ΤΟΥ ΓΙΩΡΓΟΥ ΜΑΛΙΩΤΗ
Οι μετασχηματιστές συνιστούν μια τεχνολογία που έχει βρει πολλαπλές και ποικίλλες εφαρμογές εδώ και πολλές δεκαετίες. Καλύπτουν ανάγκες μιας ευρείας γκάμας εγκαταστάσεων, από τις πλέον μεγάλες είναι οι ηλεκτρικοί υποσταθμοί και από τις πλέον μικρές οι οικιακές ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές. Καθοριστική είναι η ύπαρξη των μετασχηματιστών στην ανύψωση και στον υποβιβασμό της τάσης στα Συστήματα Μεταφοράς και Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας, τα οποία ως γνωστόν είναι εξαιρετικά εκτεταμένα και καλύπτουν τα Κέντρα Κατανάλωσης του εθνικού ηλεκτρικού δικτύου διανομής.
Σε Συστήματα Mεταφοράς Η.Ε με τάση μεγαλύτερη των 220 V χρησιμοποιούνται οι λεγόμενοι αυτομετασχηματιστές. Εκτός όμως από τους Μετασχηματιστές και τους Αυτομετασχηματιστές υπάρχει μια ιδιαίτερα μεγάλη γκάμα μετασχηματιστών. Τέτοιοι είναι οι Μετασχηματιστές Ανόρθωσης, οι Μετασχηματιστές Μεταλλουργίας, οι Μετασχηματιστές – Ρυθμιστές Τάσης, οι Μετασχηματιστές Δοκιμών, οι Μετασχηματιστές Έλξεως, οι Μετασχηματιστές Εξορύξεων και φυσικά στα ασθενή ρεύματα οι Μετασχηματιστές Οργάνων. Μένοντας στην τελευταία περίπτωση πρέπει να υπενθυμίσουμε ότι πολλά είδη μετασχηματιστών βρίσκουν εφαρμογή σε εξοπλισμό τηλεπικοινωνιών, σε συστήματα τηλεελέγχου και τηλεχειρισμού αλλά και σε πληθώρα οικιακών συσκευών. Θα μπορούσε μάλιστα να πει κανείς ότι σήμερα δεν υπάρχει ούτε μια ηλεκτρική εγκατάσταση στην οποία να μην χρησιμοποιείται ένας μετασχηματιστής.
Πρέπει ωστόσο να τονιστεί ότι μολονότι η ύπαρξη των μετασχηματιστών ως μηχανήματα μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας είναι σημαντική για τη λειτουργία όλης αυτής της γκάμας των εφαρμογών, η τεχνολογία των μετασχηματιστών σημείωσε πολύ μεγάλη εξέλιξη εδώ και πολλές δεκαετίες, κατά κύριο λόγο γιατί υποχρεώθηκε να υπερβεί τις ιδιαίτερες τεχνικές δυσκολίες, που προέκυψαν από τις ολοένα διευρυνόμενες ανάγκες μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας.
Μεταφορά και διανομή
Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να παράγεται είτε σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς, οι οποίοι κατασκευάζονται σε συγκεκριμένες περιοχές που πρέπει να είναι κοντά σε σημεία εξόρυξης στερεών καυσίμων, είτε σε υδροηλεκτρικούς σταθμούς οι οποίοι επίσης κατασκευάζονται σε περιοχές με ιδιαίτερη γεωγραφική διαμόρφωση ικανή να αξιοποιήσει του πλησίον αυτής ευρισκόμενους υδάτινους πόρους. Και στις δύο περιπτώσεις η ενέργεια που παράγεται χρειάζεται να μεταφερθεί σε κόμβους του δικτύου διανομής που βρίσκονται είτε πλησίον αστικών κέντρων, είτε πλησίον βιομηχανικών περιοχών.
Είναι προφανές ότι αυτοί οι κόμβοι είναι πιθανό να βρίσκονται δεκάδες ή ακόμα και εκατοντάδες χιλιόμετρα μακριά από τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό έχει σαν συνέπεια οι γραμμές μεταφοράς να έχουν αντιστοίχου μεγέθους μήκη. Από το βασικό όμως νόμο της ηλεκτροτεχνίας που διέπει τα ηλεκτρικά δίκτυα, δηλαδή το νόμο του Ohm είναι γνωστό πως η απώλεια ενέργειας σε έναν αγωγό διαρρεόμενο από ρεύμα είναι ανάλογη της αντίστασης του αγωγού, η οποία με τη σειρά της είναι ανάλογη του μήκους του αγωγού.
Έτσι λοιπόν βλέπουμε πως η ηλεκτρική ενέργεια μεταφερόμενη από τους σταθμούς παραγωγής προς τους ευρισκόμενους σε απόσταση εκατοντάδων χιλιομέτρων κόμβους διανομής έχει πολύ μεγάλες απώλειες. Με δεδομένο το μήκος μιας γραμμής μεταφοράς η μείωση των απωλειών μπορεί να γίνει μόνο με την αύξηση της διατομής των αγωγών μεταφοράς. Αυτό θα είχε σαν συνέπεια πολύ μεγάλο κόστος κατασκευής των γραμμών μεταφοράς, αλλά και σημαντική δυσκολία στην εγκατάστασή τους καθώς το βάρος της κάθε γραμμής θα αυξανόταν πολύ.
Οι μετασχηματιστές έδωσαν τη λύση στο πρόβλημα. Αυτοί επιτυγχάνουν να αφήσουν αμετάβλητη τη μεταφερόμενη ηλεκτρική ενέργεια, ελαττώνουν την ένταση του ρεύματος και αυξάνουν την τάση του με συνέπεια οι θερμικές απώλειες πάνω στη γραμμή, οι οποίες είναι ανάλογες με το τετράγωνο της έντασης του ρεύματος να μειώνονται πάρα πολύ. Σε ένα μετασχηματιστή που παρεμβάλλεται σε μια γραμμή μεταφοράς ο δεκαπλασιασμός της τάσης θα έχει σαν συνέπεια τη μείωση της έντασης στο ένα δέκατο της αρχικής. Αυτό θα έχει σαν τελική συνέπεια τη μείωση των απωλειών στο ένα εκατοστό της αρχικής.
Στην αρχή των γραμμών μεταφοράς η τάση πολλαπλασιάζεται μέσω μετασχηματιστών ανύψωσης της τάσης και τούτο γιατί πρέπει να έχει ένα επαρκές μέγεθος ικανό να υπερκεράσει τις πολύ μεγάλες απώλειες τάσης κατά μήκος της τεραστίου μήκους γραμμής μεταφοράς. Αντιθέτως στο τέλος της γραμμής μεταφοράς η τάση υποβιβάζεται με τη βοήθεια μετασχηματιστών υποβιβασμού της τάσης και τούτο για να αποκτήσει μέγεθος κατάλληλο για τους καταναλωτές, δηλαδή από 220 Volt.ως μερικά KV.
Οι μετασχηματιστές ισχύος είναι μηχανήματα πολύ σημαντικά για τα ηλεκτρικά δίκτυα τόσο λόγω της μεγάλης ισχύος τους, όσο και λόγω των υψηλών τάσεων λειτουργίας τους. Η γκάμα ισχύος και τάσης που καλύπτεται από τους μετασχηματιστές ισχύος είναι πολύ μεγάλη. Η ισχύς τους μπορεί να κυμανθεί από μερικά VA μέχρι μερικές χιλιάδες VA, ενώ η τάση τους μπορεί να κυμανθεί από ένα κλάμα του V μέχρι εκατοντάδες KV. Με τη χρήση μιας σειράς μετασχηματιστών στους υποσταθμούς των κόμβων των δικτύων μεταφοράς η ηλεκτρική ενέργεια μετασχηματίζεται 4 ή και 5 φορές μέχρι να φτάσει στα Κέντρα Κατανάλωσης. Ακόμα πρέπει να σημειωθεί ότι στα Συστήματα Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας η εγκατεστημένη ισχύς είναι 6-7 φορές μεγαλύτερη από την εγκατεστημένη ισχύ παραγωγής στους θερμοηλεκτρικούς ή υδροηλεκτρικούς σταθμούς παραγωγής. Στα Συστήματα Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας που λειτουργούν σε τάσεις μεγαλύτερες από 220 V γίνεται ευρεία χρήση των αυτομετασχηματιστών. Αυτοί έχουν 2 ή περισσότερα τυλίγματα που είναι αγώγιμα συνδεδεμένα έτσι ώστε να υπάρχει κάποιο τμήμα τυλίγματος κοινό στο πρωτεύον και στο δευτερεύον.
SeparatorBetweenMainTexts Δομή
Ο μετασχηματιστής είναι μια ηλεκτρική μηχανή με σταθερά μέρη. Έχει δύο πηνία για κάθε φάση, τα οποία είναι μεταξύ τους ηλεκτρικά ανεξάρτητα και μαγνητικά συζευγμένα. Το τύλιγμα που τροφοδοτούμε το ονομάζουμε πρωτεύον και αυτό από το οποίο παίρνουμε την ηλεκτρική ενέργεια με μετασχηματισμένη τάση το ονομάζουμε δευτερεύον. Ας θεωρήσουμε τώρα ότι στο πρωτεύον κύκλωμα η τάση είναι U1, η ένταση είναι Ι1 και ο αριθμός των σπειρών είναι Ν1 και ότι αντίστοιχα στο δευτερεύον κύκλωμα η τάση είναι U2, η ένταση είναι Ι2 και ο αριθμός των σπειρών είναι Ν2 τότε ο λόγος μετασχηματισμού κ ορίζεται ως εξής:
κ= U1/U2=Ι2/Ι1=Ν1/Ν2
Σε μετασχηματιστές μέσης και υψηλής τάσης ο πυρήνας με τα τυλίγματα τοποθετούνται μέσα σε δοχείο που γεμίζεται με λάδι το οποίο είναι ειδικό λάδι μετασχηματιστών και συνήθως είναι ορυκτέλαιο ή συνθετικό λάδι..
Μπορούμε να πούμε ότι τα βασικά μέρη ενός μετασχηματιστή μεγάλης ισχύος είναι τα εξής:
~ Το δοχείο που περικλείει τον πυρήνα τα τυλίγματα και το λάδι ψύξης του μετασχηματιστή. Όταν τα τυλίγματα του μετασχηματιστή διαρρέονται από ρεύμα εκλύεται κατά το γνωστό φαινόμενο Joule θερμότητα. Έτσι έχουμε μια απώλεια ενέργεια από το χαλκό των τυλιγμάτων. Ωστόσο θερμότητα εκλύεται επίσης και από τον πυρήνα λόγω κυκλοφορίας μέσα σ’ αυτόν των δινορευμάτων. Στην περίπτωση αυτή έχουμε μια απώλεια ενέργειας από το σίδηρο του πυρήνα; Η θερμότητα που εκλύεται πρέπει να αποβάλλεται στο περιβάλλον για να μην πλησιάζει η θερμοκρασία του μετασχηματιστή σε επικίνδυνα όρια. Το μονωτικό λάδι είναι αυτό που λειτουργεί σαν ψυκτικό μέσο.
Τα τυλίγματα κατασκευάζονται από σύρματα μονωμένα. Για διατομές συρμάτων μέχρι 3 τετραγωνικά χιλιοστά χρησιμοποιούνται συνήθως κυλινδρικά σύρματα ενώ για μεγαλύτερες διατομές χρησιμοποιούνται χρησιμοποιούνται σύρματα ορθογωνικά ή τετράγωνα για εξοικονόμηση χώρου. Οι στρώσεις χωρίζονται μεταξύ τους με μονωτικό χαρτί ή άλλο κατάλληλο μονωτικό υλικό. Η τοποθέτηση και η στήριξη των σπειρών του τυλίγματος πρέπει να γίνεται κατά τρόπο ικανοποιητικό ώστε να αντέχουν στις ηλεκτροδυναμικές καταπονήσεις που εμφανίζονται σε περίπτωση βραχυκυκλώματος.
Το σώμα του πυρήνα αποτελείται από λεπτά σιδερένια ελάσματα μονωμένα μεταξύ τους ηλεκτρικά. Επειδή στον πυρήνα εμφανίζεται το φαινόμενο της ανάπτυξης δινορευμάτων με κατάλληλη κατεργασία των μετάλλων και με κατάλληλες προσμείξεις έχει επιτευχθεί η μείωση των απωλειών του πυρήνα στο ελάχιστο. Τα ελάσματα πρέπει να έχουν κατάλληλο σχήμα ώστε να μπαίνουν τα πηνία εύκολα στα ανοίγματα που σχηματίζουν κατά τη συναρμολόγησή τους. Για να μη δημιουργείται συγκεντρωμένη μαγνητική αντίσταση στο διάκενο αέρα των αρμών της συναρμολόγησης, τα ελάσματα τοποθετούνται κατά εναλλασσόμενες κατευθύνσεις. Η σχεδίαση της μορφής του πυρήνα πρέπει να είναι τέτοια ώστε η όλη κατασκευή να είναι συμπαγής και οι μαγνητικές γραμμές στον πυρήνα να έχουν το ελάχιστο δυνατό μήκος. Η ωφέλιμη διατομή ενός πυρήνα είναι περίπου το 90% της γεωμετρικής του διατομής γιατί την υπόλοιπη την καταλαμβάνουν οι μονώσεις των ελασμάτων.
Το δοχείο μέσα στο οποίο τοποθετείται το συγκρότημα του πυρήνα μαζί με τα πηνία είναι ένα κατάλληλο χαλύβδινο δοχείο που είναι γεμάτο με μονωτικό λάδι το οποίο εκτός από την ψύξη του μετασχηματιστή χρησιμεύει και για τη μόνωσή του. Στο πάνω μέρος του δοχείου υπάρχει σιδερένιο καπάκι που στερεώνεται στο δοχείο περιφερειακά με βίδες. Η στεγανοποίηση του δοχείου γίνεται κατάλληλη φλάντζα. Πάνω στο καπάκι τοποθετούνται οι μονωτήρες υψηλής και μέσης τάσης, ενώ στα πλευρικά βρίσκονται κατάλληλες υποδοχές για την τοποθέτηση των ψυγείων ψύξεως του λαδιού
~ Τους μονωτήρες υψηλής τάσης και μέσης τάσης που χρησιμεύουν για την ασφαλή διέλευση του ρεύματος υψηλής τάσης. Οι μονωτήρες διέλευσης υψηλής τάσης είναι συνήθως τύπου πυκνωτή. Το εσωτερικό του μονωτήρα αποτελείται από μονωτικό υλικό συνήθως χαρτί στο οποίο έχουν παρεμβληθεί κύλινδροι από φύλλα κασσιτέρου ή αλουμινίου. Με τον τρόπο αυτό από τον αγωγό διέλευσης μέχρι το σώμα του μετασχηματιστή παρεμβάλλεται μια σειρά από πυκνωτές ίσης χωρητικότητας. Σκοπός των πυκνωτών αυτών είναι η ομαλή κατανομή της τάσης σε όλο το πάχος του μονωτικού για να μην καταπονούνται ηλεκτρικά ορισμένα τμήματα της μόνωσης. Αναφορικά με τους μονωτήρες μέσης τάσης δύο είναι οι βασικοί τύποι που χρησιμοποιούνται. Ο ένας είναι όμοιος με τους μονωτήρες υψηλής τάσης και ο άλλος συνίσταται σε έναν μονωτήρα από πορσελάνη, ο οποίος είναι γεμάτος με λάδι το οποίο επικοινωνεί υδραυλικά με το λάδι ψύξης του μετασχηματιστή.
~ Το δοχείο διαστολής το οποίο χρησιμεύει για να δέχεται την αύξηση του όγκου του λαδιού όταν αυτό θερμαίνεται κατά τη λειτουργία του μετασχηματιστή. Στο δοχείο διαστολής υπάρχει δείκτης στάθμης λαδιού ώστε να ελέγχεται οπτικά η ποσότητα του λαδιού που υπάρχει μέσα σ’ αυτό. Ο δείκτης στάθμης μπορεί είτε ένας απλός γυάλινος σωλήνας που δείχνει τη στάθμη με βάση την αρχή των συγκοινωνούντων δοχείων, είτε ένας μαγνητικός δείκτης που καταγράφει τη στάθμη με μια κατακόρυφη σειρά από εξωτερικά διαταγμένα μαγνητάκια τα οποία ενεργοποιούνται από πλωτήρα με μεταλλικό στοιχείο που επιπλέει μέσα στο δοχείο. Η ελεύθερη στάθμη του λαδιού του δοχείου διαστολής δεν πρέπει να έρθει σε επαφή με τον αέρα της ατμόσφαιρας γιατί το λάδι θα απορροφήσει υγρασία. Για το λόγο αυτό φροντίζουμε να παρεμβάλλουμε κατάλληλα συσκευή με υγροσκοπικούς κρυστάλλους
~ Το ψυγείο του λαδιού που χρησιμεύει για την ψύξη του λαδιού. Για την καλύτερη απαγωγή της παραγόμενης θερμότητας τοποθετούνται εξωτερικά του δοχείου του μετασχηματιστή τα ψυγεία που διαθέτουν εκτεταμένες επιφάνειες εναλλαγής της θερμότητας. Στους μετασχηματιστές μεγάλης ισχύος με λάδι η ψύξη του λαδιού διευκολύνεται ακόμα περισσότερο με την εξαναγκασμένη κυκλοφορία του αέρα χρησιμοποιώντας ανεμιστήρες.
