Молниезащита
Высоковольтная техника
Статьи / Высоковольтная техника / Сухие силовые трансформаторы. Выбор, устройство, характеристики трансформаторов.
  15.06.11  |  

Сухие силовые трансформаторы. Выбор, устройство, характеристики трансформаторов.

Сухие силовые трансформаторы. Выбор, устройство, характеристики трансформаторов.
Силовые трансформаторы являются одними из важнейших элементов электрических сетей и электроустановок. Ранее, вплоть до последней трети прошлого веко, в электросетях исключительно использовались силовые масляные трансформаторы. Однако за последние 40 лет вместо них все более широко стали применять сухие силовые трансформаторы, представляющие собой один из современных пожаро- и экологически безопасных типов трансформаторов, у которых магнитная система и обмотки не погружены в трансформаторное масло, кремнийорганическую жидкость (КОЖ) или какой-либо другой жидкий диэлектрик.

Этим сухие трансформаторы существенно отличаются от традиционных конструкций пожаро- и экологически опасных масляных трансформаторов, которые, с целью устранения опасности возгорания масла и бумажно-масляной изоляции, необходимо размещать в специально оборудованных помещениях с огнеупорными наружными стенами, потолками и полами, а также маслоприемника- ми в виде ям для стекания масла, или же помещать их в от-дельные камеры с выходом наружу. К тому же масляные трансформаторы в отличие от сухих трансформаторов требуют постоянного технического обслуживания, что ведет к дополнительным эксплуатационным расходам.

Сухие силовые трансформаторы по сравнению с масляными трансформаторами имеют целый ряд преимуществ, основные из которых приведены в таблице 1.

Наименование преимущества Характеристика преимущества
Надежность Высокийуровень надежности, достигнутый благодаря технологическому прогрессуизготовления Высокая устойчивость к переменному и ударному напряжениюОтсутствие частичных разрядов Возможность работы с перегрузкой

Стойкость к условиям повышеннойвлажности и загрязненности

Экономичность

Возможность оптимизацииэлектросетей благодаря установкесухих трансформаторов в центрах потребления электроэнергии, что снижаетпотерив ЛЭП и затраты на кабель в сетях низкого напряжения Простотаперенастройки приизменении условий эксплуатации
Отсутствие необходимости иметь специальные помещения дляустановки трансформаторов

Экологичность                Отсутствиев трансформаторе масла устраняет угрозу загрязнения окружающей средыпри егоутечке Трудновозгораемость, исключительно высокий уровеньпожаробезопасностиОтсутствие в случае пожара выброса в окружающую среду токсичных и едкихгазовНизкий уровень шума
Стойкостьк воздействию окружающей среды

Возможность работы приповышенной и пониженной температуре ивысокой влажности воздуха Возможность работы в условиях солесодержащей,агрессивной атмосферы, при наличии металлической пыли

Гибкость

Возмсжность существенного (до50%) увеличения мощноститрансформатора посредством установки вентиляторов охлаждения
Разнообразие вариантов техники подключения

Компактность

Минимальная занимаемая площадьввиду компактности размеровсухих трансформаторов, что позволяет выгоднее использовать пространствопроизводственных помещений

Необслуживаемость

Обслуживание практическиполностью исключается и сводится кпериодическому проведению визуальных осмотров

Улучшенныемассогабаритные характеристики Сухиетрансформаторы имеют низкие потери XX и КЗ, характеризуются высокойстойкостьюк КЗ и длительным тепловым перегрузкам
Технологичность

Сходная с маслянымитрансформаторами технология изготовленияБольшая доступность основных изоляционных материалов



Таблица 1

Хотя маломощные однофазные сухие трансформаторы применялись в устройствах радиотехники, автоматики, сигнализации, связи и т.п. еще в первой половине прошлого века, технология производства силовых одно- и, в особенности, трехфазных сухих трансформаторов, предназначенных для преобразования электроэнергии в электросетях и электроустановках, была разработана намного позднее - в последней трети прошлого века.
За тридцатилетний период времени мощность сухих трансформаторов удалось повысить в 40 раз (с 0,5 до 20 МВА), рабочее напряжение - в 2 раза (с 18 до 36 кВ), испытательное напряжение - в 2,5 раза (с 80 до 200 кВ), что позволило наладить серийный выпуск различных конструкций сухих трансформаторов, которые согласно международному стандарту МЭК-726 имеют классификацию, приведенную в табл.2.

Наименованиетипов сухих трансформаторов

Общая характеристикаособенностей конструкции трансформатора

Герметичные

Трансформатор окружен воздухомили помещен в защитный кожух,уплотненный таким образом, что отсутствует заметный обмен между еговнутреннимобъемом и окружающей атмосферой

Полностьюпомещенные в геометичный кожух

Конструкция трансформаторатакова, что окружающий воздух неохлаждает его магнитную систему и обмотки, однако он может сообщаться сатмосферой

Защищенные Защитныйкожух трансформатора выполнен так, что окружающий воздух можетнепосредственноохлаждать магнитную систему и обмотки трансформатора
Незащищенные УTpaнсформатора отсутствует защитный кожух, а его магнитная система иобмоткиохлаждается окружающим воздухом


Таблица 2

Отметим, что применение трансформаторов в электроустановках обеспечивает возможность генерирования электроэнергии на одном уровне напряжения, а для минимизации потерь на ее передачу использовать более высокое напряжение. При этом передача электроэнергии на большие расстояния от места ее производства до места потребления требует применения в современных электросетях не менее 5-, 6-кратной трансформации, осуществляемой путем применения повышающих и понижающих трансформаторов. Поэтому, вследствие необходимости распределения энергии по разным радиальным направлениям между многими потребителями, требуется устанавливать значительно большее количество отдельных трансформаторов по сравнению с количеством генераторов. При этом суммарная мощность трансформаторов в сети на каждой следующей ступени трансформации с более низким напряжением в целях более свободного маневрирования электроэнергией выбирается обычно большей, чем мощность предыдущей ступени более высокого напряжения. Поэтому общая мощность всех трансформаторов, установленных в электросетях, в настоящее время превышает общую мощность генераторов не в 5-6, а в 7-8 раз. В связи с этим важнейшими задачами являются: повышение качества силовых трансформаторов, использование прогрессивной технологии их производства, экономия материалов при их изготовлении и достижение как можно более низких потерь энергии при их работе в сети.

Хотя КПД подавляющего большинства современных трансформаторов составляет 98...99% и более, однако из-за необходимости многократной трансформации энергии и установки в связи с этим в сетях трансформаторов общей мощностью, в 7-8 раз превышающей мощность генераторов, общие потери энергии во всем парке транс-форматоров являются достаточно большими. Так, в сере-дине 50-х годов прошлого века они составляли около 6% всей энергии, выработанной электростанциями, а в последующие годы, когда потери XX были снижены до 50%, а потери КЗ - на 20...25%, общие потери в парке трансформаторов несколько уменьшились. Еще большего уменьшения этих потерь можно достичь за счет широкого применения сухих силовых трансформаторов, имеющих низкие потери XX и КЗ.

Область применения сухих силовых трансформаторов благодаря их многочисленным достоинствам, указанным в табл.1, достаточно обширна, несмотря на то, что они, обладая намного лучшими по сравнению с масляными трансформаторами потребительских свойствах, такими как повышенная надежность, безопасность, удобство в эксплуатации и др., стоят в 2,5-3 раза дороже, чем масляные. Эти трансформаторы широко применяются в системах распределения электроэнергии в жилых, общественных, административных и бытовых зданиях, а также на целом ряде других объектов, к которым предъявляются повышенные требования в отношении пожаробезопасности и взрывозащищенности, экологической чистоты и низкого уровня шума. К таким объектам с повышенным уровнем безопасности людей, оборудования и окружающей среды относятся больницы, гостиницы, банки, офисные центры, высотные здания, метрополитен, наземный электротранспорт и др. Кроме того, сухие силовые трансформаторы, изготовленные по специальным заказам, применяются также в особых условиях эксплуатации, в том числе для морского, арктического или тропического климата, для районов с повышенной сейсмической активностью и т.п.

Особенности конструктивного исполнения сухих трансформаторов, изготовленных по вакуумной технологии

В настоящее время, подавляющее большинство зарубежных и отечественных фирм производят сухие трансформаторы по одной из следующих технологий: вакуумной или безвакуумной (ровинговой).

Охарактеризуем вначале сущность вакуумной технологии производства сухих силовых трансформаторов.
При производстве сухих трансформаторов по вакуумной технологии готовые обмотки трансформатора заливаются в вакууме эпоксидным компаундом с кварцевым наполнителем, процесс подготовки которого также происходит в вакууме. Трансформаторы с обмотками, изготовленными таким образом, получили название CAST RESIN TRANSFORMERS, или сокращенно CAST RESIN.

Достоинство этой технологии заключается в том, что она позволяет исключить из состава изоляции различные примеси, а также газовые микрополости, резко ухудшающие диэлектрическую прочность изоляции по отношению к частичным разрядам, действие которых вызывает быстрое старение изоляции и снижает срок ее службы. Обмотка трансформатора в результате вакуумной обработки получает прочную, закрытую со всех сторон, эпоксидную оболочку толщиной 5...20 мм, которая придает обмотке необходимую жесткость и защищает ее от влаги и воздействия агрессивной среды.

Общий вид сухого силового трансформатора типа CAST RESIN, изготовленного по вакуумной технологии, показан на фотографии, помещенной в начале статьи, а вид наиболее важных конструктивных элементов этого трансформатора показан на рис.1, где обозначено:
1 - трехстержневой магнитопровод, состоящий из трех колонн, выполненных из магнитной стали с оптимальной зернистой структурой;
2, 3 - обмотки НН и ВН соответственно, изготовленные из алюминиевой ленты
4 - вводы НН, которые могут иметь либо нормальное расположение - сверху на противоположной стороне по отношению к вводам ВН, либо специальное расположение - снизу;
5 - вводы ВН, имеющие перемычки для согласования обмотки ВН с напряжением сети, которые расположены на стороне вводов НН; переключение перемычек осуществляется при невозбужденном трансформаторе;
6 - упругие опорные подкладки, предназначенные для снижения уровня шума трансформатора;
7 - опорная рама с переставляемыми роликами для перемещения трансформатора в продольном и поперечном направлениях;
8 - изоляция, представляющая собой смесь эпоксидной смолы и кварцевого наполнителя, не требующая дополнительного обслуживания.

сухой силовой трансформатор

Рис.1

Основные технические характеристики трансформаторов, изготовленных по вакуумной технологии компании ABB, приведены в табл.3.
Отметим наиболее существенные особенности обмоток и магнитопровода сухих силовых трансформаторов, изготовленных по вакуумной технологии заливки обмоток.
Отличительной конструктивной особенностью термообработанной обмотки ВН сухих силовых трансформаторов с литой изоляцией является то, что она изготавливается с применением автоматической намотки и состоит из выполненного из алюминиевой фольги набора катушек. Изоляция между витками осуществляется с помощью полиэфирной пленки. Каждая катушка армируется стекловолокном, подвергается глубокой сушке и затем заливается в вакууме эпоксидной смолой класса F, смешанной с кварцем и тригидроксидом алюминия. Такая технология изготовления обмотки ВН обеспечивает низкий уровень напряжения между соседними проводниками. Незначительная разность потенциалов между соседними витками обмотки позволила в трансформаторах с литой изоляцией отказаться от применения межслоевой изоляции и тем самым уменьшить габариты катушек и обеспечить высокое качество литой изоляции, покрывающей все проводники.

