Informacje techniczne

Do opisu cyklu pracy maszyn elektrycznych i transformatorów używa się kilku znormalizowanych i opisanych matematycznie rodzajów pracy. Norma PN-EN 60034-1 opisuje kilka rodzajów pracy maszyn elektrycznych wirujących i urządzeń współpracujących, które różnią się przebiegiem obciążenia maszyn. Rodzaje pracy oznacza się skrótami literowymi od S1 do S8. Poniżej charakterystyka trzech najczęściej spotykanych rodzajów pracy:

Praca ciągła S1

Rodzaj pracy z obciążeniem o stałej wartości w nieograniczonym okresie czasu lub co najmniej do osiągnięcia ustalonego przyrostu temperatury urządzenia.

Praca dorywcza S2

Rodzaj pracy w określonym czasie, rozpoczynana od stanu zimnego urządzenia, przy czym przerwy między okresami pracy są wystarczająco długie do schłodzenia urządzenia do temperatury bliskiej temperaturze otoczenia. Pracę dorywczą opisuje się symbolem S2 oraz czasem pracy tp w minutach (np. S2-15min).

Praca przerywana S3

Rodzaj pracy wykonywanej kolejno w określonych, jednakowych cyklach czasowych następujących po sobie, gdzie okresy pracy są oddzielone jednakowymi okresami przerw. Oznaczenie pracy przerywanej to np. S3-20%, gdzie wartość liczbowa oznacza procentowy stosunek czasu pracy tp do czasu trwania okresu t0, czyli czasu pracy i następującej po nim przerwy.

Wymiana ciepła pomiędzy transformatorem i otoczeniem następuje na drodze przewodzenia, konwekcji i promieniowania. Podczas optymalizacji konstrukcji transformatorów dąży się do poprawiania skuteczności naturalnych mechanizmów chłodzenia przez dodatkowe zabiegi, ułatwiające wymianę energii cieplnej.  Rodzaj chłodzenia dla danego urządzenia opisywany jest kodem literowym w zależności od czynnika chłodzącego i sposobu jego obiegu. Sposób odprowadzania ciepła z transformatora umieszczonego wewnątrz obudowy, opisany jest kodem składającym się z czterech liter, dla urządzenia bez obudowy rodzaj chłodzenia opisują dwie litery.
Norma PN-EN 60076-11 wprowadza następujące oznaczenia:

• Pierwsza litera oznacza czynnik chłodzący urządzenie
• Druga litera określa sposób wprowadzania w ruch czynnika chłodzącego
• Trzecia litera określa zewnętrzny czynnik chłodzący
• Czwarta litera określa sposób wprowadzania w ruch zewnętrznego czynnika chłodzącego

Rodzaje czynnika chłodzącego

A             chłodzenie powietrzem
G             chłodzenie gazem innym niż powietrze
W            chłodzenie wodą

Sposób wprowadzenia w ruch czynnika chłodzącego

N             chłodzenie naturalne
F              chłodzenie wymuszone przez sztuczne wprowadzenie w ruch czynnika chłodzącego

Norma techniczna PN-EN 60529 określa stopnie ochrony zapewnianej przez obudowy przed przedostawaniem się do wnętrza ciał stałych oraz wody. Kod opisujący stopień ochrony składa się z dwóch cyfr. Pierwsza cyfra określa, stopień zabezpieczenia wnętrza obudowy przed wniknięciem ciał stałych a także stopień ochrony użytkownika przed bezpośrednim kontaktem z elementami urządzenia będącymi pod napięciem. Druga cyfra definiuje, stopień zabezpieczenia przed dostaniem się do wnętrza obudowy wody. Dodatkowa litera A,B,C,D wskazuje stopień ochrony użytkownika przed bezpośrednim kontaktem z elementami będącymi pod napięciem.

Pierwsza cyfra

IP0X       brak ochrony urządzenia
IP1X        ochrona urządzenia przed przenikaniem przedmiotów o średnicy Ø≥50 mm np.: ludzką dłoń
IP2X       ochrona urządzenia przed przenikaniem przedmiotów o średnicy Ø≥12 mm np.: palcem dłoni
IP3X       ochrona urządzenia przed przenikaniem przedmiotów o średnicy Ø≥2,5 mm
IP4X       ochrona urządzenia przed przenikaniem przedmiotów o średnicy Ø≥1,0 mm
IP5X       ochrona urządzenia przed przenikaniem jakichkolwiek przedmiotów i osiadaniem pyłu
IP6X       pyłoszczelne

Druga cyfra

IPX0       brak ochrony urządzenia
IPX1        ochrona urządzenia przed kroplami wody spadającymi pionowo
IPX2       ochrona urządzenia przed kroplami wody spadającymi pod kątem ≤ 150 od pionu
IPX3       ochrona urządzenia przed kroplami wody spadającymi pod kątem ≤ 600 od pionu (np.: deszczem)
IPX4       ochrona urządzenia przed bryzgami wody ze wszystkich stron
IPX5       ochrona urządzenia przed silnym strumieniem wody padającym ze wszystkich stron
IPX6       ochrona urządzenia przed falami i silnym strumieniem wody, padającymi ze wszystkich stron
IPX7       ochrona urządzenia przed zniszczeniem na skutek krótkotrwałego (do 30 min.) zanurzenia w wodzie na głębokość H=1 m.
IPX8       ochrona urządzenia przed zniszczeniem na skutek długotrwałego zanurzenia w wodzie na głębokość H>1 m.

Dodatkowa litera

A             ochrona przed bezpośrednim kontaktem otwartą dłonią o średnicy Ø < 50 mm
B             ochrona przed kontaktem z palcem o wymiarach średnicy Ø <12 mm, długości < 80 mm
C             ochrona przed kontaktem z narzędziem o średnicy Ø <2,5 mm, długości < 100 mm
D             ochrona przed kontaktem z przewodem o średnicy Ø <1,0 mm, długości < 100 mm

Jedną z przyczyn awarii transformatorów jest uszkodzenie izolacji torów prądowych powodowane nadmiernym wzrostem temperatury podczas przeciążeń i zwarć. Wzrost temperatury torów prądowych lub uzwojeń mogą być wywołane zjawiskami elektrycznymi, jak również mogą wystąpić z przyczyn nieelektrycznych, powodując dalsze uszkodzenia urządzenia już o charakterze elektrycznym. Przyczynami takimi mogą być: niedostateczna wymiana powietrza w obudowie, wzrost temperatury otoczenia, zmniejszenie przepływu wody – dla uzwojeń chłodzonych wodą, lub dla urządzeń chłodzonych nadmuchem powietrza, awaria wentylatorów lub zabrudzenie siatki ochronnej wentylatora.

Zabezpieczenia

Zabezpieczeniem urządzeń elektrycznych przed skutkami przeciążeń lub zwarć są najczęściej bezpieczniki topikowe lub wyłączniki samoczynne. Prąd znamionowy wkładki topikowej zainstalowanej po stronie zasilania urządzenia, należy dobrać bliski prądowi znamionowemu urządzenia i równy górnej wartości najbliższej, znormalizowanej wkładki. Dla zabezpieczenia transformatorów zaleca się wkładki topikowe o charakterystyce zwłocznej gG. Podczas doboru wkładki bezpiecznikowej należy brać pod uwagę prąd załączenia transformatora. W przypadku transformatorów małej mocy można zastosować rozłączniki z bezpiecznikami miniaturowymi. Jako zabezpieczenie można również stosować popularny wyłącznik nadmiarowo-prądowy typu S. Dostępne są ich wersje o charakterystykach zwłocznych o oznaczeniach literowych od B do D.

Czujniki temperatury

Bezpieczniki topikowe lub wyłączniki chronią transformatory, przed skutkami przeciążeń i zwarć poprzez szybkie wyłączenie prądu w obwodzie. Istnieje jednak szereg czynników nieelektrycznych, które mogą doprowadzić do przegrzania i uszkodzenia transformatorów i dławików. Z tego powodu dodatkowo umieszcza się w uzwojeniach różnego rodzaju czujniki temperatury zależnie od aplikacji i potrzeb użytkownika.

Stosowane czujniki temperatury:

• rezystancyjne typu Pt100 lub Pt1000
• półprzewodnikowe pozystory PTC
• miniaturowe wyłączniki bimetalowe NO normalnie otwarte lub NC normalnie zamknięte

Czujniki umieszcza się w uzwojeniach i rdzeniu transformatora lub dławika w punktach charakterystycznych. Niektóre zastosowania wymagają zamontowania nawet dwóch rodzajów czujników w jednym uzwojeniu. Za pomocą czujnika typu Pt100 można realizować ciągły monitoring temperatury transformatora. Wyłączniki bimetalowe NO lub NC sygnalizują przekroczenie temperatury dopuszczalnej.

Wykonanie klimatyczne i środowiskowe wg PN-EN 60076-11

Norma PN-EN 60076-11 definiuje warunki klimatyczne i środowiskowe magazynowanie, transportu i pracy dla transformatorów i dławików. Norma definiuje dwie klasy klimatyczne:

Klasa C1 – Transformator może pracować w temperaturze nie niższej niż -5^OC, ale można go transportować i magazynować w temperaturze nie niższej niż -25^OC.
Klasa C2 – Transformator może pracować oraz można go transportować i magazynować w temperaturze nie niższej niż -25^OC.

Warunki środowiskowe dla transformatorów suchych ustala się w zależności od wilgotności, występującej kondensacji, zanieczyszczeń i temperatury otoczenia:

Klasa E0 – Na transformatorze nie pojawia się kondensacja, a zanieczyszczenia są pomijalne.
Klasa E1 – Na transformatorze może pojawiać się sporadycznie kondensacja,(np. gdy wyłączone jest zasilanie transformatora). Możliwe jest ograniczone zanieczyszczenia.
Klasa E2 – Na transformatorze występuje częsta kondensacja lub/i duże zanieczyszczenie.

Wykonanie klimatyczne wg PN-EN 60721-3-5

Norma PN-EN 60721-3-5 klasyfikuje warunki środowiskowe, w których przechowywane, transportowane i eksploatowane są transformatory i dławiki między innymi w zastosowaniach kolejowych. Poniżej podano skrócone informacje o systemie klasyfikacji zdefiniowanym w tej normie. System identyfikacji oznaczenia klasy warunków środowiskowych jest rozbudowany i składa się następujących oznaczeń:

Pierwsza cyfra określająca miejsce stosowania:

1             warunki w miejscu składowania
2             warunki w czasie transportu
3             warunki w miejscach chronionych przed wpływem warunków atmosferycznych
4             warunki w miejscach niechronionych przed wpływem warunków atmosferycznych
5             warunki w pojazdach naziemnych
6             warunki w środowisku okrętowym
7             warunki w czasie przenośnego i niestacjonarnego użytkowania wyrobów

Litera określająca rodzaj uwzględnianych warunków środowiskowych:

K             czynnik o charakterze klimatycznym ( temperatura, wilgotność, nasłonecznienie itd.)
B             czynniki o charakterze biologicznym (np. atak zwierząt, termitów itp.)
C             czynniki aktywne chemicznie (różne czynniki chemiczne)
S              substancje oddziaływujące mechanicznie (piasek, kurz itp.)
M            czynniki o charakterze mechanicznym (drgania, wstrząsy, wibracje)
Z             czynniki o charakterze specjalnym

Cyfra występująca po literze przyjmuje wartości od 1 do 7, określa intensywność, z jaką występuje dany czynnik. Wyższa cyfra oznacza większą intensywność.

Dodatkowo na końcu oznaczenia mogą występować litery H(high) lub L(low) określające częstość występowania danych warunków, np. temperatura jest najczęściej niska a nigdy wysoka.

Przykładowe pełne oznaczenie wg PN-EN 60721 uwzględniające występowanie wszystkich warunków środowiskowych w miejscach chronionych przed wpływem czynników atmosferycznych może mieć następującą postać: 3K3/3B1/3C2/3S1/3M4/3Z1

Najczęściej występujące klasy warunków środowiskowych wg EN 60721: