ELEKTRIČNI

TRANSFORMATOR

(Seminar pri predmetu: Razdelilna in industrijska omrežja)

Avtor: Matic Pesjak

Vpisna številka:64140134

Nosilec predmeta: prof. dr. Gregor Bizjak

Kazalo

1) Na splošno o transformatorju ..................................................................................................... 4

2) Princip elektromagnetne indukcije ............................................................................................. 6

3) Zgradba transformatorja ............................................................................................................ 11

3.1) Železno jedro .......................................................................................................................... 11

3.1.1) Železna jedra transformatorjev velikih moči ............................................................... 12

3.1.2) Železna jedra transformatorjev malih moči ................................................................. 12

3.2) Navitja ...................................................................................................................................... 13

3.2.1) Cilindrična navitja ............................................................................................................ 14

3.2.2) Tuljavična navitja ............................................................................................................. 15

3.2.3) Izolacija aktivnih delov ....................................................................................................... 17

4) Izgube in izkoristek transformatorja ......................................................................................... 18

4.1) Izgube v bakrenih navitjih ..................................................................................................... 19

4.2) Izgube v železnem jedru ....................................................................................................... 20

5) Električno nadomestno vezje realnega transformatorja ....................................................... 22

5.1) Nadomestno vezje transformatorja v praznem teku ......................................................... 23

5.2) Nadomestno vezje transformatorja v kratkem stiku .......................................................... 24

6) Trifazni transformator ................................................................................................................. 25

6.1) Evropska in ameriška izvedba.............................................................................................. 25

6.2) Osnovne vezave trifaznih transformatorjev ........................................................................ 27

6.2.1) Vezava zvezda (Y) .......................................................................................................... 28

6.2.2) Vezava trikot (∆) .............................................................................................................. 29

6.2.3) Vezava lomljena zvezda (Z) .......................................................................................... 30

6.3) Vezne skupine transformatorjev .......................................................................................... 31

6.3.1) Glavne vezne skupine in razlaga vezne številke ....................................................... 31

6.3.2) Vezava zvezda – zvezda (Yy) ....................................................................................... 32

6.3.3) Vezava trikot-zvezda (Dy).............................................................................................. 33

6.3.4) Vezava zvezda – trikot (Yd) .......................................................................................... 33

6.3.5) Vezava zvezda-lomljena zvezda (Yz) .......................................................................... 33

6.4) Paralelno obratovanje transformatorjev .............................................................................. 34

7) Segrevanje in hlajenje transformatorjev ................................................................................. 35

7.1) Suhi transformatorji ................................................................................................................ 36

7.2) Oljni transformatorji ................................................................................................................ 36

8) Vprašanja..................................................................................................................................... 41

8.1) Kako vezna skupina transformatorja vpliva na ceno izvedbe transformatorja? ....................... 41

8.2) Kaj je napetostnik in kaj tokovnik? ............................................................................................ 42

8.3) Kako ščitimo olje v oljnem transformatorju pred pregrevanjem .............................................. 43

9) Naloga – določitev parametrov trifaznega transformatorja .................................................. 44

1) Na splošno o transformatorju

Transformator je mirujoč stroj brez gibljivih delov, ki pretvarja električno energijo v električno.

Deluje na principu statične elektromagnetne indukcije, kar pomeni, da deluje na podlagi

spreminjajočega se magnetnega fluksa skozi statične (fiksirane) zanke oz. tuljave.

Transformator je torej zmožen te energijske pretvorbe le, ko so vhodne veličine izmenične.

Za idealni transformator velja, da moč, ki jo prejme na na vhodu, tudi na izhodu odda.

Slika 1 - Idealni transformator

V realnosti se pa vedno srečamo z izgubami. Glavne izgube, ki se pojavljajo, so termične

izgube na ohmskih upornostih obeh navitij in v feromagnetnem jedru (histereza in vrtinčni

tokovi), stresanem magnetnem polju t.j. magnetno polje, ki se ne povezuje z obema tuljavama.

To pomeni, da je v realnsoti oddana moč vedno manjša od prejete.

Slika 2 – Realni transformator

Transformatorji se v grobem delijo na:

- Energetski transformatorji:

Uporabljajo se pri prenosu in distribuciji električne energije. Služijo dvigu napetosti pri

prenašanju energije na dolge razdalje, kar zmanjša prenosne izgub ter pri znižanju napetosti

na uporabnikom prijazno napetost v mestih in naseljih. Prav tako služijo znižanju napetosti,

kar nam omogoči distribucijo energije do porabnikov.

Transformatorji manjših moči so običajno suhi, kar pomeni da se jedro in navitja hladijo s

pomočjo zraka. Transformatorji večjih moči so pa oljni, kar pomeni, da se komponente hladijo

s pomočjo olja.

- Mali transformatorji:

Te pogosto najdemo v električnih napravah, ki potrebujejo drugačno napetost kot je standard

v nizkonapetostnih inštalacijah (230 V) . Te naprave so npr. hišni zvonec, televizorji, neonska

razsvetljava itd.

- Posebni transformatorji:

Sem sodijo transformatorji, ki so narejeni za specifične primere, npr. :

varilni transformator (veliki tokovi topijo kovino),

merilni transformatorji (napetostniki in tokovniki, služijo merjenju napetosti in tokov

v prenosnem in distribucijskem omrežju, kjer so napetosti in tokovi preveliki za

merjenje s klasičnimi merilnimi napravami,

prečni transformator (omogoča regulacijo prenosne moči, kar je koristno, ko imamo

preobremenjen vod in želimo moč, ki ga obremenjuje, preusmeriti po drugih manj

obremenjenih povezavah,

regulacijski transformator (omogoča nastavljanje prestavnega razmerja) itd.

2) Princip elektromagnetne indukcije

Imejmo tuljavo z N ovoji, ki objema nek časovno spreminjajoči fluks 𝛷(𝑡) zunanjega izvora. V

tej tuljavi se bo v splošnem inducirala napetost v taki smeri, da bi pognala tak tok, ki bo s

svojim fluksom nasprotoval originalnemu vzbujalnemu fluksu. Ta napetost je po naslednji

enačbi enaka:

𝑒𝑖(𝑡) =

𝑑𝜓(𝑡)

𝑑𝑡

(1)

Kjer je magnetni sklep 𝜓 definiran kot vsota fluksov skozi posamezne ovoje tuljave.

𝜓(𝑡) = 𝛷1(𝑡) + 𝛷2(𝑡) + 𝛷3(𝑡) + ⋯+ 𝛷𝑁(𝑡 ) = ∑𝛷𝑖

𝑁

𝑖=1

(𝑡) (2)

V kolikor so fluksi skozi vse ovoje tuljave enaki oz. presodimo, da ob tej predpostavki naredimo

minimalni pogrešek, se potem izraz za magnetni sklep poenostavi v naslednji izraz.

𝜓(𝑡) = 𝑁𝛷(𝑡) (3)

Inducirana napetost v tuljavi je tako enaka izrazu:

𝑒𝑖(𝑡) = 𝑁

𝑑𝛷(𝑡)

𝑑𝑡

(4)

Slika 3 - Tuljava na feromagnetnem jedru

V enačbo za izračun inducirane napetosti vstavimo izraz za fluks:

𝑒𝑖(𝑡) = 𝑁𝑑(∫ (𝑡) ∙ 𝑑𝑎

𝐴)

𝑑𝑡

(5)

Če predpostavimo, da je površina preseka A časovno neodvisna (je konstantna) in da fluks 𝛷

vedno in povsod pravokotno vprada na ploskev preseka A (kot med normalnim vektorjem

ploskve in vektorjem fluksa je 0), potem velja:

𝑒𝑖(𝑡) = 𝑁𝐴

𝑑𝐵(𝑡)

𝑑𝑡

(6)

V praksi se v proizvodnji, prenosu in distribuciji električne energije srečujemo s sinusnimi

veličinami, zato upoštevajmo, da ima tudi magnetni fluks tako obliko.

𝑒𝑖(𝑡) = 𝑁𝐴

𝑑(𝐵𝑚sin (2𝜋𝑓𝑡))

𝑑𝑡= 𝑁𝐴𝐵𝑚cos (2𝜋𝑓𝑡) ∙ 2𝜋𝑓

(7)

Efektivna vrednost inducirane napetosti 𝐸𝑖 na tuljavi, če ta objema časovno spreminjajoči fluks

tujega izvora sinusne oblike amplitudne vrednosti 𝛷𝑚 in frekvence f, je tako:

𝐸𝑖 = 2𝜋𝑓𝑁𝐴𝐵𝑚

√2= 4.44𝑓𝑁𝛷𝑚 (8)

Stvar si lahko predstavljamo tudi v nasprotnem smislu. Imejmo tuljavo z N ovoji, na katero

pritisnemo napajalno napetost sinusne oblike efektivne vrednosti 𝑈 in frekvence f .

Maksimalna vrednost fluksa tuljave z N ovoji, če bi na tuljavo pritisnili napetost sinusne oblike

efektivne vrednosti 𝑈 in frekvence f, bi bila:

𝛷𝑚 =

𝑈

4.44𝑓𝑁=

𝐸𝑖

4.44𝑓𝑁 , 𝑠𝑎𝑗 𝑣𝑒𝑙𝑗𝑎 𝑈 = 𝐸𝑖 (𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙𝑛𝑎 𝑡𝑢𝑙𝑗𝑎𝑣𝑎)

(9)

Pomembno je dejstvo, da lahko na velikost fluksa skozi tuljavo vplivamo le z efektivno

vrednostjo pritisnjene napetosti U, frekvenco napetosti f, ter s številom ovojev tuljave N, ki so

ponavadi konstrukcijska konstanta. Material magnetnega jedra in navitja ter prisotnost zračne

reže torej nič ne vplivajo velikost fluksa, vplivajo pa na velikost vzbujalnega toka, ki je potreben

da ta fluks vzpostavi.

Sledeča enačba popisuje te razmere, njeno izpeljavo opustimo.

𝐼𝑉 = 𝑈

𝑋𝐿=

𝑈

𝜔𝐿=

𝑈

𝜔(

𝑙𝑧𝑟𝜇0𝐴𝑧𝑟𝑁

2+

𝑙𝐹𝑒

𝜇0𝜇𝑟𝐴𝐹𝑒𝑁2) =

𝛷𝑚

√2𝑁(

𝑙𝑧𝑟𝜇0𝐴𝑧𝑟

+𝑙𝐹𝑒

𝜇0𝜇𝑟𝐴𝐹𝑒) (10)

Vidimo, da levi člen v oklepaju s prisotnostjo zračne reže 𝑙𝑧𝑟 postaja zelo velik (s tem tudi tok),

desni pa je zaradi permeabilnosti materiala 𝜇𝑟 = 5000 − 10000 veliko manjši.

Sklepamo lahko naslednje. Fluks, ki se bo pretakal skozi tuljavo je pogojen z njenim številom

ovojev ter s pritisnjeno vrednostjo amplitude in napetosti. Vzbujalni tok, ki mora steči da ta

fluks ustvari, se da zmanjšati z reduciranjem zračnih rež in izbiro pravilnih materialov jedra.

Slika 4 – Ekvivalentna modela idealnega enofaznega transformatorja

Oglejmo si, kako enačbo (9) razumemo na enofaznem transformatorju.

Glavna sestavna dela transformatorja sta dve navitji in feromagnetno jedro, ki se ju med seboj

magnetno povezuje oz. magnetno sklopi.

Vloga feromagnetnega jedra je, da vodi skoraj ves magnetni pretok iz prve tuljave L1 v tuljavo

L2 in s tem omogoči maksimaleno magnetno sklopljenost med njima, ter posledično tudi

maksimalen prenos moči.

Na prvo tuljavo pritisnemo neko napetost, za katero smatramo, da je konstantna skozi cel

primer. Ta napetost definira kolikšen fluks se ustvari skozi prvo tuljavo.

Na prvo tuljavo pritisnemo napetost 𝑈1, skozi tuljavo steče tok, zaradi spreminjajočega se

fluksa pa se inducira napetosti 𝐸1 po enačbi (9).

𝐸1 = 4.44𝑓𝑁1𝛷𝑚

Fluks bo ravno takšen, da bo veljalo:

𝑈1 = 𝐸1

Ta fluks bo zaradi popolne magnetne sklopitve tekel tudi skozi tuljavo 2. Na njej se bo

inducirala napetost:

𝐸2 = 4.44𝑓𝑁2𝛷𝑚

Od tukaj tudi dobimo napetostno in tokovno prestavno razmerje transformatorja.

𝐾𝑢 =𝐸1

𝐸2=

𝑁1

𝑁2=

𝐼2𝐼1

=1

𝐾𝑖

Glede na to, kakšen tip bremena je priklopljen na tuljavi 2, bo stekel skozi njo tok, ki s svojim

fluksom želi nasprotovati izvornemu fluksu tuljave 1. Ker pa ta mora ostati fiksen, zaradi fiksne

pritisnjene napetosti U, mora v tuljavo 1 steči iz vira še večji tok, da kompenzira vpliv toka

bremena na tuljavi 2.

Če imamo na tuljavi 2 odprti sponki, potem sekundarnega toka ni in posledično je tok tuljave

1 definiran z izrazom (2), v sistem teče le vzbujalni induktivni tok.

Če imamo na tuljavi 2 kratek stik, potem je sekundarni tok neskončen, kar pomeni da mora v

tuljavo 1 steči prav tako neskončen tok, da vpliv le tega kompenzira.

Če imamo na tuljavi 2 neko poljubno breme, lahko celotno zadevo razumemo kot prikazano

na sliki 4. Cel transformator predstavimo z neko impedanco 𝑍, ki je funkcija priklopljenega

bremena na tuljavi 2, ki je 𝑍𝑏. Predstavljamo si lahko, da mora iz vira v sistem teči nek

induktivni vzbujalni tok in pa delovni tok, ki ga rabi breme na tuljavi 2.

Slika 5 - Transformator predstavljen iz električnega vidika

Kako točno je za 𝑍 definiran, si bomo ogledali kasneje na električnem nadomestnem vezju

realnega transformatorja.

3) Zgradba transformatorja

Transformatorji se gradijo v enofazni in trifazni izvedbi. Sestava je v grobem podobna, prav

tako matematična analiza trifaznega transformatorja temelji na treh enofaznih modelih.

Sestavne dele transformatorja delimo na aktivne in pasivne dele.

Aktivni deli transformatorja so tisti, ki neposredno (direktno) sodelujejo pri procesu

transformacije električne energije. Sem spadata železno jedro in navitja.

Pasivni deli so pa tisti, ki pri tem procesu ne sodelujejo direktno, vendar so pa nujni

spremljevalci varnega in obstojnega transformatorja. Sem spadajo npr. izolacijski elementi,

komponente hladilnih sistemov in zaščitnih sistemov itd.

3.1) Železno jedro

Naloga železnega jedra je, da vodi izmenično magnetno polje. Zgrajeno mora biti tako, da se

čim lažje magneti in da ima čim manj izgub.

Slika 6 - Jedro enofaznega (levo) in trifaznega (desno) transformatorja: (1) steber, (2) jarem

Material je običajno litina železa s 4% do 7% silicija, kar poveča ohmsko upornost. Dobi se ga

v obliki tankih pločevin, debelih med 0.1 – 0.5 mm. Ti lističi imajo izolacijski premaz, ki

preprečuje vrtinčne tokove.