~ Την ασφαλιστική διάταξη Buchholtz η οποία τοποθετείται μεταξύ δοχείου διαστολής και του σώματος του μετασχηματιστή. Αυτή φέρει έναν πλωτήρα οπτικής και ηχητικής σήμανσης, έναν πλωτήρα διακοπής, έναν εξαεριστικό κρουνό και έναν κρουνό αποστράγγισης και συνιστά μια διάταξη ευαίσθητη και αξιόπιστη για την προστασία ενός μετασχηματιστή από διαρροή λαδιού και υπερθέρμανση. Και τούτο γιατί αν εξαιτίας μιας διαρροής λαδιού αδειάσει το δοχείο διαστολής και κατέβει η στάθμη του λαδιού κάτω από τον πλωτήρα σήμανσης τότε θα κλείσουν οι επαφές της διάταξης Buchholtz θα ηχήσει η σειρήνα και θα αρχίσει να αναβοσβήνει μια λάμπα.
Αν συνεχιστεί η διαρροή, ο μετασχηματιστής θα υπερθερμανθεί από έλλειψη λαδιού και από την υψηλή θερμοκρασία θα δημιουργηθούν φυσαλίδες στη μάζα του λαδιού οι οποίες και θα κινήσουν τον πλωτήρα διακοπής. Εδώ έχουμε το δεύτερο επίπεδο ασφάλειας γιατί μόλις κλείσουν οι επαφές του πλωτήρα ενεργοποιείται το σύστημα αυτόματων διακοπτών και βγαίνει οριστικά εκτός λειτουργίας ο μετασχηματιστής. Αν το λάδι υπερθερμανθεί από βραχυκύκλωμα ή από υπερφόρτιση διαρκείας και πάλι η ασφαλιστική διάταξη θα ενεργοποιηθεί για την προστασία του μετασχηματιστή.
Ιστορική αναδρομή
Η ιστορία των μετασχηματιστών ξεκινάει από το 19ο αιώνα. Μεταξύ 1883 και 1886 έγιναν οι πρώτες δοκιμές σε γραμμές με συνεχές ρεύμα έδειξαν ότι υπάρχουν εγγενείς δυσκολίες στο σύστημα Συνεχούς Ρεύματος υπό υψηλή τάση δεδομένου ότι στην πράξη το όριο στο συλλέκτη μιας μηχανής είναι τα 7000 V. Στη Γαλλία την περίοδο αυτή για να υπερβούν τον περιορισμό στην τάση του συνεχούς ρεύματος στο σταθμό παραγωγής συνέδεσαν εν σειρά μερικές γεννήτριες και στους υποσταθμούς της εποχής εν σειρά μερικοί κινητήρες για να τροφοδοτηθεί μια σύγχρονη γραμμή με συνεχές ρεύμα σε τάση 57,6 KV από τη Mautier στη Lyon σε μια απόσταση 180 km και συνολική ισχύ 4650 kW. Το 1886 ο πρώτος στοιχειώδης μετασχηματιστής λειτουργεί στη Μασσαχουσέτη. Το 1891 ο πρώτος εμπορικής χρήσης μετασχηματιστής ξηρού τύπου κατασκευάζεται στη Ρωσία. Την ίδια χρονιά εντελώς ανεξάρτητα στην Ελβετία κατασκευάζεται ο πρώτος μετασχηματιστής με λάδι με τάση 330, ενώ στη διεθνή έκθεση Φρακφούρτης δίνεται φορτίο 200 kV από υποσταθμό που βρίσκεται 170 χιλιόμετρα μακριά.
Στον εικοστό αιώνα το 1929 γίνεται η εφεύρεση του H. N. Buchholtz και στη δεκαετία του 1960 άρχισαν να κατασκευάζονται μεταλλοεπενδεδυμένοι μετασχηματιστές καθώς μετασχηματιστές τύπου GIS. Στη δεκαετία του 1970 εισάγονται οι Η/Υ. Τέλος στη δεκαετία του 1980 κατασκευάζονται υποσταθμοί 1200 kV. Στους υποσταθμούς επίσης χρησιμοποιούνται στατοί ηλεκτρονόμοι και Expert Systems στους υποσταθμούς.
