Vermogenstransformatorwikkeling

Een vermogenstransformatorwikkeling is een spoel, toegepast in vermogenstransformatoren, gewikkeld met geïsoleerde koperdraad op een wikkelcilinder en voorzien van spacers voor de oliestroming in de wikkeling en de isolatie tussen de schijven. De wikkeling is afgewerkt met een steun en isolatiestructuur.

Een vermogenstransformatorwikkeling gemonteerd in de trafo. De bovenste jukbalk en de steunblokken zijn duidelijk herkenbaar. De afleidingen van de regelwikkeling aan de buitenkant zijn nog niet gekoppeld

Bouw van een vermogenstransformatorwikkeling

Voorbereiding van de wikkeling

Een vermogenstransformatorwikkeling wordt steeds gewikkeld op een wikkelcilinder; een ca. 5mm dikke plaat van presspahn die geweld wordt, afgeschuind en gekleefd zodat een stevige cilinder ontstaat. Op de wikkelcilinder worden presspahn latjes gekleefd waarop de dwarsspieën geschoven worden bij het wikkelen.

De wikkeldraad

De wikkeldraad is gemaakt van elektrolytisch koper en geïsoleerd met vernis (lak), papier of kunststof zoals NOMEX. De wikkeldraad kan een enkele geleider zijn: de vlakdraad, of een dubbele geleider: de twin, of een geslagen kabel: de CTC draad (circular transposed cable). Wikkeldraad in vermogenstransformatoren is steeds vlak. Ook kan gewikkeld worden met meerdere draden parallel om grotere stromen te kunnen voeren. Voor een regelwikkeling wordt steeds met zoveel draden gewikkeld als er aftakkingen zijn. De isolatie zoals papier (cellulose), NOMEX of lak zal de maximum temperatuur van de wikkeling bepalen of met andere woorden de isolatieklasse. Zo is het normale cellulose isolatiepapier berekend voor een gebruik op 96°C, thermisch verbeterd papier[1][2] voor 110°C en NOMEX tot 200°C. De veroudering of depolarisatie van het papier verloopt exponentieel volgens de formule van Montsinger[3].

Het wikkelen
Een wikkeling in de wikkeldoorn
Schema Vermogenstransformatorwikkeling

Een wikkeling bestaat uit schijven en lagen. De lagen bekomen we door de draad op te wikkelen zoals de vellen in een rol wc-papier. In deze beeldspraak is een schijf dan één rol wc-papier en zien we in een wikkeling meerdere schijven naast elkaar. Aan de boven en onderzijde van de wikkeling steekt een stuk draad uit wat we de wikkelingsuitlopers noemen. De moeilijkheid is om van de éne schijf naar de volgende schijf te wikkelen zonder onderbreking. Om dit probleem praktisch op te lossen zijn er heel wat wikkeltypes zoals luswikkeling, boemerangwikkeling, Gironwikkeling.

Drukken van een wikkeling

Na het wikkelen wordt de wikkeling gedrukt zodat de wikkeling stevig opgespannen in de trafo gemonteerd wordt en aldus het kortsluitgedrag verbeterd wordt.

Het overschuiven

Een transformator bestaat uit minstens twee wikkelingen maar gezien de hoge kortsluitspanning van een vermogenstransformator zal er ook steeds een regelwikkeling zijn om de hoge spanningsval bij belasting te kunnen wegregelen. Daarom worden de wikkelingen over elkaar gemonteerd over de kernpoten. Eén poot bestaat dan uit de hoogspanningswikkeling, laagspanningswikkeling en regelwikkeling van één fase. Men opteert meestal om de 3 poten van de vermogendstransformator eerst samen te stellen en volledig af te werken om daarna poot per poot over de kernpoten te schuiven. Bij toepassing van glasvezel temperatuursondes (fiber-optic's) moet een dwarsspie vervangen worden door een dwarsspie met fiber in gemonteerd.

