Сухие и энергосберегающие трансформаторы - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

6280
Сухие и энергосберегающие трансформаторы

Конструкция силовых трансформаторов, состоящих из магнитопровода, обмоток и бака (для масляных трансформаторов), уже более столетия остается практически неизменной. Основные изменения происходят в области применяемых материалов и в технологии производства как его отдельных частей, так и трансформатора в целом. Так, на смену маркам горячекатаной электротехнической стали пришли холоднокатаные, для обмоток вместо меди стали использовать алюминий, изменился также способ шихтовки магнитопровода – вместо «прямого стыка» стали применять «косой стык», а толстостенный бак с расширителем уступил место герметичному тонкостенному гофрированному баку. Кроме того, за последние 40 лет вместо масляных все более широкое применение получили сухие силовые пожаро- и экологически безопасные типы трансформаторов напряжением класса 10 и 35 кВ с низким уровнем потерь ХХ и КЗ.

Наконец, в последние 10 лет, в связи с все более возрастающими (особенно в странах ЕС) требованиями к энергосбережению исключительную актуальность приобрела проблема крупномасштабного применения энергоэффективных силовых трансформаторов, в особенности распределительных (РТ), т.е. трансформаторов с магнитопроводом, изготовленным из аморфного (нанокристаллического) сплава с очень низким уровнем потерь электроэнергии.

Повышенный интерес к энергоэффективным силовым трансформаторам с магнитопроводом из аморфного сплава возник в связи с тем, что общие потери энергии во всем парке РТ являются очень большими вследствие необходимости многократно трансформировать электроэнергию при ее передачи на большие расстояния по распредсетям, что возможно осуществить только путем установки в них большого количества РТ, в результате чего общая мощность РТ в распредсетях в 7–8 раз превышает общую мощность генераторов. При этом, хотя в распредсетях ещё 20…25 лет тому назад были установлены и в настоящее время продолжают успешно работать при полной нагрузке РТ с КПД около 99%, однако даже при столь высоком КПД в каждом из этих трансформаторов за 40-летней срок службы выделяются в виде тепла значительные электрические потери на гистерезис и вихревые токи. Так, например, в магнитопроводе РТ мощностью 25 кВт, изготовленном из текстурированной железокремнистой электротехнической трансформаторной стали (ЭТС), постоянно, независимо от нагрузки трансформатора, теряется 85 Вт, что за 40 лет эксплуатации РТ составляет 30 МВт·ч электроэнергии, стоимость которой равна первоначальной стоимости трансформатора. Единственный способ существенного снижения потерь XX в РТ мощностью 25…100 кВ·А – это применение в РТ магнитопроводов, изготовленных из аморфных сплавов, что позволяет примерно в четыре раза снизить потери XX по сравнению с трансформаторами с магнитопроводами, в которых используется лучшие марки холоднокатаной стали (ХКС).

Поэтому нет ничего удивительного в том, что российские эксперты, используя приведенные в Энергетической стратегии России на период до 2030 г. данные о ежегодном потреблении в России электроэнергии, составляющем в настоящее время около 1000 млрд. кВт·ч, оценили общую сумму затрат на возмещение потерь ХХ в российских распредсетях в 32 млрд. USD в год и всецело поддержали содержащиеся в Распоряжении Правительства РФ от 1.12.2009 г. предложения о замене РТ с магнитопроводами из электротехнической стали энергоэффективными трансформаторами.

Учитывая исключительно важное значение для нужд народного хозяйства сухих силовых и энергоэффективных трансформаторов, рассмотрим более подробно основные особенности конструкции, технологии производства и характеристики таких трансформаторов.

 

Сухие силовые трансформаторы

В настоящее время подавляющее большинство зарубежных и отечественных компаний производят герметичные, полностью помещенные в герметичный кожух, защищенные и незащищенные защитным кожухом типы сухих силовых трансформаторов по вакуумной или безвакуумной(ровинговой) технологиям, сущность каждой из которых рассмотрена ниже.

