För att beskriva transformatorn på ett överskådligt vis representeras tomgångsförluster och belastningsförluster genom den ekvivalenta kretsen av transformatorn.
44
Där de aktiva förlusterna i transformatorn leder till temperaturökning i transformatorn vilket i hög grad påverkar hastigheten av bildandet kopparsulfider.
FIGUR A-2,EKVIVALENTKRETS(WIKIPEDIA)
𝑅𝑝 och 𝑅𝑆 som sitter i serie med den ideala transformatormodellen representerar det resistiva motståndet i lindningarna. Dessa beror på arean, längden och konduktiviteten i ledaren. 𝑋𝑝 samt 𝑋𝑠 som sitter kopplade i serie med 𝑅𝑝 respektive 𝑅𝑆 , är i sin tur en modellering av det läckflöde (reaktiva förlusterna) som sker i transformatorn. 𝑅𝑐 parallellt med 𝑋𝑀 beskriver järnkärnans förluster (tomgångsförluster). 𝐼𝑝 𝐼𝑠 Representerar primär respektive sekundärström. 𝐼0
Representerar tomgångsströmmen. 𝐼𝑀 Representerar magnetiserings ström. 𝐼𝐶 representerar den ström som man i tomgång ofta försummar (Cronqvist, 2003-01-01).
Kärnan
Då en transformatorkärna konstrueras väljs ett material med hög permeabilitet. Detta för att uppnå de goda magnetiska egenskaper som transformatorkärnan kräver. Enligt (Cronqvist, 2003-01-01) använder man normalt en plåt med låg kolhalt, men hög halt av kisel. Detta ger ett mjukt material med en hystereskurva med liten area. En liten area på hystereskurvan indikerar liten koreciv fältstyrka vilket leder till små hysteresförluster. Arean representerar förlusterna hos materialet.
Virvelströmseffekter minskas genom konstruktionsanpassning. Man applicerar många mycket tunna skikt plåt tätt ovanpå varandra. Dessa skikt kallas laminat och läggs ihop med speciella
blandningsmönster i hörnen. Detta görs för att öka resistansen och genom 𝐼2∗ 𝑅 minska de förluster virvelströmseffekterna ger upphov till. Då kärnans inducerade ström minskar ökar också reluktansen för det motverkande flödet.
Det finns en stor variation hur kärnan designas. Detta beror främst på funktion och storlek hos den berörda transformatorn. Nedan presenteras en bild på en fyrbent transformator kärna.
45
FIGUR A3,BILD AV EN FYRBENT TRANSFORMATOR KÄRNA IHOP TVINGAD MED DRAGSTÅNG (ABB,2010)
Lindningar
.
FIGUR A-4,TRANSFORMATORBILD KONCENTRISKT LINDAD TRANSFORMATOR.[WIKIPEDIA]
Vanligtvis lindas primär och sekundärlindning utanpå varandra. Men för att undvika kortslutning, behöver man isolera lindningarna och lindningsvarven från varandra. Det finns olika sätt att göra detta på (Godin Scheutz, 2016) . Vid oljeisolerade krafttransformatorer använder man normalt flera lager impregnerat papper (kraftpapper) som är lindat kring ledaren (Cronqvist, 2003-01-01). För att lindningarna ska hållas på plats fästs lindningar med både radiella stödribbor samt axiella klackar. För detta så används ofta ett material som heter presspan. Presspan är en typ av hårdpressad papp. Som ger bidrag till det axiella stödet men också skapar en kylningskanal genom lindningen. Vid en
eventuell kortslutning av sekundär lindningen uppkommer stora mekaniska krafter. För att hantera detta fäster man även lindningarna i tryckbalkar och andra stödkonstruktioner (Cronqvist, 2003-01-01).
Resistivitet
En metall består av ett nät av atomer. Varje atom har skal av elektroner. Elektronerna i det yttersta skalet kallas valenselektroner. Valenselektronerna kan färdas genom det sammansatta nätet. Molnet av elektroner gör metallen elektriskt ledande. När en metallisk ledare utsätts för en potentialskillnad.
Kommer elektronerna förflyttas, krocka och riktnings ändras. Hos metaller är den termiska rörelsen hos joner den främsta orsaken till elektronspridningen och därigenom påverkas resistiviteten av
46
temperatur. När resistansen växer, ökar även värmeförlusterna i transformatorn och temperaturen stiger.
Isolationspapper
Papper är uppbyggd av cellulosakedjor. Det finns fyra huvudsakliga orsaker till att papperet förlorar elektrisk hållfasthet: temperatur, syra, syre och fukt (Cheim, et al., 2012). Vid påfrestning bryts cellulosakedjorna ned och papperet uppvisar sämre mekanisk hållfasthet. Cellulosa är ett organiskt material som är utsatt för termiskt kemiskt accelererade nedbrytningsprocesser. Detta leder till att temperatur har en stor påverkan på papperets livslängd. Genom att tillsätta ett antioxidationsmedel i papperet kan man bromsa påverkan av temperaturen. För äldre kraftpapper ligger hot spot (Hot spot beskrivs i kapitel temperatur 4.3 Hot spots & Appendix A.9 Hot spot) temperaturklassningen på 95 grader för IEEE respektive 97 grader för ICE (Tronstad, 2015). Det nya kemiskt behandlade
kraftpapperet klarar en nominell hot spot temperatur på överstigande 110 grader.
FIGUR A-5,ACCELERATIONSFAKTOR FÖR NEDBRYTNINGSPROCESSEN SOM EN FUNKTION AV HOT SPOT TEMPERATURER FÖR STANDARD IEC OCH IEEE SAMT DET TERMISKT UPPGRADERADE PAPPERET. BILDEN
INSPIRERAD AV (BÉRUBÉ &AUBIN ,2007)
Papprets skick bedöms genom DP (degree of polymeization, polymerisationsgrad). Det beskriver medelvärdet av de glukosmonomerer som finns i cellulosakedjan. Med andra ord representerar det den mekaniska hållfastheten för papperet. Desto kortare cellulosapolymererna blir desto sprödare blir papperet. Den elektriska isolationsförmågan av papperet har visat sig ha en korrelation till mängden DBDS i oljan (Amaro, et al., 2015). Detta då DBDS (DBDS beskrivs närmare i 6 Risker hos transformatorolja innehållande DBDS) kan leda till kopparsulfidutfällning vilket resulterar till minskad elektrisk isolationsförmåga.
Kylning
Det finns flera olika kylsystem men vid stora oljeisolerade krafttransformatorer är de vanligast förekommande:
OFWF- Oil Forced Water Forced
47
Systemet fungerar genom att oljan pumpas runt i systemet. Oljan leds sedan vidare genom en värmeväxlare där oljan kyls av ett vattenflöde. Metoden används normalt till stora transformatorer på flera hundra MVA
ONWF-Oil Natural Water Forced
Systemet fungerar genom konvektion av oljan. Oljan leds genom en värmeväxlare där oljan kyls av ett vattenflöde.
ONAF – Oil Natural Air Forced
Systemet fungerar genom konvektion av oljan. Oljan leds genom en värmeväxlare där kylningen förstärks genom fläktar. Metoden används normalt för transformatorer upp till 60 MVA.
OFAF- Oil Forced Air Forced
Systemet fungerar genom att oljan pumpas runt i systemet. Oljan leds genom en värmeväxlare där kylningen förstärks genom fläktar.
FIGUR A-6,FIGUREN ILLUSTRERAR ETT OFAF SYSTEM
Vilket värmeavledningens system som är att föredra, väljs utifrån effekt, driftförhållande och transformatorns placering.
Lindningskopplare
Lindningskopplaren på transformatorn är till för att hantera den varierande belastningen på nätet (Winders & Winders , Jr, 2002). Då elkraftsystemet är uppbyggt som ett spänningsstyvt system är uppgiften för lindningsomkopplaren att motverka den eventuella spänningsvariationen som då kan uppstå för slutkund. Regleringen fungerar så att man kan stegvis påverka antalet lindningsvarv. Vilket indirekt också reglerar spänningen hos slutkund. Det varierar hur lindningskopplaren är monterad på transformatorn. Vid vissa äldre konstruktioner är den placerad inuti transformatorn, och då med gemensamt expansionskärl. Vid dessa situationer kan höga nivåer av acetylen uppstå. Detta på grund av gnistbildning och tillfälliga ljusbågar vid omkoppling. (Andersson, 2015). Acetylenen vandrar då via expansionskärlet.