Afwerken van de wikkeling

Een wikkeling afwerken wil zeggen dat:

  1. de wikkelingsuitlopers of afleidingen naar buiten gebracht moeten worden
  2. eventueel een wikkeling op zeer hoge spanning moet een middenuitgang krijgen
  3. steunblokken moeten gemonteerd worden om de ruimte tussen wikkeling en jukbalken op te vullen zodat de wikkeling goed samengedrukt wordt
  4. potentiaalringen om scherpe punten af te schermen en het elektrisch veld af te ronden
  5. hoekringen monteren om de elektrische velden aan de kop van de wikkeling af te zwakken en toch olie stroming mogelijk te maken

De wikkeling krijgt dus nog een steun en isolatiestructuur

Soorten wikkelingen

Wikkelingen kunnen op verschillende manieren onderverdeeld worden;

indeling volgens functie in de transformator
  • Hoogspanningswikkeling of primaire wikkeling
  • Laagspanningswikkeling of secundaire wikkeling
  • Tertiaire wikkeling is een driehoekwikkeling ter compensatie van asymmetrie
  • Regelwikkeling is een wikkeling met meerdere aftakkingen om te verbinden met de regelschakelaar
  • Gemeenschappelijke wikkeling is enkel van toepassing bij autotransformatoren
  • Serie- en parallelwikkeling kan duiden op een wikkeling die uit twee delen bestaat die zowel in serie als parallel kunnen geschakeld worden. Dit wordt vaak toegepast op mobiele vermogenstransformatoren die door hun omschakelbaarheid op meerdere plaatsen kunnen ingezet worden. Anderzijds kan serie en parallelwikkeling ook duiden op een booster trafo waarbij één wikkeling tussen primaire en secundaire staat en dus in serie met de stroom door de boostertrafo en een parallelwikkeling die parallel over het net hangt.

Warmte in de wikkeling
De temperatuur van olie en van de transformatorwikkeling in functie van de hoogte

Een wikkeling voert stroom en dus zal de wikkeling warmer worden dan de omringende elektrische olie. Doordat in de wikkeling de olie opgewarmd wordt, wordt de olie lichter en zal de olie beginnen te stijgen; er ontstaat een oliestroming in de wikkeling door de thermosifondruk. Hoe hoger de olie stijgt, hoe warmer de olie wordt. Aangezien de wikkeling overal evenveel opwarmt zal ook de wikkelingstemperatuur toenemen hoe hoger in de wikkeling je meet. op elke hoogte is het verschil in temperatuur tussen olie en wikkeling gelijk en dit verschil noemen we de gradiënt. Aangezien echter in de koppen van de wikkelingen ook een radiaal veld aanwezig is zullen hier extra verliezen de wikkelingen extra opwarmen. Het heetste punt in de wikkeling bevindt zich dus bovenaan en wordt de hot-spot genoemd. De hot-spottemperatuur[4][5] is zeer belangrijk omdat die bepalend is voor de veroudering[6] van de wikkeling en dus voor de hele transformator. De hot-spottemperatuur wordt gegeven door:

  • Bij nominale belasting:
  • Bij een belasting I:

Hierin is:

  • : De hot-spottemperatuur van de wikkeling
  • : De top-olietemperatuur die gemeten wordt aan het deksel
  • Grad: De gradiënt die gemeten wordt tijdens de opwarmingsproef. Het is het verschil tussen gemiddelde olietemperatuur en gemiddelde wikkelingstemperatuur. De wikkelingstemperatuur wordt na de opwarmingsproef via weerstandsmeting bepaald.
  • HS: De hot-spotfactor die berekend wordt tijdens het ontwerp. Deze ligt tussen 1,1 en 1,3
  • I: De belasting of m.a.w. de stroom door de wikkeling
  • In: De nominale stroom van de wikkeling
  • y: De wikkelingsexponent die volgens de norm IEC 60076-2 1.6 bedraagt voor ON en OF transformatoren en 2.0 voor OD transformatoren. De wikkelingsexponent kan ook bepaald worden door 2 opwarmingsproeven te doen en is in de praktijk slechts geldig binnen een zeer beperkt gebied.

Om de veroudering van de wikkeling op te volgen is het noodzakelijk om halfjaarlijks oliestalen te nemen ter analyse[7]. Afbraakprodukten van papier zoals furanen kunnen opgespoord worden in het oliestaal om een beeld te bekomen van de veroudering[8]. Een belangrijk hulpmiddel om bij een fout aan een wikkeling in dienst te zoeken is de "Duval Triangle"[9], ontwikkeld door Michel Duval, werknemer bij Hydro Québec. Het is gebaseerd of de gassen die in de elektrische olie gedetecteerd worden na een fout.

Ontwerp van een wikkeling

In het ontwerp van een wikkeling komen heel wat aspecten aan bod om een goede werking te kunnen garanderen. In eerste plaats de basisgegevens elektrische spanning en elektrische stroom die leiden tot een minimale draadsectie en aantal toeren. Het beperken van de elektrische gradiënt bij de testspanning is een basis van het ontwerp van de isolatiestructuur. Een van de belangrijkste parameters is de kortsluitspanning of impedantie van de wikkeling. Dit zal de vorm van de wikkeling bepalen. Een controle met een elektrisch ontwerpsoftware op basis van eindige-elementenmethode is hier zeer belangrijk. De oliesnelheid in de wikkeling is bepalend voor de koeling en dus ook de hot-spottemperatuur. De oliestroming moet ondanks de elektrische isolatie toch voldoende groot zijn. De stromingsweerstand in de wikkeling mag daardoor niet te groot worden. Bij te grote stromingsweerstand wordt gerichte koeling toegepast waar een pomp zorgt voor het oliedebiet. De elektrische capaciteit van de wikkeling naar kern, kuip en naar de andere wikkelingen is bepalend voor het gedrag bij stootspanningen en moet ook gecontroleerd worden door berekening. Ten slotte mag de wikkeling niet beschadigd worden bij kortsluiting van de transformator en zal de mechanische sterkte, de steunconstructie en de afsteuning op de kern zeer belangrijk zijn.

Zie ook

Noten
  1. Muller, Wilma. Thermally upgraded paper in oil filled transformers. energize Jan/Feb 2007: 30-35 .
  2. MALE, J.. The effect on various parameters on kraft and thermally upgraded papers when aged at elevated temperatures in new transformer oil.. Contract No22203, 2006 .
  3. Montsinger, V.M. (1930) . Loading transformer by temperature. AIEE transactions, Bd. 49: 776-792 .
  4. TAGHIKHANI, MA. Estimation of hottest spot temperature in power transformer windings with oil natural cooling. Australian Journal of Electrical & Electronics Engineering, Vol. 6, No. 1 2009, pp. 11-19 .
  5. AL-NADABI, Ahmed. Design a simulation model to estimate the hot-spot temperature in power transformers. Sixth IEEE International Multi-conference on systems, signals & Devices SSD-09 Djerba-Tunesia March 23-26, 2009 .
  6. LUNDGAARD, L. E.. Aging of oil-impregnated paper in power transformers.. IEE PWRD Dec 2002 .
  7. IEEE C57.104-1999 Guide for the Interpretation of Gases Generated in oil Immersed Transformers .
  8. Prevost, T.A.. Estimation of Insulation Life Based on a Dual Temperature Aging Model .
  9. Duval, M. (Nov./Dec. 2008) . The Duval Triangle for load tap changers, mineral oils and low temperature faults in transformers. IEEE Electrical Insulation Magazine Vol. 24, No. 6 .
Mediabestanden die bij dit onderwerp horen, zijn te vinden op de pagina inductor op Wikimedia Commons.
Mediabestanden die bij dit onderwerp horen, zijn te vinden op de pagina solenoid op Wikimedia Commons.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.