podatki o dielektrični vzdržnosti lak izolacije, pridobljeni s tem postopkom, potrjujejo predpisan nivo dielektrične kakovosti laka na žici. Če so predpisane vrednosti presežene, so dobra podlaga za primerjave med posameznimi proizvajalci žice, kar je prej izjema kot pravilo kajti, večina proizvajalcev žice podaja s standardom zajamčene vrednosti dielektrične vzdržnosti. Za projektantsko prakso rezultati teh meritev ne morejo biti trdna podlaga za dimenzioniranje izolacije v navitju. Zaradi tega smo se odločili izvesti preizkuse po lastnem postopku, prirejenim našim projektantskim potrebam. IEC postopek smo uporabili le kot kriterij sprejemljivosti rezultatov naših meritev. Postopek Kolektor Etra Projektante navitij zanima dielektrična vzdržnost lak izolacije med ovoji v kanalu lak - olje v realnem okolju, saj mora ta ustrezati dielektričnim obremenitvam izolacije v času preizkusa transformatorja z udarno napetostjo. Ker preizkusi s standardno obliko udarne napetosti 1,2/50 µs niso izvedljivi, smo preizkuse opravili z izmenično napetostjo industrijske frekvence v trajanju ene minute in vzdržno napetost AC (1 min) preračunali v vzdržno udarno napetost (LI), Uvz (LI) / Uvz (AC) = 2,5. Slika 3: Postopek meritev Kolektor Etra Za razliko od preizkusa po postopku IEC, kjer se napetost dviguje po korakih do končnega preboja, so bili naši vzorci izpostavljeni napetosti v trajanju ene minute, kar nam je omogočalo preračun napetosti AC v LI. Pravilno dimenzioniranje notranje izolacije v navitju je ključnega pomena za preizkus in kasnejše varno obratovanje transformatorja, zlasti ko gre za izolacijo med ovoji ali svitki v navitju. Postopek meritev, ki smo ga tukaj uvedli, je izvirna praktična rešitev, saj so vsi modeli izdelani po lastnem tehnološkem postopku, ki velja za navijanje vijačnih navitij v redni proizvodnji. V naravi pomenijo preskušani vzorci en izsek iz vijačnega navitja realne velikosti, z distančnikom 1,5 mm med hodoma. Z uporabo realnih dimenzij smo se izognili zamudnemu preračunavanju modelnih parametrov in zmanjšali negotovost v sprejemljivostirezultatov. Za izdelavo preizkušancev je uporabljena žica iz redne proizvodnje, 6,3 mm x 2,12 mm, izolirana z lakom PVA, (Damid, grade1). En svitek tvori snop enajstih žic radialno. Vmesni distančniki za tvorbo radialnega kanala so iz tlačene lepenke kakovosti T IV. Preizkušanci so bili zaliti s primerno posušenim transformatorskim oljem Nynas Nytro 10X, ki je bilo po končnem preboju izolacije vsakega preizkušanca zamenjano. Iz prve serije preizkušancev so odvzeti vzorci olja za plinsko kromatografsko preiskavo. Analiza rezultatov je pokazala, da v olju, razen pričakovanih nizko energetskih praznjenj, ni prišlo do razvoja plinov, ki bi nakazovali povečanja delnih praznjenj. Vsi preboji so bili plazeči in so se razvili v območju stičnih površin žic z distančniki. Vsi materiali in postopki uporabljeni za izdelavo preizkušancev se uporabljajo v redni proizvodnji. Meritve so bile opravljene v lastnem preizkusnem laboratoriju pri sobni temperaturi. Preizkušeno je bilo deset vzorcev po naključnem zaporedju od 1 do 10 kot je to razvidno iz slike 4. III. FAKTOR VARNOSTI Vsak projektant transformatorja se pri svojem delu srečuje s pojmom faktorja varnosti, zlasti na področju strojnih konstrukcij in dimenzioniranju dielektrične trdnosti izolacije v navitju. Postopek se začne z izračuni, ki morajo upoštevati realne proizvodne kriterije, zlasti so tukaj pomembne lastne proizvodne tolerance. Veliko pripomore poznavanje obratovalne zgodovine transformatorja, ki je skupaj s tovarniškimi preizkusi najboljša podlaga za določanje novih ali preverjanje že sprejetih kriterijev varnosti. Kriterij sprejemljivosti rezultatov izračunov ali meritev je v projektantski
- 4. 11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRE ŠK A2 – 03 4 praksi temeljno vprašanje vsake konstrukcije. Kriterij sprejemljivosti nekega rezultata je podlaga za določitev faktorja varnosti, ki lahko prepreči nezaželene porušitve konstrukcij, obenem pa, če je ta visoko odmerjen, povečuje stroške izdelave in projektanta potiska v drugo miselno smer. Tukaj opisan IEC postopek 1 postavlja mejo sprejemljivosti za minimalno prebojno napetost lak izolacije enostransko. Če IEC priporočilo sprejmemo kot podlago za določitev minimalne prebojne napetosti tudi za naše preizkuse bi prebojna merjena napetost znašala 17,5 kV (slika 4). Po postopku IEC se napetost dviguje do preboja izolacije, v našem postopku je bilo treba napetost dvigniti do določene izbrane vrednosti in jo zadržati eno minuto. Začeli smo s petimi kilovolti in v presledkih po 2,5 kV prve preboje zabeležili na petih vzorcih (vzorec: 1, 3, 7, 8, 10) pri napetosti 17,5 kV. Napetosti 17,5 kV nismo sprejeli kot minimalno prebojno napetost za naše izračune. Ugotovili smo, da obstaja območje nepreverjenih možnih prebojev pod mejo izmerjenih minimalnih prebojev, 15 kV < Upr < 17,5 kV. Zaradi tega smo v skupini petih najslabših vzorcev izvršili popravek izmerjene prebojne napetosti navzdol in za minimalno prebojno vrednost napetost določili srednjo računsko vrednost; Upr = 16,25 kV. Napetost 15 kV smo zabeležili kot najnižjo izmerjeno vzdržno napetost, ki so jo uspešno zdržali vsi preizkušanci. Zaradi relativno ozke meje med vzdržnostjo in prebojem (1,25 kV), izmerjena vzdržna napetost 15 kV ni bila sprejeta kot vzdržna napetost, ki bi bila merodajna za dimenzioniranje izolacije. Projektanti se pri svojem delu ukvarjamo s pojmom vzdržne napetosti (Uvz), ki jo s prebojno napetostjo povezuje faktor dielektrične varnosti kV E, Upr / Uvz = kV E , Uvz = Upr / kV E . (1) Za dimenzioniranje notranje izolacije v navitjih izoliranih s papirjem je v uporabi faktor dielektrične varnosti; kV E = 1,5. V navitjih z lak izolacijo je sprejet enak faktor varnosti kV E = 1,5 in izračunani vzdržni napetosti AC in LI; Uvz (AC) 10,8 kV in Uvz (LI) 27,1 kV. Oljni kanal, lak - olje širine 1,5 mm, v navitju dimenzioniramo tako, da se v njem pri preizkusih izolacije ne pojavi udarna napetost večja od 27,1 kV. Dielektrična vzdržnost ekvivalentnega oljnega kanala papir - olje, ki jo projektanti uporabljamo v izračunih papirne izolacije je približno enaka zgoraj izračunani. Izid je bil pričakovan, saj je delež izolacije 0,1 mm v kanalu 1,5 mm relativno nizek. Največji prispevek v skupni dielektrični vzdržnosti kanala doprinese olje, ne glede ali je v njem lak ali papirna izolacija. Na podlagi analize olja je ocenjeno, da pričakovane meje za nastanek delnih praznjenj (PD) segajo preko prebojnih merjenih napetosti 17,5 kV in izračunane vzdržne napetosti, UPD (AC) > 17,5kV >> Uvz (AC). Slika 4: Rezultati meritev Faktor varnosti se nanaša na varnost za notranjo izolacijo in pokriva vsa odstopanja in skrite napake v materialih, ki jih v proces lahko vnesejo: dobavitelj žice, dobavitelj izolacije in lastna proizvodnja. Morebitni preboji izolacije v notranjosti navitij in njih popravila bi povzročili znatne stroške večjih razsežnosti in motnje na različnih segmentih proizvodnje. Žal faktorja dielektrične varnosti ne določa noben standard ali tehnični predpis, temveč je ta lastna 0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 NapetostAC(1min)[kV] Številka preiskušanca Vzdržna napetost (merjena) Prebojna napetost (merjena)
- 5. 11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRE ŠK A2 – 03 5 matrika vsakega proizvajalca, sestavljena iz velikega števila različnih med seboj odvisnih elementov. Najpomembnejše elemente matrike varnosti najbolje pozna projektant. Med zunanjimi presojevalci tehničnih izračunov, ki zastopajo interese uporabnikov, vedno obstaja zanimanje o vgrajenem faktorju varnosti, po navadi v njegovi najpreprostejši relativni obliki, kot je to prikazano v enačbi (1). Vzdržnost izolacije v naših preizkusih je nihala med maksimalno prebojno napetostjo Upr maks (25 kV) in minimalno prebojno napetostjo Upr min (17,5 kV). Razmerje teh dveh skrajnih vrednosti je primerljivo s sprejetim faktorjem varnosti kVE; Upr maks / Upr min = 1,43 < kV E . Izbran faktor varnosti kVE = 1,5 pokriva nezanesljivost v vzdržnosti izolacije po celotnem obsegu meritev. IV. GLAVNE LASTNOSTI LAKA Lak izolacija na vodnikih je že vrsto let znan izolacijski material, ki se je na področju močnostnih transformatorjev najprej uveljavil pri transponiranem vodniku, kjer en vodnik tvori več z lakom izoliranih vzporednih vodnikov s skupnim povitjem iz papirne izolacije. Med navitja z lak izolacijo štejemo le tista navitja, ki so izdelana le z lakiranimi vodniki brez prisotnosti papirne izolacije. V sedanji fazi razvoja so to predvsem enostavnejša navitja: vijačna enohodna in več hodna navitja. Lak izolacija sodi v skupino umetnih polimerov, v literaturi in rabi jo zasledimo v treh glavnih skupinah: polyvinyl acetal (PVA), polyvinyl butyral (PVB) in polyvinyl formal (PVF). Za elektrotehniške namene sta v uporabi PVA in PVF. Od komercialnih znamk so znani laki: LE, Damid, Formvar, Magneform F120, Formvex itd. Med seboj se razlikujejo zlasti v termični odpornosti, ki je razvrščena po termičnih indeksih: 120°C, 180°C in 200°C . V naših transformatorjih uporabljamo polyvinyl acetal (PVA) termičnega razreda E (120°C). Polimerizacija izolacijskega papirja Polimerizacija izolacijskega papirja je škodljiv pojav, ki se pri papirju na zunaj kaže s spremembo in izgubo mehanskih lastnosti. Gre za slabitev molekularnih vezi (hidrogenske OH povezave) v notranji strukturi celuloze [8]. V praksi se preverja in dokazuje z meritvijo stopnje polimerizacije. V tovarniških sušilnih komorah se pri izsuševanju izolacije aktivni del segreje do 125°C kar za izolacijski papir termičnega razreda 105°C predstavlja precejšnjo termično preobremenitev in posledično pričakovan padec stopnje polimerizacije tudi do 30%. Že pred samim začetkom življenja transformatorja je izguba življenjske dobe papirja precejšnja. Za lak izolacijo PVA termičnega razreda 120°C postopektovarniškega sušenja izolacije ne predstavlja večje toplotne preobremenitve. Med obratovanjem transformatorja lak na žici počiva v zavetju termičnega razreda 105°C tako