Вакуумная технология производства сухих силовых трансформаторов

По этой технологииготовые обмотки трансформатора заливают в вакууме предварительно подготовленным в вакууме эпоксидным компаундом с кварцевым наполнителем, что позволяет исключить из состава изоляции обмоток различные примеси и газовые микрополости и, тем самым, существенно повысить диэлектрическую прочность изоляции по отношению к частичным разрядам, вызывающим ее быстрое старение и снижающим срок ее службы. В результате применения такой вакуумной обработки обмотка трансформатора покрывается прочной, закрытой со всех сторон эпоксидной оболочкой толщиной 5...20 мм, которая придает ей необходимую жесткость и надежно защищает от влаги и воздействия агрессивной среды.

Отличительной особенностью обмотки НН сухих силовых трансформаторов, изготовленных по вакуумной технологии, является то, что она,после предварительной пропитки и последующей вакуумной обработки, приобретает достаточно высокую механическую прочность, позволяющую ей 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.

Магнитопровод сухих силовых трансформаторов также имеет определенную особенность: он изготовляется из магнитной 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 технологии «Step Lap», обеспечивающей значительное (на 20…30%) снижение потерь ХХ, а также низкий уровень шума трансформатора.

Сухие силовые трансформаторы с обмотками, изготовленными по вакуумной технологии, получили название САSТ RЕSIN ТRАNSFОRМЕRS (сокращенно САSТ RЕSIN).

Общий вид сухого силового трансформатора типа САSТ RЕSIN и его основных элементов конструкции показаны на рис.1, где обозначено:

1 – магнитопровод трансформатора, изготовленный из магнитной стали с оптимальной зернистой структурой;

2, 3 – обмотки НН и ВН соответственно, изготовленные из алюминиевой ленты;

4, 5 – вводы НН и ВН соответственно;

6 – упругие опорные подкладки, предназначенные для снижения уровня шума трансформатора;

7 – опорная рама с переставляемыми роликами для перемещения трансформатора в продольном и поперечном направлениях;

8изоляция в виде смеси эпоксидной смолы и кварцевого наполнителя, образовавшаяся в результате вакуумной обработки.

Безвакуумная технология производства сухих силовых трансформаторов

При производстве сухих трансформаторов по этой технологии, впервые разработанной в конце 1970-х годов компанией АSЕА-LЕРРЕR (теперешнее название АВВ), обмотку ВН трансформатора изготовляют путем поочередного наматывания слоя обмотки на стержень магнитопровода «на мокро» при атмосферном давлении и межслоевой изоляции, состоящей из ровинга, насыщенного эпоксидным компаундом без наполнителя.

Трансформаторы с обмотками, выполненными по безвакуумной технологии, получили фирменное название «РЕЗИБЛОК», которое отражает тот факт, что обмотки такого трансформатора имеют вид монолитного блока, усилены стекловолокном, пропитанным эпоксидным компаундом, поэтому после последующей совместной термообработки способны выдерживать значительные усилия КЗ, не вызывающие возникновение трещин, что гарантирует долгий срок эксплуатации трансформаторов этого типа.

Общий вид сухого силового трансформатора типа RESIBLOC производства компании АВВпоказан на рис.2.

Сравнительная оценка сухих силовых трансформаторов типа САSТ RЕSIN и RESIBLOC

Оба типа сухих силовых трансформаторов практически равноценны по пожаробезопасности, влаго- и химостойкости, а также по экологической безопасности. В то же время трансформаторы типа RESIBLOC способны превосходить трансформаторы типа САSТ RЕSIN по механической прочности, динамической стойкости к силам КЗ, стойкости к действию высоких и низких температур и по некоторым другим характеристикам.

Основные технические характеристики обоих типов трансформаторов САSТRЕSIN и RESIBLOC, приведенные в табл.1 (для наиболее востребованных номинальных мощностей), близки между собой.

Таким образом, сухие силовые трансформаторы типаСАSТRЕSIN и RESIBLOC имеют улучшенные массогабаритные характеристики и по таким важнейшим показателям, как надежность, экономичность, экологичность, стойкость к воздействию окружающей среды, гибкость, компактность, необслуживаемость, технологичность и др., превосходят многие типы традиционных конструкций силовых трансформаторов. Благодаря вышеуказанным преимуществам эти трансформаторы широко применяются в системах распределения электроэнергии в жилых, общественных, административных и бытовых зданиях, а также на объектах с повышенным уровнем безопасности людей, оборудования и окружающей среды.