Обмотка НН сухих силовых трансформаторов, изготовленных по вакуумной технологии, также выполняется из алюминиевой фольги, изолированной диэлектрической пленкой класса F. Особенностью этой обмотки является то, что она, после предварительной пропитки и последующей вакуумной обработки, приобретает достаточно высокую механическую прочность, позволяющую не только сохранять целостность трансформатора при температурных деформациях и аварийных токах КЗ, многократно превышающих номинальный рабочий ток трансформатора, но и на порядок снизить в обмотке потери на вихревые токи по сравнению с потерями в обмотках обычного исполнения.

параметры сухого силового трансформатора

Табл.3

Магнитопровод, являющийся одним из важнейших элементов трансформатора, изготавливается из магнит-ной пластины с ориентированной зернистой структурой, которая защищена от удельных потерь энергии и обладает высокой магнитной проницаемостью. Кроме того, составные части магнитопровода в процессе его изготовления располагаются под углом 45°, с перекрывающимися соединениями по так называемой технологии «Step Lap», что приводит к снижению потерь и тока XX, а также уровня шума трансформатора.

Сухие силовые трансформаторы, изготовленные по безвакуумной технологии

Кроме изготовления сухих силовых трансформаторов по вакуумной технологии заливки обмоток, сухие трансформаторы создаются также и по другой технологии. Так, в конце 70-х годов прошлого века фирмой ASEA - LEPPER (теперешнее название ABB) была разработана безвакуумная технология производства сухих силовых трансформаторов. По этой технологии обмотка ВН сухого силового трансформатора изготовляется путем поочередного наматывания слоя обмотки и межслоевой изоляции, состоящей из ровинга, насыщенного эпоксидным компаундом без наполнителя, причем намотка производится «на мокро» при атмосферном давлении. Трансформаторы с обмотками, выполненными по такой технологии, получили название «РЕЗИБЛОК», отражающее тот факт, что такие обмотки имеют вид монолитного блока, усилены стекловолокном, пропитанным эпоксидным компаундом, и поэтому после последующей совместной термообработки способны выдерживать значительные усилия КЗ. Механическая прочность обмотки такого трансформатора исключает опасность возникновения трещин в обмотках и гарантирует долгий срок эксплуатации трансформаторов этого типа.

К основным преимуществам трансформаторов типа RES/BLOC относятся следующие:
• низкие потери XX и КЗ;
• низкий уровень частичных разрядов;
• высокая динамическая прочность обмоток,
• линейное распределение атмосферного перенапряжения;
• эффективная система естественного охлаждения (благодаря встроенным охлаждающим каналам), позволяющая их эксплуатировать в нормальном режиме работы при нагреве обмоток до 1 40°С;
• малошумность;
• исключительно высокая взрыво- и пожаробезопасность.
Общий вид сухого силового трансформатора типа RESIBLOC производства компании ABB, изготовленного по безвакуумной технологии, показан на рис.2, а его основные технические характеристики приведены в табл.4.

сухой силовой трансформатор

Рис.2

параметры сухого силового трансформатора

В столбце 4 числитель - стандартные потери XX, знаменатель - пониженные потери XX.

Табл.4

Трансформаторы RESIBLOC прошли длительные испытания при температуре окружающей среды -60°С, которые доказали, что данный тип трансформаторов пре-восходит по своим характеристикам требования существующих стандартов.

Сравнительная оценка основных достоинств сухих (эпоксидных) трансформаторов типа CAST RESIN, изготовляемых по вакуумной технологии, и трансформа-торов типа RESIBLOC, изготовляемых по безвакуумной технологии, показывает, что оба типа трансформаторов практически равноценны по пожаробезопасности; влаго- и химостойкости; экологической безопасности. В то же время трансформаторы типа RESIBLOC способны превосходить трансформаторы CAST RESIN по механической прочности, динамической стойкости к силам КЗ, стойкости к действию высоких и низких температур.

К.Ю.Гура



Другие статьи:

Минские сухие трансформаторы ТСЗГЛ премиум класса
Дуговая защита семейства «ОВОД»: итоги эксплуатации и
Плавкие предохранители - как они работают