Industriële transformatoren: droog type versus olietype. Efficiëntie en harmonische vervormingen

1. Inleiding: De uitdaging van betrouwbaarheid en functionaliteit van transformatoren

Industriële transformatoren zijn cruciale componenten van elektrische systemen en zorgen voor spanningsconversie naar energieproductieapparatuur. Hun soepele werking vormt de basis van de betrouwbaarheid en efficiëntie van technologische processen. De keuze tussen droge transformatoren en olietransformatoren, evenals de overweging van hun efficiëntie en het effect van harmonische vervorming, heeft een directe impact op de bedrijfskosten, veiligheid en duurzaamheid van de apparatuur. Een onjuiste selectie of onvoldoende onderhoud kan leiden tot aanzienlijke financiële verliezen als gevolg van stilstand, schade aan apparatuur en een hoog stroomverbruik. Voor Oekraïense industriële ondernemingen die onder moeilijke bedrijfsomstandigheden werken en streven naar optimalisatie, is het begrijpen van deze aspecten een topprioriteit.

2. Fundamentele werkingsprincipes van transformatoren

Een transformator is een statisch elektrisch apparaat dat, met behulp van elektromagnetische inductie, elektrische energie van de ene wisselstroomspanning omzet in elektrische energie van een andere wisselstroomspanning met dezelfde frequentie. De belangrijkste componenten zijn een magnetische draad (kern) en twee of meer wikkelingen, elektrisch geïsoleerd van elkaar, maar magnetisch verbonden. Wanneer een wisselspanning wordt aangelegd op de primaire wikkeling, ontstaat er een wisselende magnetische flux in de kern, die een elektromotorische kracht (EMF) induceert in de secundaire wikkeling, evenredig aan het aantal windingen. De transformatiecoëfficiënt K = N1/N2 = U1/U2, waarbij N het aantal windingen is, U de spanning is.

2.1. Droge transformatoren

Droge transformatoren gebruiken lucht of een vast diëlektricum (zoals epoxyhars) als isolatie- en koelmedium. Wikkelingen zijn meestal gemaakt van koper of aluminium en kunnen volledig van giethars zijn (Cast Resin Dry-Type, CRT) of geïmpregneerd met vernis (Vacuum Pressure Impregnated, VPI). De afwezigheid van vloeistof vermindert het risico op brand en lekkage.

2.2. Olie-transformatoren

Olietransformatoren gebruiken minerale of synthetische isolatieolie, die tegelijkertijd dient als diëlektricum en als effectief koelmedium. De wikkelingen en kern worden ondergedompeld in olie in een afgesloten tank of een tank met expansievat. De olie verwijdert de warmte uit de wikkelingen en isoleert ze van de geaarde delen van de tank.

3. Technische kenmerken en normen

De keuze van de transformator is gebaseerd op een uitgebreide analyse van technische parameters die worden gereguleerd door internationale en nationale normen.

3.1. Droge transformatoren

• Isolatie: Isolatieklassen (F, H) bepalen de maximaal toegestane temperatuur van de wikkelingen. Klasse F (155°C), Klasse H (180°C). De doorschiettemperatuur van de wikkelingen bedraagt doorgaans niet meer dan 100-115°C voor klasse F en 125-140°C voor klasse H.
• Beschermingsgraad: IP00 (zonder beschermkap), IP21 (tegen waterdruppels en vaste deeltjes >12,5 mm), IP23, IP31. Bescherming tegen invloeden van buitenaf volgens IEC 60529 / DSTU EN 60529.
• Milieuvriendelijk: Laag risico op besmetting.
• Normen: IEC 60076-11 / DSTU EN 60076-11 (stroom transformatoren Deel 11: Droge transformatoren).

3.2. Olie-transformatoren

• Isolatieolie: Minerale olie (bijv. transformatorolie volgens IEC 60296) of synthetische diëlektrische vloeistoffen (bijv. esters). De ontbrandingstemperatuur van minerale olie is doorgaans hoger dan 140°C, het vlampunt hoger dan 170°C.
• Koeling: ONAN (natuurlijke luchtkoeling met natuurlijke oliecirculatie), ONAF (natuurlijke luchtkoeling met geforceerde luchtcirculatie en natuurlijke oliecirculatie).
• Expansiesystemen: Met expansievat of afgedicht.
• Normen: IEC 60076-1 / DSTU EN 60076-1 (Vermogenstransformatoren. Onderdeel 1: Algemene bepalingen).

3.3. Efficiëntie

Het transformatorrendement (η) wordt gedefinieerd als de verhouding tussen het uitgangsvermogen en het ingangsvermogen, uitgedrukt als een percentage. η = (Pruil / Pin) * 100%. Vermogensverliezen bestaan uit:

• Nullastverliezen (P₀): Verliezen in de kern (door hermagnetisatie en wervelstromen). Meestal 0,1-0,3% van het nominale vermogen.
• Kortsluitverliezen (P_k): Verliezen in wikkelingen (koper) als gevolg van ohmse weerstand en wervelstromen. Hangt af van de belasting (evenredig met het kwadraat van de belastingsstroom). Meestal 1,5-3,0% van het nominale vermogen bij volledige belasting.

Moderne transformatoren hebben een rendement van 97-99,5%. EN 50588-1 / ДСТУ EN 50588-1 stelt energie-efficiëntieklassen vast, zoals A0, Ak voor droge en N0, Nk voor olietransformatoren die het niveau van de verliezen aangeven. Dit is van cruciaal belang voor het minimaliseren van de bedrijfskosten gedurende de gehele levenscyclus.

3.4. Harmonische vervormingen

Harmonische vervormingen worden veroorzaakt door niet-lineaire belastingen in het netwerk (bijvoorbeeld frequentieomvormers, ononderbroken stroomvoorzieningen, LED-verlichting, inductieovens). Deze vervormingen creëren stromen en spanningen die veelvouden zijn van de hoofdfrequentie (50 Hz in Oekraïne). Harmonische stromen stromen door de transformatorwikkelingen, waardoor de warmteverliezen (vooral wervelstromen) toenemen en extra mechanische belastingen worden veroorzaakt. Dit kan leiden tot:

• Oververhitting van de wikkelingen en de kern, waardoor de levensduur van de isolatie wordt verkort.
• Vermindering van de efficiëntie van de transformator.
• Resonantieverschijnselen in het netwerk.
• Valse bescherming.

Voor systemen met een hoog gehalte aan harmonischen worden transformatoren met een speciaal ontwerp gebruikt, bijvoorbeeld K-factor transformatoren (IEEE C57.110), die zijn ontworpen om te werken met niet-lineaire belastingen. K-factor van 1 tot 50 geeft het vermogen van de transformator aan om extra verliezen door harmonischen te weerstaan.

4. Selectie- en berekeningsgids

Voor een optimale selectie van een transformator moet rekening worden gehouden met de bedrijfsomstandigheden, het type belasting en economische indicatoren.

4.1. Selectiefactoren

• Bedrijfsomgeving: temperatuur, vochtigheid, vervuiling, hoogte (verandering in diëlektrische sterkte van lucht). Voor agressieve omgevingen of ruimtes met een hoog brandgevaar (bijvoorbeeld houtbewerkingswinkels, mijnen) verdienen droge transformatoren de voorkeur.
• Type belasting: Standaardtransformatoren zijn geschikt voor lineaire belastingen. Voor niet-lineaire belastingen met een THD_I (totale harmonische vervorming van de stroom) groter dan 5-10% moeten transformatoren met K-factor worden overwogen.
• Veiligheidseisen: Droge transformatoren zijn zelfdovend en stoten geen giftige gassen uit, waardoor ze ideaal zijn voor ziekenhuizen, winkelcentra, kantoren en metro's.
• Kosten: De initiële investering voor droge transformatoren kan hoger zijn, maar hun bedrijfskosten (vanwege minder onderhoud en geen olie) zijn doorgaans lager.
• Geluidsniveau: Droge transformatoren hebben in de regel een lager geluidsniveau (5-10 dB) vergeleken met olietransformatoren, wat belangrijk is voor objecten met hogere akoestische eisen.

4.2. Vermogensberekening

Het nominale vermogen van de transformator Snom moet groter zijn dan het maximaal berekende vermogen van de belasting Srz, rekening houdend met de reservefactor van 1,1-1,2.

Bij belastingen met harmonische vervormingen moet rekening worden gehouden met extra verliezen. De equivalente belastingsstroom, die dezelfde verwarming produceert als een niet-sinusvormige stroom, wordt als volgt berekend:

Iequ = √(I12 + Σh=2H (Ih2 * h2)), waarbij I1 de fundamentele frequentiestroom is, Ih is de harmonische orde huidige h.

Of met de K-factor: Sk = Snom / (1 + K * THDI2) (ruwe schatting).

5. Beste praktijken voor installatie en inbedrijfstelling

Een correcte installatie en inbedrijfstelling is de sleutel tot een langdurig en veilig gebruik van de transformator.

5.1. Bereiding van de Maidanchik

• Fundering: Sterk, gelijkmatig, bestand tegen het gewicht van de transformator, rekening houdend met dynamische belastingen.
• Ventilatie: Adequate natuurlijke of geforceerde ventilatie voor warmteafvoer is van cruciaal belang voor droge transformatoren. De temperatuur in de kamer mag niet hoger zijn dan 40°C.
• Afstanden: Naleving van de minimale afstanden tot muren, andere apparatuur en servicedoorgangen volgens PUE en de instructies van de fabrikant.
• Aarding: Betrouwbaar aardingssysteem (beschermend en werkend) volgens ДСТУ EN 50522 (IEC 61936-1) voor het garanderen van de veiligheid van personeel en apparatuur.

5.2. Elektrische aansluitingen

• Kabels: Keuze van de kabeldoorsnede op basis van nominale stromen en toegestane spanningsverliezen. Toepassing van flexibele verbindingen om thermische uitzetting te compenseren.
• Verbinding: Fasering, waarbij de volgorde van de fasen wordt waargenomen (bijvoorbeeld L1, L2, L3). Polariteitscontrole.
• Aanhalen: Alle contactverbindingen moeten worden vastgedraaid met het gespecificeerde koppel om oververhitting te voorkomen.

5.3. Controles vóór inschakeling

• Meting van isolatieweerstand: Met behulp van een megohmmeter (bijv. 2500V) tussen wikkelingen, wikkelingen en aarde. De waarden moeten voldoen aan de normen en standaarden van de fabrikant (bijvoorbeeld minimaal 100 MΩ voor nieuwe transformatoren).
• De transformatiecoëfficiënt controleren: Met behulp van speciale apparaten. De afwijking mag niet groter zijn dan ±0,5% voor de overeenkomstige soldeersels.
• Verificatie van de wikkelingsverbindingsgroep: Voor driefasige transformatoren.
• Beveiligingen: Controle van de instellingen en functionaliteit van relaisbeveiliging en automatisering.
• Olie (voor olieachtig): Niveaucontrole, gebrek aan lucht in de expander. Oliemonstername voor analyse (diëlektrische sterkte, vochtgehalte).

6. Foutmodi en analyse van de hoofdoorzaken

Als u typische storingen begrijpt, kunt u deze tijdig voorkomen en elimineren.

6.1. Typische storingen van droge transformatoren

• Oververhitting van de wikkelingen: De belangrijkste reden is overbelasting, onvoldoende ventilatie, hoge omgevingstemperatuur of overmatige harmonische inhoud. Visueel - een verandering in de kleur van de isolatie, het uiterlijk van de geur van verbrande isolatie.
• Verslechtering van de isolatie: Langdurige blootstelling aan hoge temperaturen, mechanische schade, blootstelling aan agressieve chemicaliën.
• Schade aan wikkelingen: Kortsluiting, overspanning (onweer, commutatie), mechanische trillingen.
• Samengestelde kraken (voor CRT's): Onder snelle temperatuurveranderingen of cyclische belastingen, waardoor een pad ontstaat voor gedeeltelijke ontladingen.

6.2. Typische mislukkingen van olietransformatoren

• Afbraak van isolatieolie: Afname van de diëlektrische sterkte als gevolg van het watergehalte, verouderingsproducten en mechanische onzuiverheden. Leidt tot overlapping van isolatie.
• Gedeeltelijke ontladingen en defecten aan de isolatie: Veroorzaakt door verouderde isolatie, lokale defecten, hoge elektrische velden, overspanningen.
• Olielekkages: Door lekkende lasnaden, afdichtingen. Een laag oliepeil leidt tot oververhitting en risico op defecten.
• Invoerschade: Mechanische schade, oppervlakteverontreiniging, veroudering van porselein of polymeermateriaal. Visueel - scheuren, sporen van de kroon.
• Oververhitting van de wikkelingen/kern: Overbelasting, dichtslibben van de koelkanalen, storing van het koelsysteem (voor ONAF), hoge harmonischen.

6.3. Harmonische weigeringen

Harmonische stromen veroorzaken extra verliezen in de kern en wikkelingen, vooral bij koper (wervelstromen). Dit leidt tot lokale oververhitting, zelfs als de totale belastingsstroom de nominale stroom niet overschrijdt. De belangrijkste reden is dat er bij de keuze van een transformator voor niet-lineaire belastingen geen rekening wordt gehouden met de K-factor.

7. Voorspellend onderhoud en conditiebewaking

De implementatie van voorspellende onderhoudssystemen maakt het mogelijk om de eerste stadia van defecten te identificeren en noodstoringen te voorkomen.

7.1. Monitoring van droge transformatoren

• Thermografie: Regelmatige thermische beeldcontrole (bijvoorbeeld eens in de zes maanden) met behulp van een warmtebeeldcamera om oververhitting van contacten, wikkelingen en banden te detecteren. Een temperatuurverschil van maximaal 10-15°C ten opzichte van normaal is toegestaan.
• Bewaking van gedeeltelijke ontlading (PD): PD-metingen kunnen defecten in de wikkelingsisolatie of -verbinding aangeven. Er wordt gebruik gemaakt van akoestische sensoren of hoogfrequente stroomtransformatoren.
• Meting van de wikkelingstemperatuur: Installatie van PT100- of PT1000-sensoren voor continue temperatuurbewaking en alarmactivering wanneer de ingestelde drempels worden overschreden.
• Visuele inspectie: Inspectie op de aanwezigheid van stof, vuil, barsten van de compound. Regelmatige schoonmaak (bijvoorbeeld één keer per jaar).

7.2. Monitoring van olietransformatoren

• Opgeloste gaschromatografische analyse (DGA): De belangrijkste diagnostische methode. Analyse van gassen (H₂, CH₄, C₂H₆, C₂H₄, C₂H₂, CO, CO₂) in olie maakt het mogelijk het type defect te bepalen (gedeeltelijke ontladingen, boogontladingen, thermische schade aan de wikkelingen of de kern). Het wordt jaarlijks uitgevoerd of vaker als dit wordt vermoed.
• Fysisch-chemische analyse van olie: Meting van diëlektrische sterkte, zuurgetal, watergehalte, diëlektrische verlieshoektangens (tgδ). Bepaalt de mate van olieveroudering en vervuiling.
• Meting van de raaklijn van de diëlektrische verlieshoek (tgδ) van de isolatie: Voor wikkelingen en ingang. Detecteert vocht en isolatieveroudering.
• Oliepeil- en temperatuurbewaking: Constante controle met behulp van sensoren.
• Thermografie: vergelijkbaar met droge transformatoren, om oververhitting van contacten, ingangen en radiatoren te detecteren.

7.3. Harmonische monitoring

Gebruik van Power Quality Analyzers om de totale harmonische vervormingscoëfficiënt van spanning (THD_U) en stroom (THD_I) te meten. Deze gegevens maken het mogelijk om het niveau van de harmonische vervuiling van het netwerk en de potentiële impact ervan op de transformator in te schatten. Regelmatige monitoring (bijvoorbeeld één keer per kwartaal) maakt het mogelijk om tijdig te reageren op veranderingen in de belasting.

8. Alternatieve vergelijkingsmatrix

De keuze voor een bepaald type transformator hangt af van de balans tussen eisen op het gebied van veiligheid, betrouwbaarheid, efficiëntie en kosten.

9. Conclusie

De selectie van transformatoren is een technische beslissing die een grondig begrip vereist van de operationele vereisten, omgevingsomstandigheden, belastingskarakteristieken en economische implicaties op de lange termijn. Droge transformatoren bieden een hoge brandveiligheid en lage bedrijfskosten, terwijl olietransformatoren een hoge betrouwbaarheid bieden voor grote capaciteiten en installatie buitenshuis. In de hedendaagse industriële omgeving, waar niet-lineaire belastingen steeds vaker voorkomen, is het overwegen van harmonische vervorming en de selectie van K-factor-transformatoren van cruciaal belang om duurzaamheid en efficiëntie te garanderen. UNITEC-D GmbH is een betrouwbare leverancier van transformatoren, kabelproducten en aanverwante apparatuur die voldoet aan de hoogste kwaliteits- en veiligheidsnormen, waaronder CE- en UkrSEPRO-certificaten.

Voor een meer gedetailleerde introductie van het productassortiment en de technische kenmerken kunt u onze UNITEC-D elektronische catalogus bezoeken.

10. Koppelingen

1. IEC 60076-1. Vermogenstransformatoren – Deel 1: Algemeen.
2. IEC 60076-11. Vermogenstransformatoren – Deel 11: Droge transformatoren.
3. EN 50588-1. Middelgrote vermogenstransformatoren 50 Hz, met de hoogste spanning voor apparatuur van maximaal 36 kV – Deel 1: Algemene eisen.
4. IEEE C57.110. IEEE Aanbevolen praktijk voor het tot stand brengen van vloeistofgevulde en droge stroom- en distributietransformatorcapaciteiten bij het leveren van niet-sinusoïdale belastingsstromen.
5. DSTU EN 50522. Aarding van voedingsinstallaties met een nominale spanning van meer dan 1 kV wisselstroom.