3.1.1) Železna jedra transformatorjev velikih moči

Za transformatorje večjih moči so pločevine valjane po hladnem postopku. Te pločevine so

predvidene za magnetne gostote B= 1,75 do 1,85T. Njihova slabost je ta, da imajo veliko bolj

izrazito nasičenje. Hočemo, da je presek jedra prav tako čim bolj okrogel, saj se za te

transformatorje uporabljajo cilindrična navitja.

Slika 7 - Oblika lamel transformatorja velikih moči, prerez jedra (desno)

3.1.2) Železna jedra transformatorjev malih moči

Transformatorji manjših moči so običajno enofazni transformatorji. Te uporabljajo pločevine

valjane po toplem postopku, kar pomeni da se enostavno magnetijo v vseh smereh. Primer

reza za enofazni transformator, kjer je povit srednji steber vidimo na spodnji sliki. Zračna reža

med jarmom in stebri je izmenoma prekrita z lamelami.

Slika 8 - Oblika lamel transformatorja malih moči

3.2) Navitja

Glede na smer pretakanja energije poznamo primarna in sekundarna navitja.

Primarno navitje je tisto, kjer transformator sprejema el. moč pri določeni napetosti in

določenem toku. Sekundarno navitje pa je tisto, kjer transformator približno enako moč

oddaja naprej, vendar na drugačnem (višjem ali nižjem) nivoju napetosti in toka. Od tod sledi

tudi naslednja razdelitev navitij na visokonapetostna in nizkonapetostna. Med seboj se

razlikujejo po debelini izolacije, debelini žice navitij, predvsem pa po številu ovojev.

Nizkonapetostno in visokonapetostno sta položena drug v drugem, včasih tudi prepletena, s

tem zmanjšamo stresanje magnetnega polja. Nizkonapetostno navitje je običajno bližje jedru,

saj zanj rabimo manj izolacije. Prerezi vodnikov tuljav so pravokotni.

Konstrukcijsko načeloma razdelimo navitja v dve skupini:

− cilindrično (angl. helical winding),

− tuljavično (angl. disc winding)

Slika 9 - Cilindrična navitja (levo), tuljavična navitja (desno)

Puščice na sliki označujejo smer navijanja žice. Pri cilindričnih gremo z žico vzdolž jedra dol

in potem spet gor, in dol itd. Pri tuljavičnih pa z navijanjem ustvarjamo nekakšne diske,

navijamo v smeri proč od jedra, in nato spet k njemu itd.

Pri navijanju ločimo tudi orientiranost vodnikov. Ker so prerezi vodnikov pravokotne oblike,

lahko ob jedro navijemo daljšo (angl. flat wound) ali krajšo stranico (angl edge wound). Prva

varianta se uporablja pri tuljavičnem, druga pa pri cilindričnem navijanju.

Slika 10 - Flat wound navitje (levo), edge wound navitje (desno)

3.2.1) Cilindrična navitja

Prednost cilindričnega navitja je v enostavnosti in nižji ceni v primerjavi z ostalimi izvedbami

navitij. Običajno je samo nizkonapetostno navitje cilindrično, ta se nahaja čisto pri jedru.

Nižjo ceno konstrukcije zagotavlja tudi enostavna izvedba izolacije. Slaba stran tega

navitja pa je v tem, da taka navitja povzročajo večjo količino stresanega fluksa.

.

Slika 11-Cilindrično enoplastno (levo) in cilindrično dvoplastno (desno)

Slika 12 - Cilindrično navijanje v stilu "edge wound"

3.2.2) Tuljavična navitja

Tako navitje imamo zahtevnejšo in dražjo izgradnjo, vendar se dobri rezultati pokažejo pri

manjši količini stresanega fluksa. Navitji sta med seboj prepleteni, kot je prikazano na spodnji

sliki.

Slaba stran je, da moramo dodatno pojačati izolacijo med VN in NN navitji. Slabše je tudi

hlajenje, zato je ta transformator primeren z stebri v vodoravnem položaju.

Tako hladilno sredstvo lažje cirkulira med tuljavami.

Slika 13 - Tuljavično navitje

Slika 14 - Tuljavično navitje v stilu "flat wound"

3.2.3) Izolacija aktivnih delov

Izolacija vodnikov tuljav je lahko izvedena z lakom, impregniranim papirjem, kartonom ali

bombažem.

Izolacija med tuljavami iste tuljave (tuljavična navitja) in izolacija med plastmi iste

tuljave (cilindrična večplastna navitja) je lahko oljni papir, oljno platno ali tekoča lepenka.

Pri transformatorjih manjših moči ta izolacija ni potrebna.

Izolacija med visokonapetostnimi in nizkonapetostnimi vodniki se uporablja le pri zelo

velikih napetostnih prestavah.

Izolacija navitij proti železnemu jedru preprečuje stik jedra z vodniki. Tukaj se večinoma

uporablja lepenka ali pertinaks. Same tehnike in načini izoliranja so močno odvisni od

presekov in načinov navijanja navitij.

4) Izgube in izkoristek transformatorja

Kot omenjeno v uvodu seminarske naloge velja, da noben električni stroj ne more oddati več

električne energije, kot jo prejme. To seveda velja tudi za transformator. Določimo, kako je

definiran izkoristek transformatorja.

Slika 15 - Blokovni diagram realnega transformatorja

Bilanca moči transformatorja je sledeča:

𝑃1 = 𝑃2 + 𝑃𝑖𝑧𝑔

Absolutni izkoristek je tako definiran kot razmerje med oddano in prejeto močjo:

𝜇 = 𝑃2

𝑃1

Relativni oz. procentualni izkoristek pa kot:

𝜇% = 𝑃2

𝑃1∙ 100%

Zavedati se moramo, da izkoristek transformatorja ni konstanten. Spreminja se v odvisnosti

od obremenitve. Dimenzionirani so tako, da se najboljši izkoristek giblje okoli 70 – 80%

obremenitve, kjer normalno tudi obratujejo.

Slika 16 - Krivulja izkoristka ter izgub v odvisnosti od obremenitve

Iz slike je razvidno, da skupne izgube transformatorja rastejo eksponentno z večanjem

obremenitve, kar vodi v zmanjšanje izkoristka.

4.1) Izgube v bakrenih navitjih

Izgube v navitjih transformatorjev so posledica ohmske upornosti materiala oz. žice, iz katere

so le te narejene. Posledica upornosti materiala je njegovo segrevanje, kar predstavlja izgube.

Te izgube rastejo s kvadratom toka.

Skupne izgube enofaznega transformatorja lahko predstavimo kot vsoto izgub posameznih

navitij:

𝑃𝐶𝑢 = 𝑃1𝐶𝑢 + 𝑃2𝐶𝑢 = 𝐼12 ∙ 𝑅1𝐶𝑢 + 𝐼2

2 ∙ 𝑅2𝐶𝑢

Po navadi poznamo nazivne izgube bakra (tj. izgube v bakru pri nazivni obremenitvi, torej ko

v obeh navitjih tečejo nazivni tokovi).

𝑃𝐶𝑢,𝑛 = 𝑃1𝐶𝑢,𝑛 + 𝑃2𝐶𝑢,𝑛 = 𝐼1𝑛2 ∙ 𝑅1𝐶𝑢 + 𝐼2𝑛

2 ∙ 𝑅2𝐶𝑢

Na podlagi tega lahko določimo izgube pri posamezni obremenitvi na podlagi procentualnega

odstopanja toka od nazivnega.

𝑃𝐶𝑢 = 𝑃𝐶𝑢,𝑛 (𝐼1𝐼1𝑛

)2

= 𝑃𝐶𝑢,𝑛 (𝐼2𝐼2𝑛

)2

Ker npr. 10% povečanje toka na primarni strani pomeni tudi 10% povečanje toka na

sekundarni strani, potem to velja za razmerji tokov na obeh straneh transformatorja.