 

Энергоэффективные трансформаторы (трансформаторы с магнитопроводом из аморфного сплава)

Силовые трансформаторы с магнитопроводами из аморфных сплавов, за которыми прочно закрепилось несколько названий, таких как энергосберегающие, трансформаторы будущего, аморфные трансформаторы и др., имеют главное преимущество по сравнению с другими типами силовых трансформаторов: они обладают не просто высокой, а исключительно высокой энергоэффективностью, достигаемой за счет изготовления их магнитопроводов из аморфных сплавов. Такие сплавы имеют очень низкие потери ХХ, составляющие основную часть технических потерь в распределительных трансформаторах. В свое время применение технологии «Step Lap» при производстве сухих силовых трансформаторов, как отмечалось выше, обеспечило значительное (на 20…30%) снижение потерь ХХ, что явилось большим достижением. Использование же аморфных сплавов дает возможность совершить настоящий технологический прорыв в трансформаторостроении и сократить указанные потери еще на 75%.

Важно отметить, что эксперты, прогнозировавшие в свое время производство распределительных трансформаторов с магнитопроводом из аморфного сплава только в будущем, называя их «трансформаторами будущего», ошиблись в сроках начала их производства. Такое производство осуществляется уже сейчас: ряд компаний не только на Западе, но и в России и на Украине разворачивают производство силовых трансформаторов с магнитопроводами из аморфного сплава. В частности, на Украине группа «Трансформер» сообщила, что изготовленные этой группой первые опытные образцы трансформаторов с магнитопроводом из аморфного сплава, один из которых показан на рис.3, будут установлены в сетях МРСК.

Основные характеристики аморфного сплава

Прежде чем охарактеризовать особенности конструктивного исполнения энергосберегающих трансформаторов с магнитопроводом из аморфного сплава, рассмотрим вначале основные характеристики такого сплава.

Аморфный (нанокристаллический) сплав представляет собой новый тип материала, который, в отличие от металла, обладающего кристаллической структурой, в которой атомы образуют упорядоченную, повторяющуюся трехмерную решетку, не имеет кристаллической структуры, т.е. у него атомы расположены в произвольном порядке, и поскольку его структура напоминает структуру стекла, то аморфный сплав часто называют также стеклянным металлом. Отличительная особенность такого сплава – очень низкие потери на гистерезис и на вихревые токи.

Основные характеристики магнитных свойств аморфного сплава системы FeSiB, разработанного специалистами ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина (Россия) – одного из мировых лидеров в разработке нанокристаллических материалов и в технологии их производства, приведены в табл.2, а характеристики самого аморфного сплава – в табл.3.

Сплав системы FeSiB, магнитные характеристики которого приведены в табл.2, имеет следующие отличительные особенности по сравнению с зарубежными аналогами:

- снижение стоимости шихтовых материалов на 40…50% по сравнению со сплавами Metglas;

- уменьшение (не менее чем вдвое) энергозатрат при производстве ленты за счет снижения температуры плавления на 50°С и уменьшение времени гомогенизации в 2 раза;

- увеличение производительности за счет уменьшения времени технологического цикла.

Специалисты ЦНИИЧермета доказали, что толщина ленты может быть увеличена до 0,03…0,05 мм за счет оптимального легирования (улучшения стеклования) в 1,5–2 раза, а также, что возможно получение пластичной ленты при пониженном содержании элементов-аморфизиторов. Все это, безусловно, будет стимулировать производство энергосберегающих трансформаторов.

Основными препятствиями на пути крупномасштабного применения трансформаторов с магнитопроводом из аморфного сплава являются высокие затраты и сложные методы производства таких трансформаторов. Так, стоимость аморфных трансформаторов на 15…40% выше стоимости трансформаторов с магнитопроводом из кремнистой стали (в зависимости от класса используемой кремнистой стали). При этом имеет место следующая закономерность: чем выше энергоэффективность стали, используемой в магнитопроводе трансформатора, тем выше ее цена.

 

(Продолжение следует)

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus