Zabezpieczanie transformatorów

Najczęstszą przyczyną awarii transformatorów jest uszkodzenie izolacji uzwojeń. Przyczyną uszkodzenia może być przetężenie lub przepięcie.
Przetężenia występują przy przeciążeniach i zwarciach, mogą powodować przegrzanie uzwojeń i prowadzić w krótkim czasie do całkowitego zniszczenia izolacji.

Przegrzania uzwojeń mogą być wywołane zjawiskami elektrycznymi, jak również mogą pojawić się z przyczyn nieelektrycznych, powodując dalsze uszkodzenia transformatorów już o charakterze elektrycznym. Np.: zła wymiana powietrza, wzrost temperatury otoczenia, zmniejszenie przepływu wody (dla uzwojeń chłodzonych wodą), lub dla transformatorów chłodzonych nadmuchem powietrza – awaria wentylatorów lub zabrudzenie siatki ochronnej wentylatora.

Zwarcia powodują oprócz przegrzania występowanie bardzo dużych sił elektrodynamicznych między uzwojeniami i ich elementami.
 

Przykładowy przebieg prądu zwarciowego
u, i – napięcie i prąd przed zwarciem, i_knu – składowa nieustalona prądu zwarciowego, i_ku – składowa ustalona prądu zwarciowego, i_k – prąd zwarciowy, i_ud – prąd udarowy

Siły te są proporcjonalne do kwadratu prądu i są uwzględniane podczas projektowania transformatora. Przeciętne czasy trwania nieustalonego zwarcia (czas po którym składowa nieustalona prądu zwarciowego zanika) wynoszą od 0,02 s do 0,2 s. Wartość ustalonego prądu zwarciowego zależy od parametrów obwodu w tym także od napięcia zwarcia transformatora. Im niższe napięcie zwarcia transformatora tym wyższa wartość ustalonego prądu zwarciowego.
Np: dla transformatora o napięciu zwarcia 5%, ustalony prąd zwarciowy ma wartość 20-krotnej wartości prądu znamionowego.
W celu zmniejszenia ustalonego prądu zwarciowego i dynamicznych sił zwarciowych nasza firma stosuje specjalne konstrukcje uzwojeń transformatorów.

Zabezpieczenia.
Zabezpieczeniem transformatorów przed ich przegrzaniem (wywołanym przez przeciążenia jak i zwarcia) są najczęściej bezpieczniki topikowe.
Przy doborze wkładki topikowej jej istotnymi parametrami jest prąd i rodzaj charakterystyki czasowo-prądowej.
Prąd znamionowy wkładki topikowej po stronie pierwotnej, należy dobrać bliski prądowi znamionowemu uzwojenia pierwotnego transformatora i równy górnej wartości najbliższej, znormalizowanej wkładki.
Istotnym parametrem transformatora decydującym o doborze charakterystyki czasowo-prądowej wkładki jest prąd załączenia.
Prąd załączenia transformatora może osiągać wartość 20÷40 razy większą od wartości znamionowej.
Transformatory naszej produkcji charakteryzują się prądem załączenia w granicach 15÷30-krotnej wartości prądu znamionowego, a na życzenie odbiorcy możemy jeszcze bardziej go obniżyć. Np.: w transformatorach przeznaczonych do zasilania pomieszczeń medycznych nie przekracza on 12-krotnej wartości prądu znamionowego.
Dlatego dla transformatorów najlepiej stosować wkładki topikowe o charakterystyce zwłocznej gTr lub bardziej dostępne w handlu gL/gG. W przypadku transformatorów małej mocy można zainstalować bezpieczniki miniaturowe o charakterystyce typu TT lub T.
 

Przebieg prądu załączenia transformatora typu ET1MED-6,3 230V//230V (I1n=28A), produkcji ELHAND

Jako zabezpieczenia transformatorów nie zaleca się stosowania popularnych wyłączników nadmiarowo-prądowych typu S, mimo że jest dostępna ich wersja o charakterystyce D (pasmo 10-20xIn), ponieważ prąd rozruchu transformatora może spowodować zadziałanie wyzwalacza elektromagnetycznego podczas załączenia transformatora.
Najlepszym rozwiązaniem zabezpieczenia transformatora jest zastosowanie wyłącznika o regulowanych parametrach charakterystyk czasowo-prądowych odrębnie dla członów zwarciowego i przeciążeniowego. Oprócz tego wyłącznik tego typu ma również możliwość ustawienia zwłoki (opóźnienia), tak że możemy „uśpić” jego reakcję np. na czas rozruchu, który trwa zazwyczaj pierwsze 5-7 półokresów. Wadą tych wyłączników jest dość wygórowana cena.
Można stosować również zabezpieczenia po stronie wtórnej, lecz stanowią one bardziej zabezpieczenie odbiornika. W tym przypadku wartość prądu znamionowego wkładki topikowej nie może być wyższa od prądu znamionowego strony wtórnej transformatora. Rodzaj charakterystyki czasowo-prądowej wkładki zależny jest w tym wypadku od charakteru odbiornika.

Czujniki temperatury
O ile bezpieczniki topikowe lub wyłączniki chronią, przed skutkami przeciążeń i zwarć, to istnieje szereg czynników nieelektrycznych, które mogą doprowadzić do przegrzania i uszkodzenia izolacji. Z tego powodu dodatkowo umieszcza się w uzwojeniach czujniki temperatury zależnie od aplikacji i potrzeb użytkownika.
Mogą być zastosowane czujniki wykonane jako:

• rezystancyjne (typu Pt),
• półprzewodnikowe (np. pozystory PTC),
• miniaturowe wyłączniki bimetalowe : NO – (normalnie otwarte) lub NC – (normalnie zamknięte).

Umieszcza się je wewnątrz uzwojenia. Niektóre zastosowania np. górnicze lub medyczne wymagają zamontowania nawet dwóch rodzajów czujników w jednym uzwojeniu.
Przykład: za pomocą czujnika typu Pt100 realizowany jest ciągły monitoring temperatury uzwojeń, a dodatkowo zamontowany wyłącznik bimetalowy NO lub NC sygnalizuje przekroczenie temperatury dopuszczalnej.

Jest to istotne z punktu widzenia eksploatacji, ale przede wszystkim korzystne dla wydłużenia żywotności transformatora, gdyż stałe przegrzanie izolacji o 5ºC powoduje dwukrotnie szybsze skrócenie jej żywotności.

drukuj