4.2) Izgube v železnem jedru

Izgube v železnem jedru nastajajo zaradi dveh vzrokov:

- Histerezne izgube

- Vrtinčni tokovi

Histerezne izgube si lahko predstavljamo kot termične izgube, ki

so posledica trenja oz. “drgnjenja” magnetnih delcev

mehkomagnetnega jedra, ki se morajo stalno obračati s smerjo

fluksa, ki se ves čas spreminja.

Histerezne izgube se povečujejo premosoraznerno s

frekvenco, ter premosorazmerno s ploščino histerezne zanke, ta

pa je odvisna od amplitude magnetenja. Ta ploščina se spreminja

približno s kvadratom amplitude magnetenja.

Vrtinčni tokovi so pa posledica konstantno spreminjajočega fluksa

v jedru. V jedru (ki je prevoden) se ustvarjajo vrtinčni tokovi v taki

smeri, da s svojim fluksom nasprotujejo izvornemu fluksu. Te

tokovi povzročajo gretje jedra in s tem izgube. Vrtinčni tokovi so večji

tem bolj je material prevoden, ter tem večji je masivni prerez železa pravokotno na smer silnic.

Te izgube se odpravljajo z lameliranjem jedra.

Slika 17 - Histerezne izgube

Slika 18 - Vrtinčne izgube

Pogosto dobimo za magnetni material samo podatek o skupnih specifičnih izgubah železa

𝑘𝐹𝑒(𝑊/𝑘𝑔), ki vključuje vrtinčne in histerezne izgube normirane na frekvenco 50 Hz in

magnetno poljsko jakost 1.5T.

𝑃𝐹𝑒 = 𝑘𝐹𝑒𝑚𝐹𝑒 (𝑓

50𝐻𝑧) (

𝐵

1,5𝑇)𝛼

; 𝛼 ∈ (1.8 𝑑𝑜 2.2)

Pogosto poznamo nazivne izgube v železu, kar pomeni da lahko tudi zapišemo:

𝑃𝐹𝑒 = 𝑃𝐹𝑒,𝑛 (𝑓

𝑓𝑛) (

𝐵

1,5𝑇)2

Ker pa vemo, da je amplituda magnetenja pogojena s pritisnjeno napetostjo lahko tudi rečemo

in sicer je z njo premosorazmerna po enačbi (9), velja:

𝑃𝐹𝑒 = 𝑃𝐹𝑒,𝑛 (𝑓

𝑓𝑛)(

𝑈1

𝑈1𝑛)2

5) Električno nadomestno vezje realnega transformatorja

Spodnje električno vezje je ekvivalent realnega transformatorja, ki upošteva vse izgube ter

odzive na vse vrste obremenitev. Elementi sekundarja so zaradi prestave reducirani na

primarno stran.

Posamezni elementi vezja predstavljajo naslednje količine:

𝑈1 - Pritisnjena napetost na sponkah primarnega navitja

𝐼1 - Tok skozi primarno navitje

𝑅1 - Upornost primarnega navitja

𝑋1 - Stresana reaktanca primarnega navitja (fluks primarnega navitja, ki se ne sklopi

z sekundarnim navitjem)

𝑅0 - Navidezna upornost, na kateri se troši moč, ki pokriva vse izgube v feromagnetnem jedru

𝑋0 - Reaktanca magnetenja; zaradi magnetenja jedra, skozi njo teče čisto induktivni tok 𝐼𝑚,

ki magneti jedro.

𝑅2′ – Upornost sekundarnega navitja, reducirana na primarno stran (𝑅2′ = 𝑅2𝑝

2)

𝑋2′ - Stresana reaktanca sekundarnega navitja reducirana na primarno stran (𝑋2′ = 𝑋2𝑝²;

fluks sekundarnega navitja, ki se ne sklopi s primarnim navitjem)

𝑈2′ - Napetost, ki se ustvari na sponkah sekundarnega navitja, reducirana na primarno stran

(𝑈2′ = 𝑈2p)

𝐼2′ - Tok, ki teče skozi sekundarno navitje, reduciran na primarno stran (𝐼2′ =

𝐼2

𝑝)

Če se vrnemo nazaj h koncu poglavja 2, kjer smo govorili, da je mogoče celotni transformator

vključno z bremenom spraviti v neko skupno impedanco, ki je funkcija bremena 𝑍 = 𝑓(𝑍𝑏),

sedaj vidimo kakšna je ta funkcija, in sicer:

𝑍 = ((𝑅2′ + 𝑋2′+𝑍𝑏)𝐼𝐼(𝑋0𝐼𝐼𝑅0)) + 𝑅1 + 𝑋1

Ta impedanca sedaj točno določa, kakšna je delovna in kakšna je jalova komponenta toka, ki

teče v to »škatlo«, ki predstavlja naš transformator, ki tudi diktirata kakšna delovna in jalova

moč se troši.

5.1) Nadomestno vezje transformatorja v praznem teku

Slika 19 - Nadomestno vezje transformatorja v praznem teku

Imejmo transformator, ki ima na primarju pritisnjeno napetost 𝑈1=𝑈0, na sekundarju pa odprte

sponke.

Tok 𝐼2′ je tako enak 0, kar pomeni da člena 𝑅2′ in 𝑋2′. Tok praznega teka 𝐼1 = 𝐼0 je posledično

prav tako zelo majhen, kar pomeni, da lahko izgube in stresanje na prvi tuljavi zanemarimo.

Odpadeta še člena 𝑅1 in 𝑋1.

Nadomestno vezje transformatorja v praznem teku je tako prikazano na sliki 11 desno. Iz tega

vezja je razvidno, da vsa delovna trošena moč transformatorja v praznem teku predstavlja

izgube v železnem jedru, tj. moč ki se troši na navidezni upornosti 𝑅0 zaradi delovne

komponente toka praznega teka 𝐼0𝑑.

Moč praznega tega je tako enaka:

𝑃0 = 𝑃𝐹𝑒 =𝑈0

2

𝑅0

V kolikor je primarna napetost enaka nazivni, dobimo nazivne izgube prostega teka in so

prisotne ves pri normalnem obratovanju transformatorja pod obremenitvijo, saj je takrat

obratovalna napetost enaka 𝑈1=𝑈1𝑛.

𝑃0𝑛 = 𝑃𝐹𝑒,𝑛 =𝑈1𝑛

2

𝑅0

5.2) Nadomestno vezje transformatorja v kratkem stiku

Slika 20 - Nadomestno vezje transformatorja v kratkem stiku

Imejmo transformator, kateremu na primar priklopimo neko napetost 𝑈1=𝑈𝑘, sekundar pa

sklenemo v kratki stik. To napetost 𝑈𝑘 povečujemo toliko časa, dokler skozi primar in sekundar

ne tečejo nazivni tokovi 𝐼1 = 𝐼1𝑛, 𝐼2 = 𝐼2𝑛. Ker imamo sekundar sklenjen v kratek stik, pomeni

da bodo te tokovi že stekli pri zelo nizkih napetostih, običajno okoli 𝑈𝑘 = 0.1𝑈1𝑛. Ker je ta

pritisnjena napetost zelo majhna, lahko v tem primeru zanemarimo izgube prečne veje

nadomestnega vezja, odpadeta člena 𝑅0 in 𝑋0.

Nadomestno vezje transformatorja je tako prikazano na sliki 12 desno. Iz tega vezja je

razvidno, da vsa delovna trošena moč transformatorja predstavlja izgube na ohmskih

upornostih navitij. Moč kratkega stika je tako enaka.

𝑃𝑘𝑛 = 𝑃𝐶𝑢,𝑛 = 𝐼1𝑛2 𝑅𝑘 = 𝐼2𝑛

′ ²𝑅𝑘

V kolikor ne tečejo nazivni tokovi, lahko poračunamo izgube za poljubno obremenitev

transformatorja:

𝑃𝑘 = 𝑃𝐶𝑢 = 𝐼12𝑅𝑘 = 𝐼2

′²𝑅𝑘

6) Trifazni transformator

Elektroenergetski sistemi prenosa in distribucije električne energije so trifazni, zato v ta namen

uporabljamo tudi trifazne transformatorje. Ločimo evropsko in ameriško različico trifaznega

transformatorja.

6.1) Evropska in ameriška izvedba

V ZDA je trifazni transformator sestavljen iz treh enofaznih enot, vezavo vidimo na sliki.

Slika 21 - Ameriška varianta

Evropska izvedba pa ima samo eno jedro sestavljeno iz treh (včasih tudi 5) stebrov, ter

povezujočega jarma.

Slika 22- Evropska varianta

Za predstavo si lahko pogledamo razlike vezav v ameriškem in evropskem distribucijskem

sistemu na sliki.

Slika 23 - Distribucijski sistem: ameriški (levo), evropski (desno)

Vidimo, da ameriški sistem uporablja enofazne izvode iz prenosa, na katere priklopijo

enofazne transformatorje, medtem ko evropski sistem uporablja trifazne izvode.

Obe izvedbi imata prednosti in slabosti, vendar večina sveta stremi k evropski izvedbi, saj ima

določene prednosti.

Prednosti evropske izvedbe:

- Trifazni transformator je cenejši kot trije enofazni

- Zasedejo manj prostora

- Za manipulacijo imamo samo eno enoto

- Bolj simetrično obremenjeno omrežje

Slabosti evropske izvedbe:

- Večja teža in velikost na posamezno enoto, posledično težji transport

- Če rabimo rezervo, rabimo cel trifazni transformator pri ameriški izvedbi pa le en

enofazen.

- Omrežje bolj trpi pri odklopu enot, saj to pomeni veliko spremembo moči.

V sklopu te seminarske se bomo osredotočili na trifazne transformatorje evropske

izvedbe.

6.2) Osnovne vezave trifaznih transformatorjev

Na sliki 21 smo videli lokacijo namestitev primarnih in sekundarnih navitij, spoznajmo še na

kakšne načine lahko ta navitja med seboj vežemo.

Poznamo tri osnovne vezave trifaznih navitij:

- vezava zvezda (angl, star connection)

- vezava trikot (angl. delta connection)

- vezava lomljena zvezda (angl. zig zac connection)

Ločimo različno označbo vrste vezav primarnih in sekundarnih navitij. Velika črka predstavlja

tip vezave primarja, mala pa tip vezave sekundarja.

Vezava Primarna navitja Sekundarna navitja

Zvezda Y y

Trikot D d

Lomljena Zvezda Z z Tabela 1 - Označbe vezav primarnih in sekundarnih navitij

Imamo tudi poseben način označevanja priključnih sponk

primarja in sekundarja, ter začetkov in koncev primarnih in

sekundarnih navitij.

1U, 1V, 1W – priključne sponke primarnih navitij

2U, 2V, 2W – priključne sponke sekundarnih navitij

1U1, 1U2 – začetna in končna sponka primarnega navtija

prvega stebra

2U1, 2U2 – začetna in končna sponka sekundarnega

navitja prvega stebra

6.2.1) Vezava zvezda (Y)

Vezava Zvezda je prikazana na sliki, začetke faznih navitij pustimo proste za priključek linij na

sponkah 1U, 1V, 1W, konce navitij pa povežemo v zvezdišče.

Slika 25 - Vezava zvezda

Slika 24 - Označbe navitij trifaznega transformatorja

Napetost na posameznem navitju je fazna 𝑈𝑓 =𝑈

√3, tok skozi posamezno navitje pa je enak

linijskemu toku 𝐼.

Kazalčni diagram napetosti se nariše tako, da se postavimo v zvezdišče, in gremo enkrat v

smeri sponke 1U, enkrat v smeri sponke 1V in enkrat v smeri sponke 1W.

6.2.2) Vezava trikot (∆)

Vezava trikot je na sliki. Navitja so povezana tako, da začetek navitja ene veje povežemo s

koncem navitja druge veje.

Slika 26 - Vezava trikot

Napetost na posameznem navitju je medfazna 𝑈, tok skozi posamezno navitje pa pa za √3

manjši od linijskega 𝐼∆ =𝐼

√3. Torej, če povežemo enkrat na linijske priklope zvezdo, drugič pa

trikot (na istem jedru), bo v drugem primeru napetost pritisnjena na posamezno navitje za

faktor √3 večja , kar pomeni, da če hočemo ohranjati isti fluks (da ne preidemo v nasičenje

jedra), tudi za faktor √3 več ovojev (enačba 9).

Kazalčni diagram napetosti se nariše tako, da narišemo navidezni zvezdni kazalčni diagram.

Nato se postavimo na eno od priključnih sponk, npr. 1U. Da pridemo iz 1U do 1W se

pomaknemo v pozitivni smeri medfazne napetosti. Od tod se pomaknemo iz 1W v 1V ponovno

v pozitivni smeri medfazne napetosti in tako naprej.

6.2.3) Vezava lomljena zvezda (𝑍)

Vezava lomljena zvezda je na sliki. Navitja so vezana tako, da je polovica ovojev enega navitja

na enem stebru, druga polovica pa na drugem. Polovici sta vezani tako, da sta v »protistiku«,

torej zaporedno vendar v nasprotnih smereh.

Slika 27 - Vezava lomljena zvezda

Napetost posameznega navitja je je vsota dveh induciranih napetosti, ki nista v fazi.

Na sliki je narisan primer določitve napetosti 𝑈1𝑊, kjer 𝐸1, 𝐸2, 𝐸3 pomenijo inducirano napetost,

če bi bila navitja vezana v klasično vezavo zvezda.

Postavimo se v zvezdišče, da pridemo v sponko 1W, moramo iti v nasprotni smeri inducirane

napetosti −𝐸1

2, ter v pozitivni smeri inducirane napetosti

𝐸3

2.

Napetost na posameznih navitjih je tako:

𝑈1𝑊 = 2𝐸1

2cos(30°) = 0,866𝐸1

Če bi hoteli na posameznih navitjih v vezavi cik-cak imeti enako pritisnjeno napetost kot v

klasični zvezdi (da ohranjamo isti fluks kot pri zvezdi), potem morajo očitno navitja imeti za

faktor 1/0,866 = 1.154 več ovojev (enačba 9).

6.3) Vezne skupine transformatorjev

6.3.1) Glavne vezne skupine in razlaga vezne številke

Najvažnejše vezne skupine so prikazane na sliki:

Priporočene vezave in tudi najbolj pogoste so označene z rdečimi okvirji.

Zraven oznak posameznih vezav transformatorjev srečamo na koncu številko, npr. Dy11.

Številka nam pove, za kolikokrat po 30° zaostaja sekundarna napetost prve faze za primarno

napetostjo prve faze. Oziroma drugače povedano, ta številka nam pove, za koliko stopinj

sistem sekundarnih napetosti zaostaja za sistemom primarnih napetosti.

V praksi si inženirji za predstavo običajno uporabljajo model ure. Poglejmo si primer

kazalčnega diagrama napetosti za vezavo Dy11, na modelu ure.

Slika 28 - Primer uporabe modela ure za vezavo Dy11

6.3.2) Vezava zvezda – zvezda (Yy)

Pri tej vezavi sta primarno in sekundarno navitje povezana v vezavo zvezda. Na sekundarni

strani običajno ni nevtralnega vodnika, kar onemogoči priklop enofaznih bremen. Ta bremena

običajno povzročajo nesimetrično obremenitev transformatorja, vezava je torej namenjena

trifaznim simetričnim obremenitvam.