imenovane pol hibridne izolacije [11]. Izguba življenjske dobe PVA izolacije po kriteriju stopnje polimerizacije ni aktualna. Termična odpornost laka (heat shock) Večje termično breme mora prenesti lak žica, ki ji standard IEC [6], [5] nalaga preizkus PVA izolacije na žici pri povišani temperaturi 155°C. Nanos laka ne sme pokazati razpok tudi tedaj, ko se preskušana žica navije po višini na radij, ki je enak šestkratni debelini žice (za žico debeline 2 mm, je radij navijanja enak 12 mm). Zahteva po tako strogem preizkusu se vodnikom s papirno izolacijo sploh ne postavlja. Odpornost na transformatorsko olje Vse ocene iz preizkusov lakov različnih proizvajalcev so dobre ali zelo dobre, najboljše lastnosti izkazuje uporabljeni lak PVA, ki je ocenjen z odlično. Toplotna vodljivost Pomembna lastnost za učinkovito odvajanje toplote iz navitja je visoka specifična toplotna prevodnost laka, ki se giblje okrog vrednosti 0,35 W/m°C. V primerjavi s papirjem, z vrednostjo 0,14 W/m°C, izkazuje lak bistveno boljše toplotne lastnosti. Gledano s stališča koeficienta toplotne prevodnosti, so bila naša začetna pričakovanja kar precejšnja. Kasnejši izračuni so pokazali, da pretežni del temperaturnega padca odpade na padec olje–lak, padec baker–lak je neznaten kar je, glede na delež lak izolacije 0,1 mm v oljnem kanalu širine 1,5 mm, tudi razumljivo. Z uporabo programskih orodij, ki jih uporabljamo za izračun temperatur v navitju, in na vzorcu desetih različnih navitij vgrajenih v transformatorje povprečne moči 50 MVA, smo izračunali, da je temperaturni padec navitje olje za navitje izdelano z lak izolacijo v povprečju nižji za 2 K. Sorazmerno temu se temperatura najtoplejše točke v povprečju zniža za 3 K. Izračune smo izvedli ob predpostavki, da je prirast izolacije iz papirja 0,1 mm na žici tehnološko izvedljiv.
- 6. 11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRE ŠK A2 – 03 6 Aksialna tlačna sila Po IEC standardu [2] aksialna tlačna sila na radialne distančnike v kratkostičnih razmerah naj ne bi presegala vrednosti: σsp, act 80 MPa, za navitja s prisotnostjo papirja in σsp, act 120 MPa za navitja z lak izolacijo brez prisotnosti papirja. Navitja izdelana z lakiranimi vodniki in brez uporabe papirja prenesejo petdeset odstotkov večje tlačne obremenitve. Možnost trganja lak izolacije v dinamičnih kratkostičnih razmerah je bistveno zmanjšana. S stališča odpornosti navitij na kratkostične sile odsotnost papirne izolacije v navitju pripomore k stabilnejšemu vpetju navitja. Korozijska odpornost Tankoslojni nanos laka na vodnikih preprečuje pojav oksidacije in korozije bakra v navitju, ki lahko postane aktualen pri nekaterih zahtevnejših pogonih z visokimi termičnimi obremenitvami kot so to pečni transformatorji v jeklarski industriji. Vzrok za pojav korozije je lahko tudi iztrošeno olje zlasti, če je slabše kakovosti. Težave s korozijo bakra proizvajalci sodobnih olj uspešno rešujejo z različnimi aditivi 9. Nekateri, sicer redki, naročniki vztrajno zahtevajo za vsa navitja lak izolacijo. Z lakom izolirana žica izpolnjuje tudi te zahteve. Preizkus odpornosti laka na upogib (Mandrel winding test) Odpornost nanosa se preverja s preizkusom zvijanja vodnika po višini in debelini. Lak mora prenesti upogib žice na radij enak dvakratni debelini vodnika, ne glede na debelino vodnika, brez vidnih poškodb laka 6. Zahteva za takšnim