Trendy w budowie transformatorów

Transformatory podwyższają napięcie, aby przesył energii elektrycznej na duże odległości był efektywniejszy albo je obniżają do wartości bezpiecznej dla urządzeń odbiorców. Wyróżnia się transformatory mocy, dużej i średniej, i dystrybucyjne (rozdzielcze).

Z pierwszych korzysta się w elektrowniach i podstacjach, a drugie instaluje się bliżej urządzeń końcowych zasilanych średnim i niskim napięciem. Konstrukcje transformatorów stale się ulepsza, by poprawić ich niezawodność i sprawność energetyczną. Zwiększanie ostatniej narzuca dyrektywa UE 2009/125/WE określająca wartości maksymalnych strat obciążeniowych i w stanie jałowym. Obowiązuje ona od 2015 roku. W 2021 jej wytyczne zostaną jeszcze bardziej zaostrzone.

Większą niezawodność i sprawność energetyczną transformatorów uzyskuje się przez poprawę właściwości rdzenia, uzwojeń, izolacji oraz skuteczności chłodzenia. Jeżeli chodzi o rdzeń, prace prowadzi się w dwóch kierunkach - poszukując nowych materiałów, z których można go wykonać oraz ulepszając metody produkcji i obróbki tych już używanych, i modyfikując konstrukcję rdzenia.

Od czego zależą straty anomalne?

Popularny materiał to elektrotechniczne blachy krzemowe o ziarnie zorientowanym. Ich stratność to wypadkowa strat na histerezę i prądy wirowe, których składnikiem są straty dodatkowe (anomalne). W miarę ulepszania procesu produkcji wkład strat na histerezę malał, dlatego obecnie największym składnikiem, z udziałem nawet 70%, jest stratność anomalna. Jest tym większa, im więcej energii jest w czasie magnesowania traconej na ruch ścianek domenowych. Zależy w związku z tym od struktury domen magnetycznych, a zwłaszcza ich szerokości. Im są one szersze, tym większe są straty w rdzeniu.

Domeny poszerzają się pod wpływem naprężeń powstających w czasie walcowania i powlekania blach. Aby efekt ten zniwelować powierzchnię zarysowuje się (zwykle korzystając z lasera) poprzecznie do kierunku walcowania, co powoduje rozdrobnienie domen magnetycznych. Można w ten sposób zmniejszyć stratność rdzenia nawet o kilkanaście procent.

Technika ta jednak wciąż wymaga udoskonalania, gdyż zdarza się, że osiąga się efekt odwrotny od pożądanego i stratność wzrasta albo powierzchnia blachy zostaje nadmiernie uszkodzona. Prace prowadzi się przede wszystkim pod kątem doboru optymalnych nastaw lasera - poziomu mocy i szerokości wiązki.

Materiały amorficzne

Obniżenie stratności rdzeni transformatorów mają również zapewnić materiały amorficzne, czyli o strukturze niekrystalicznej, jak w szkle. Stosując je ogranicza się straty na histerezę oraz prądy wirowe, dzięki czemu stratność wypadkowa jest mniejsza nawet o kilkadziesiąt procent, niż w rdzeniach z blach o strukturze krystalicznej.

Uzyskuje się to, ponieważ blachy amorficzne mają nieuporządkowaną strukturę ziaren, a więc i domen magnetycznych. Charakteryzuje je w efekcie większa przenikalność magnetyczna i węższa pętla histerezy w porównaniu z blachami o ziarnie zorientowanym. Stratność na prądy wirowe zmniejsza się natomiast dzięki dużej rezystywności materiałów amorficznych oraz możliwości wykonania z nich bardzo cienkich blach, o grubości nawet kilka razy mniejszej, niż blach o ziarnie zorientowanym.

Są jednak droższe. Wciąż także trzeba udoskonalać techniki produkcji takich blach, w związku z dużą łamliwością materiałów amorficznych oraz ograniczoną szerokością wykonywanych z nich taśm.

Jakie są zalety przewodów CTC?

Podobnie w uzwojeniach transformatorów zmiany w konstrukcji uzupełniają nowe materiały. Przykład to stopy miedzi ze srebrem. Przy zawartości tego dodatku od 0,03% do 0,1% granica plastyczności materiału ma wartość, przy której w temperaturach do jakich mogą się nagrzewać uzwojenia nie zmienia się ich wytrzymałość, inaczej niż w przypadku uzwojeń z samej z miedzi.

Dodatek srebra zwiększa więc wytrzymałość zwarciową transformatora. W dziedzinie nowych konstrukcji popularne stają się uzwojenia CTC (Continuously Transposed Conductor), czyli z przewodami z ciągłą transpozycją żył. Ich główne zalety to: małe straty dodatkowe, precyzja wykonania oraz duża wytrzymałość na promieniowe i osiowe siły zwarciowe. Ostatnią cechę uzyskuje się dzięki zastosowaniu wysokotemperaturowego kleju epoksydowego nakładanego między warstwami żył albo na całą wiązkę.

Trendy w obszarze izolacji

W dziedzinie izolacji papierowej pracuje się nad materiałami o wyższej temperaturze pracy oraz wytrzymałości. Jeżeli chodzi o ciecze, to choć wciąż najpopularniejszy jest olej mineralny od lat rośnie zainteresowanie alternatywami, jak estry syntetyczne i naturalne.

W porównaniu do oleju mineralnego mają one zalety ważne w eksploatacji i ochronie środowiska: wysoką temperaturę zapłonu, nietoksyczność i biodegradowalność. Estry syntetyczne są czasem stosowane razem z izolacją z papieru wytrzymałego na wysokie temperatury, na przykład papieru aramidowego.

Ponieważ jednak właściwości estrów nie zostały jeszcze dobrze zbadane, nie są używane powszechnie głównie z obaw o bezpieczeństwo w razie wytworzenia się gazów na skutek wyładowań albo przegrzania. Analiza takich zjawisk jest ważnym kierunkiem badań nad zastosowaniem estrów jako cieczy elektroizolacyjnych.