Primeri takih obremenitev so večji elektromotorji, zato tej vezavi običajno rečemo tudi

motorska vezava.

Ob simetrični obremenitvi transformatorja velja, da je vsota vseh tokov v zvezdiščših enaka

nič, to pomeni da skozi vsa navitja tečejo enaki tokovi 𝐼𝑓1 = 𝐼𝑓2 = 𝐼𝑓3, saj so vse faze

sekundarja enako obremenjene 𝑍𝑏1 = 𝑍𝑏2 = 𝑍𝑏3.

V kolikor faze niso enako obremenjene, ima vsaka faza tudi drugačen tok. To pomeni

navidezni premik ničlišča iz originalne lege, medfazne napetosti se ohranjajo, fazne se pa

spremenijo.

Slika 29 - Nesimetrična obremenitev

Nesimetrični tokovi ustvarijo sofazne magnetne pretoke, ki se ne zaključujejo po jedru, temveč

po kotli in olju transformatorja, kar povzroča izgube in posledično gretje transformatorja.

6.3.3) Vezava trikot-zvezda (Dy)

To je transformator, ki ima primarno navitje vezano v trikot, sekundarno pa v zvezdo z

nevtralnim vodnikom. Ta vezava tako omogoča tudi nesimetrične obremenitve, saj lahko

priklapljamo trifazne kot tudi enofazne porabnike.

Ko pride do nesimetrične obremenitve faz na sekundarni strani, steče tok skozi nevtralni

vodnik.

Temu toku držijo na primarni strani ravnovesno magnetno stanje tokovi, ki se pretakajo skozi

vezavo trikot. Ti tokovi ne povzročajo dodatnih induciranih napetosti, ne premika zvezdišča

kar pomeni da se fazne napetosti ohranjajo

Iz povedanega sledi, da se vsak transformator v tej vezavi lahko uporablja za napajanje

področij z nesimetrično obremenitvijo. Najpogostejša izvedba takih transformatorjev so

industrijski transformatorji ter tudi distribucijski transformatorji.

6.3.4) Vezava zvezda – trikot (Yd)

Transformatorji v tej vezavi se običajno uporabljajo ko želimo dvigniti napetost na zelo visok

nivo. To se rabi pri dvigih napetosti v elektrarnah, ko želimo električno energijo prenašati na

dolge razdalje s čim manj izgubami. Gradijo se za moči od 630 kVA do 1200 kVA. Če je na

primarni strani izvedeno zvezdišče, se le to uporablja izključno za ozemljitev preko

Petersenove tuljave, ki služi kot zaščita tokov zemeljskega stika.

6.3.5) Vezava zvezda-lomljena zvezda (Yz)

Funkcionalno je ta vezava podobna vezavi Dy in je torej primerna za napajanje področij z

nesimetrično obremenitvijo.

Od vezave Dy se razlikuje po tem, da se izravnava nesimetrične obremenitve vrši že kar na

sekundarni strani (pri Dy se je vršila na primarni).

Pri vezavah so prej omenili, da je pri vezavi lomljena zvezda vsako fazno navitje povito na dva

stebra (polovica ovojev na enem, polovica na drugem).

Zato tokovi, ki stečejo skozi nevtralni vodnik zaradi nesimetrične obremenitve, ne morejo

ustvariti svojih magnetnih pretokov. Ti tokovi tečejo po nasprotnih smereh po obeh polovičnih

navitjih enega stebra. Ker so to istofazni tokovi, se njihov učinek v vezavi lomljena zvezda

med seboj izniči.

Zaradi tega so te še bolj učinkoviti za napajanje podeželskih naselij (distribucijski

transformator), kjer je lahko odjem moči zelo nesimetričen in niha.

6.4) Paralelno obratovanje transformatorjev

Kadar moč enega transformatorja ni zadosti ali kadar hočemo imeti neko rezervo ter boljšo

zanesljivost v sistemu, potem vežemo dva ali več transformatorjev paralelno.

Slika 30 - Paralelno obratovanje dveh transformatorjev

Da smemo dva ali več transformatorjev vezati paralelno, morajo transformatorji izpolnjevati

naslednje pogoje:

1) Vsi transformatorji morajo imeti iste prestave, saj bi sicer zaradi različnih napetosti

pognala izničevalni tok preko transformatorjev.

2) Številke veznih skupin morajo biti enake, zaradi istih razlogov kot v prvi točki.

3) Nazivne moči transformatorjev so lahko največ v razmerju 3:1, saj bi sicer bil

manjši transformator preobremenjen. Idealno je, da sta moči enaki.

4) Kratkostične napetosti se smejo razlikovati največ za ±𝟏𝟎%, drugače se

obremenitev transformatorja porazdeli neenakomerno.

Velja omeniti tudi sledeče. Velja, da je posamezni transformator lahko kratkotrajno

obremenjen na 120% moči.

Če naselje napaja le en transformator, mora veljati, da je le ta trajno obremenjen pod 100%.

Če isto naselje napajata dva transformatorja, sme vsak od njiju biti obremenjen le 60%, zato

da je ob izpadu enega drugi zmožen pokriti vso njegovo moč in obratuje na 120%.

Če isto naselje napajajo trije transformatorji, sme vsak obratovati na 80%, zato da ob izpadu

enega se ta moč porazdeli po ostalih dveh in obratujeta na 120%.

Če isto naselje napajajo štirje transformatorji, sme vsak obratovati na 90%, zato da ob izpadu

enega se ta moč porazdeli po ostalih treh in obratujejo na 120% in tako naprej.

To storimo zato, da ob izpadu enega transformatorja ne izpadejo tudi vsi ostali.

7) Segrevanje in hlajenje transformatorjev

Kot smo že ugotovili, se pri obratovanju transformatorjev pojavljajo izgube. Te izgube

povzročajo gretje transformatorja, zaradi česar narašča temperatura. Običajno govorimo o

nadtemperaturi, to je sprememba temperature, ki jo povzročijo izgube glede na ambientno

temperaturo.

Slika 31 - Krivulja segrevanja (levo) in krivulja hlajenja (desno)

Pri čemer tukaj naredimo veliko predpostavko ob obravnavamo transformator ko togo telo, po

katerem je temperatura enakomerno razporejena, čeprav v realnosti temu ni tako.

Temperatura močno vpliva na življenjsko dobo izolacije, zato je transformatorje potrebno

nujno hladiti. Toploto odvajamo s hladilnimi sredstvi, običajno z zrakom, oljem ali pa

kombinacijo obeh.

7.1) Suhi transformatorji

Ta tip transformatorja odvaja toplotno direktno preko zraka. Te izvedbe se uporabljajo za

transformatorje manjših moči (do 200kVA). Njihova značilnost je, da ne rabijo pogostega

vzdrževanja kot oljni transformatorji. Posledično so tudi cenejši. Tudi ni nevarnosti izpusta

toksičnih plinov ter požarov. So pa občutljivi na umazanijo, vlago, prah, saj so navitja

izpostavljana zraku, čeprav so v zaščitnem ohišju. Te transformatorji so zelo primerni za

napajanje šol, zdravstvenih domov, tovarn in naselij.

Slika 32 - Sestavni deli suhega transformatorja

7.2) Oljni transformatorji

Ta tip transformatorja odvaja toploto preko olja. Jedro in navitja so v kotlu zalita z oljem.

Običajno so na kotel nameščena tudi hladilna rebra, ki pomagajo pri hlajenju olja. Pri hlajenju

imamo opcije kombinacije hlajenja z oljem in zrakom:

- Naravno hlajenje

- Naravno hlajenje + prisilni obtok zraka skozi hladilna rebra (ventilatorji)

- Hlajenje s prisilnim obtokom olja (črpalke), ki ga gladimo s prisilnim obtokom zraka

skozi hladilna rebra (ventilatorji)

- Hlajenje s prisilnim obtokom olja (črpalke), ki ga hladimo z vodo

Slika 33 - Hlajenje s prisilnim obtokom olja + zrak (levo); hlajenje s prisilnim obtokom olja + voda (desno)

Slika 34 - Sestavni deli oljnega transformatorja

Transformatorski kotel

Lahko je iz ravne pločevine (do 30 kVA), rebraste pločevine (do 250 kVA), z dodanimi

hladilnimi radiatorji ali cevmi (do 30 MVA), z dodatnimi hladilniki s hladno vodo (nad 30 MVA).

Transformatorsko olje

Pri večini transformatorjev zapolnimo prostor v kotlu s transformatorskim oljem, ki je

mineralnega izvora. Olje uporabimo, ker ima dve zelo dobri lastnosti:

- ima veliko električno prebojno trdnost in je zato dober izolator,

- ima veliko specifično toploto in je zato dobro hladilno sredstvo.

Med obratovanjem se olje napija z vlago, v njega prihajajo nečistoče, zato njegove

dobre lastnosti upadajo. Olje moramo regenerirati s filtriranjem, centrifugiranjem in

segrevanjem pri 105 °C.

V olju se dogajajo kemične spremembe znane pod imenom staranje olja. To se dogaja

tem hitreje, čim višja je obratovalna temperatura. Zaradi procesa staranja je potrebno

olje po določenem času zamenjati.

Konzervator z zračno odprtino

To je valjasta posoda, ki ima prostornino 1/10 prostornine kotla in je nameščen nad

kotlom. Konzervator omogoča, da se olje lahko razteza in ne ustvarja vakuma. Prav tako služi

kot zaloga rezervnega olja, ter loči olje v kotlu od zunanjega zraka. Imeti ga mora vsak

transformator moči nad 50 kVA.

- Zračna odprtina pri majhnih transformatorjih

Na vrhu konzervatorja je odprtina, ki služi za dolivanje olja v

transformatorski kotel, kot tudi zračenje, da ne prihaja do

vakuma.

V tem primeru pride z zrakom v olje tudi vlaga, ki se zbira na

dnu konzervatorja in jo moramo od časa do časa spuščati s

posebnim ventilom na prosto.

Da vlaga ne bi prišla v kotel, mora cev, ki povezuje konzervator

s kotlom segati nekaj cm nad dnom konzervatorja.

Slika 35 - Konzervator

- Zračna odprtina pri velikih transformatorjih

Pri transformatorjih se pri zračni odprtini

uporablja še dodatni filter vlage oz. sušilec

zraka, kot prikazano na sliki. To je steklena

posoda v kateri je nameščena snov, ki vpija

toploto - silica gel. Ko je ta suh je modre barve,

z vpijanjem vlage postaja roza barve, kar pomeni

da ga je potrebno zamenjati.

Oljekaz

Nameščen je v konzervatorju in rabi za kontrolo količine olja v njem. Vsaka izvedba

oljekaza mora imeti jasno označen zgornji in spodnji nivo olja. Ko transformator dela

pod nazivno obremenitvijo, mora biti nivo olja vedno med obema skrajnima nivojema.

Eksplozijski ventil

V primeru nastanka kratkega stika v transformatorju in zatajitve zaščite, bi nastal velik

pritisk znotraj kotla. Nevarnost bi bila še zlasti izrazita pri transformatorjih moči nad

1000 kVA, zato se v transformatorje nad to moč vgrajujejo eksplozijski ventili.

Eksplozijski ventil predstavlja jeklena cev, ki je s spodnjim koncem spojena s kotlom

in konzervatorjem, na zgornjem koncu pa je cev zaprta s kovinsko membrano. Pri

prevelikem pritisku kovinska membrana poči in olje lahko izteče iz kotla.

Kontaktni termometer

Nameščen je v žepu, ki je na pokrovu transformatorskega kotla. Kontaktni termometer

kontrolira temperaturo olja v transformatorskem kotlu. Če se olje preveč segreje,

kontaktni termometer javi napako z alarmiranjem in po potrebi povzroči samodejni

izklop obratovanja transformatorja.

Skoznjiki

Skoznjiki so izolatorji, ki preprečujejo stik dovodnih in izvodnih vodov transformatorja z

ohišjem. Skoznjiki nam torej omogočajo, da z vodniki pridemo v notranjost ohišja

transformatorja na navitja brez preboja.

Slika 36 - Silica gel za konzervator

Radiatorji

Z radiatorji povečujemo hladilno površino olja, kar omogoča učinkovitejše hlajenje.

Ventil za izpuščanje olja

Nameščen je na steni na dnu transformatorskega kotla. Rabi za izpuščanje olja pri praznjenju

kotla zaradi popravila transformatorja, menjave olja ali drugih razlogov.

Kolesa in tračnice

Vsi transformatorji moči nad 50 kVA morajo imeti lastna kolesa, da jih lahko premikamo po

tračnicah. Ob remontu je potrebno transformator odpeljati v remontno delavnico, zato je

potrebno zagotoviti tračnice, po katerih pripeljemo transformator do vozila, kamor ga

naložimo.

Med normalnim obratovanjem transformatorja morajo biti seveda kolesa blokirana, da se

transformator med obratovanjem ne premika.

Jama z gramozom

Pod transformatorji večjih moči je betonirana jama, ki je napolnjena z drobnim

kamenjem. Če bi transformatorska zaščita ob okvari zatajila, bi goreče olje iztekalo v

okolico in bi gorelo na veliki površini, kar bi pomenilo potencialno veliko škodo. Če pa smo

konstruirali to jamo, lahko ob napaki olje izpustimo v oljno jamo, kjer se požar med kamenjem

zaduši.

Slika 37 - Trifazni oljno hlajen transformator

8) Vprašanja

8.1) Kako vezna skupina transformatorja vpliva na ceno izvedbe transformatorja?

Najcenejši bo transformator, ki potrebuje najmanj vgrajenega materiala. To je Yy0 ali Yy6.

(Yy vs Yz)

V primerjavi z vezno skupino Yy0 ima transformator Yz5 ali Yz11 nizkonapetostno navitje v

cik-cak vezavi, kjer smo v poglavju 6.2.3) ugotovili, da to navitje potrebuje 15,4% več ovojev,

kar pomeni 15,4% več bakrene žice. Zaradi tega se bodo morali tudi nekoliko povečati jedro,

da bomo spravili več navitja nanj (ne po preseku). Visokonapetostno navitje Y je pri obeh

enako. Tako se da oceniti, da je izvedba Yz za 7.5% dražja od Yy.

(Yy vs Dy)

V primerjavi z vezno skupino Yy0 ima transformator Dy5 in Dy11 visokonapetostna navitja na

√3 večji napetosti, kar pomeni tudi za √3 več ovojev in več izolacije med njimi (poglavje 6.2.2).

Skozi posamezna navitja teče za √3 manjši tok, kar pa sicer pomeni za √3 manjši prerez

vodnikov.

Izkaže se, da se transformatorji Dy istih moči večji in dražji za izvedbo.

(Dy vs Yz)

Oba tipa transformatorjev Dy in Yz sta dražja od Yy izvedbe. Kadar moramo uporabiti enega

izmed, se odločimo za cenejšega. Izkaže se, da so transformatorji Yz cenovno ugodnejši pri

izvedbah manjših moči (do 500kVA), transformatorji Dy pa pri izvedbah večjih moči (nad

500kVA).

8.2) Kaj je napetostnik in kaj tokovnik?