preizkusom se vodnikom s papirno izolacijo sploh ne postavlja, kajti natezna trdnost papirja je neprimerljivo manjša od natezne trdnosti laka. Izdelavne prednosti Zaradi odsotnosti papirja v navitju so postopki sušenja občutno skrajšani in so potrebni samo zaradi vmesnih distančnikov v hladilnih kanalih. Če nam uspe obstoječe distančnike nadomestiti z neceluloznim materialom, bi vmesni postopek sušenja notranje izolacije v navitjih pred stiskanjem le teh odpadel. Navitja izdelana iz vodnikov, izoliranih z lakom, so dimenzijsko stabilna in z zanemarljivimi proizvodnimi odstopanji. Nastavitve višine po končanemsušenju in stiskanju navitij večinoma niso potrebne. Relativno staranje laka (Relative ageing rate) Najbolj pomembni vprašanji za uporabnika sta obratovalna zanesljivost transformatorja in staranje izolacije v njem. Staranje je zapleten naravni pojav odvisen od velikega števila različnih dejavnikov. Ne glede na relativnostno teorijo o staranju, imata največji vpliv na staranje izolacije količina vlage v transformatorju in temperatura najtoplejše točke. Pri določenem tehnološkem postopku sušenja izolacije je absolutna količina vlage vedno premo sorazmerna količini vgrajene celulozne izolacije v aktivnem delu. Tudi danes je izolacijski papir izdelan na osnovi celuloze in kot tak izkazuje visoko stopnjo vpojnosti vlage, ki v zraku pri 50 odstotni vlažnosti okolice znaša približno 7 odstotkov. Izračuni kažejo, da je opuščanje papirne izolacije v samo enem nizkonapetostnem navitju pripomoglo k sedem odstotnemu zmanjšanju mase notranje izolacije v navitjih in posledično 5 odstotnemu zmanjšanju skupne količine vlage v transformatorju. Lak izolacija dopušča večje termične obremenitve. Pri navitjih brez papirne izolacije, smo izračunali pripadajoče staranje izolacije po kriteriju najtoplejše točke 11. Z vidika uporabnika in izkoriščenosti življenjske dobe transformatorja je uporaba laka na navitjih brez papirne izolacije zelo opravičljiva. Relativno staranje izolacije na navitjih smo zmanjšali iz V= 1 na V= 0,21, kar znese le 21 odstotkov enotnega staranja izolacije. V normalnih obratovalnih pogojih transformatorja, pri pričakovani življenjski dobi 40 let in enotnem staranju izolacije V= 1, bo izguba življenjske dobe v enakem časovnem obdobju znašala le 8,4 let. Spremljanje staranja izolacije v navitjih, izdelanih iz vodnikov z lak izolacijo, v normalnih pogojih obratovanja, po kriteriju najtoplejše točke, nima več praktičnega pomena. V. PREGLED IZDELANIH NAVITIJ V času izdelave vijačnih navitij nismo zabeležili večjih izdelavnih težav, tudi tedaj, ko je šlo za izdelavo navitij s štiriinšestdesetimi vzporednimi vodniki. Vedno je uporabljen lak PVA z enkratnim nanosom nominalne debeline 0,085 mm (grade 1). Prebojev izolacije znotraj navitja v času dielektričnih preizkusov izolacije ali v obratovanju transformatorjev nismo zabeležili. V zadnjem desetletju je dvohodno vijačno navitje uporabljeno v številnih projektih in sicer kot rešitev s prioriteto, torej uporabljeno povsod, kjer je bilo to tehnološko še izvedljivo. Navitje v obliki preproste vijačnice, kot je to vijačno navitje, je skrajni domet enostavnosti k čemer projektanti vedno stremimo. Na sliki 5 je prikazana proizvodnja navitij brez papirne izolacije po posameznih letih od leta 2001
- 7. 11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRE ŠK A2 – 03 7 do zaključka leta 2012. Opazen je povečan trend rasti zlasti v zadnjih petih letih (2008 do 2012), s povprečno proizvodnjo nad 190 navitij letno. Slika 5: Proizvodnja navitij brez papirne izolacije po posameznih letih v obdobju od 2001. do 2012. leta Po dvanajstih letih uporabe navitij brez papirne izolacije njihova uporabnost narašča, delno zahvaljujoč ugodnemu polnilnemu faktorju, delno pa tudi relativno sprejemljivi tržni ceni lak žice. V obravnavanem časovnem obdobju dvanajstih let je bilo izdelanih več kot 1400 navitij. Ocena vstopnih stroškov Uvedba navitij brez papirne izolacije je pripomogla k pet odstotnemu povprečnemu zmanjšanju vstopnih stroškov za žico. Pod pojmom vstopni stroški je treba razumeti stroške, ki pokrivajo nabavno ceno žice. Izračuni se nanašajo na enoten cenovni ekvivalent omreženega transponiranega vodnika s predpostavko, da je vsako dvohodno ali enohodno navitje z lak izolacijo možno nadomestiti z omreženim transponiranim vodnikom. Takšna preprosta zamenjava v praksi pogosto ni izvedljiva vendar je bila tukaj nujna, če smo želeli podati oceno tega pomembnega dejavnika. Podana ocena vstopnih stroškov zajema povprečje izračunov na 467 transformatorjih izdelanih v obdobju med 2001 in 2012. VI. ZAKLJUČKI Pričakujemo, da se bo tehnologija tankoslojnih nanosov iz umetnih polimerov še naprej izpopolnjevala in da bo v gradnji sodobnih močnostnih transformatorjev ravno lak izolacija omogočila nove razvojne premike. Vsi do sedaj obravnavani kazalci govorijo, da je treba obstoječo tehnologijo izdelave vijačnih navitij še dograjevati in izpopolniti do te mere, da bo transponirani vodnik, kot višja tehnološka in cenovna stopnja, nadomeščen z uporabo vijačnih navitij iz pravokotne žice. Najmanj trije razlogi nas zavezujejo k nadaljevanju začetega razvoja: želimo odpreti možnost uporabi lak izolacije za višje napetostne nivoje, še občutneje omejiti porabo papirne izolacije v navitju in omogočiti nadaljnja izboljšanja polnilnega faktorja. Meje uporabnosti lak izolacije se bodo premikale proti višjim napetostim, kjer bodo dielektrične konstrukcije lak - olje vedno pogosteje izpodrivale klasično izolacijo papir - olje. V ta namen v tovarni že preizkušamo konstrukcije s povečanim nanosom laka (grade 2) in radialnimi kanali različnih širin. Rezultate meritev bomo obdelali po statistični metodologiji z namenom, da računsko ugotovimo povezavo med faktorjem varnosti in verjetnostjo preboja izolacije. Dosedanje proizvodne in obratovalne izkušnje iz obdobja preteklih dvanajstih let in več kot 1400 izdelanih navitij niso pokazali nobenega slabega dogodka, ki bi bil povezan z uporabo navitij brez papirne izolacije. REFERENCE [1] IEC 60851- 5, 2011: Winding wires- Test methods. [2] IEC 60076- 5, 2006: Ability to withstand short circuit. [3] IEEE standard C57.91: 1995, IEEE Guide for loading mineral oil- immersed 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] J. Ikanović: Izboljšan polnilni faktor navitij energetskih transformatorjev, Elektrotehniški vestnik 68(5), 2001. [11] J. Ikanović, I. Jerman: Navitja močnostnih transformatorjev zizolacijo različnih termičnih razredov, Cigre ŠK A2- PT8, Čatež 2007. 27 24 18 48 60 129 141 201 135 162 174 282 0 50 100 150 200 250 300 350 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Številoizdelanihnavitij Leto izdelave Skupaj navitij: 1401