Napetostnik in tokovnik sta posebna tipa merilnih transformatorjev. Uporabljamo ju za

merjenje velikih izmeničnih napetosti in tokov v prenosnem in distribucijskem omrežju. Takšne

napetosti in tokove ne moremo direktno meriti z voltmetri in ampermetri, saj so preveliki.

Z napetostnikom preko prestave znižamo na tako vrednost, da jo je zmožno izmeriti s

klasičnim merilnim instrumentom.

𝑈𝑠𝑖𝑛 𝐼𝑠 sta veličini, ki jih dejansko merimo z voltmetrom in ampermetrom. Hočemo, da sta čim

manjši.

Za napetostnik velja:

𝑈𝑝 = 𝐾𝑢𝑈𝑠

Kjer mora biti 𝐾𝑢 =𝑁𝑝

𝑁𝑠⁄ velik, torej mora biti 𝑁𝑠 majhen, da bo napetost 𝑈𝑠 majhna.

Za tokovnik velja:

𝐼𝑝 = 𝐾𝑖𝐼𝑠

Kjer mora biti 𝐾𝑖 =𝑁𝑠

𝑁𝑝⁄ velik, torej mora biti 𝑁𝑠 velik, da bo tok 𝐼𝑠 majhen.

V realnosti imajo tokovniki in napetostniki pogreške zaradi določene napake v prestavi (ne

poznamo čisto točne prestave) ter izgub v samih merilnikih.

8.3) Kako ščitimo olje v oljnem transformatorju pred pregrevanjem

V ta namen se uporablja tako imenovan Bucholzov rele.

Nahaja se v cevi, ki povezuje kotel s konzervatorjem. Deluje kot zaščita pri okvarah oljnih

transformatorjev in ima dve stopnji zaščite.

Če pride v notranjosti kotla do okvare (kratek stik, preboj), pride do hitrega segrevanja olja,

kar pomeni, da se olje razteza in da bo v

konzervator steklo olje z neko hitrostjo. Če je ta

hitrost prevelika, se odkloni mehanizem kar

povzroči proženje 1. stikala.

Pri notranjih oblokih pride tudi do kvarjenja olja,

to je proces pri katerem se olje razkraja,

stranski produkt so plini. Te plini so lažji od olja

in potujejo proti vrhu in se ujamejo na vrh releja,

kar potisne nivo olja v releju navzdol.

Posledično tudi nivo plovca pade. Če plovec

pade pod nek nivo, se proži stikalo 2.

Slabost Bucholzovega je ta, da je občutljiv na zunanje vibracije (npr. potresi).

9) Naloga – določitev parametrov trifaznega transformatorja

Na trifaznem transformatorju z nazivnimi podatki: Yyn6, 𝑆𝑛 = 160 kVA, 𝑈1𝑛 = 21 kV, 𝑈2𝑛 = 0,42

kV, 𝑓𝑛 = 50 Hz, smo opravili naslednje meritve:

– upornost med sponkami primarja: 𝑅1𝑈−1𝑉 = 𝑅1𝑈−1𝑊 = 𝑅1𝑉−1𝑊= 40 Ω;

– moč prostega teka: 𝑃0 = 300 W

– moč kratkega stika: 𝑃𝑘 = 2340 W, 𝑢𝑘 = 4 %.

Izračunajmo vse elemente nadomestnega modela transformatorja.

a) nazivni primarni tok transformatorja 𝑰𝟏𝒏

Nazivni primarni tok se izračuna s pomočjo nazivne navidezne moči in nazivne primarne

napetosti.

𝐼1𝑛 = 𝑆𝑛

√3𝑈1𝑛

=160𝑘𝑉𝐴

√3 ∙ 21𝑘𝑉= 4,4 𝐴

b) vrednost elementa 𝑹𝟎

Vsa moč, ki se v prostem teku troši na transformatorju se troši na elementu 3𝑅0, ki predstavlja

izgube v jedru. Reševanja se lotimo tako, da trifazni transformator predstavimo s tremi

enofaznimi. 𝑅0 je določen za enofazni model in se torej na njem troši le tretjina moči prostega

teka. Prav tako moramo upoštevati dejstvo, da posledično gre pri izračunu tudi za enofazno

napetost in ne medfazno, ki je podana.

𝑃𝐹𝑒

3=

𝑃0

3=

(𝑈0

√3)2

𝑅0

Odtod se izraz poenostavi in izrazimo 𝑅0:

𝑅0 = 𝑈0

2

𝑃0=

(21𝑘𝑉)²

300 𝑊= 1,47 𝑀𝛺

c) vrednost elementov 𝑹𝟏, 𝑹𝟐′

Upornosti primarnega in sekundarnega navitja predstavljata elementa R1 in R2' v

nadomestnem vezju transformatorja. Tudi tu bomo izhajali iz preizkusa kratkega stika,

kjer velja, da se vsa moč kratkega stika troši na elementih 3R1 in 3R2', ki predstavljata

izgube v bakru navitij. Sledi, da se tretjina moči kratkega stika troši na elementih R1 in

R2'.

𝑃𝐶𝑢

3=

𝑃𝑘

3= 𝑅𝑘𝐼𝑘²

Odtod izpostavimo izraz za 𝑅𝑘, kjer tudi upoštevamo, da je tok pri preizkusu kratkega stika

𝐼𝑘 = 𝐼1𝑛:

𝑅𝑘 = 𝑃𝑘

3𝐼𝑘²=

2340𝑊

3 ∙ (4,4𝐴)²= 40,3 𝛺

Ker je transformator na primarju vezan v zvezdo, predstavlja izmerjena upornost med

sponkami polovico posameznega navitja.

𝑅1 =𝑅1𝑈−1𝑊

2= 20 𝛺

Tako lahko poiščemo še 𝑅2′:

𝑅2′ = 𝑅𝑘 − 𝑅1 = 20,3 𝛺

d) vrednost elementov 𝑿𝟏, 𝑿𝟐′

Vrednosti 𝑋1 𝑖𝑛 𝑋2′ bomo določili s pomočjo jalove moči kratkega stika.

Pri preizkusu kratkega stika je tok enak nazivnemu (Ik = In), tako da lahko izračunamo najprej

navidezno moč kratkega stika:

𝑆𝑘 = √3𝑈𝑘𝐼𝑘 = √3(𝑢𝑘𝑈1𝑛)𝐼𝑘 = √3 ∙ (0.04 ∙ 21𝑘𝑉) ∙ 4,4𝐴 = 6,4𝑘𝑉𝐴

Odtod izračunajmo jalovo moč kratkega stika:

𝑄𝑘 = √𝑆𝑘2 − 𝑃𝑘

2 = √(6,4𝑘𝑉𝐴)² − (2340𝑊)² = 5957 𝑉𝐴𝑟

Na kratkostični reaktanci se troši tretjina jalove moči kratkega stika, tako izračunamo 𝑋𝑘:

𝑋𝑘 =𝑄𝑘

3 ∙ 𝐼𝑘²=

5957 𝑉𝐴𝑟

3 ∙ (4,4𝐴)²= 102 𝛺

Kratkostična reaktanca je vsota primarne in sekundarne stresane reaktance in ker boljše

delitve ne poznamo, največkrat kratkostično reaktanco kar razpolovimo in dobimo stresano

reaktanco:

𝑋1 = 𝑋2′ =

𝑋𝑘

2= 51,5𝛺

e) Izračun elementa 𝑿𝟎

Za izračun tega elementa nimamo zadosti podatkov. Tako kot smo imeli pri preizkusu kratkega

stika podano kratkostično napetost, bi pri preizkusu prostega teka potrebovali vrednost toka

prostega teka 𝐼0. Za izračun elementa 𝑋0 bi torej pri preizusu prostega teka morali pomeriti

še tok prostega teka 𝐼0.