Маслянные энергосберегающие трансформаторы - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

4893
Маслянные энергосберегающие трансформаторы

Рассмотренные в первой части этой статьи аморфные (нанокристаллические) сплавы, из которых в настоящее время изготовляют магнитопроводы энергоэффективных трансформаторов, представляют собой новый класс металлических материалов с беспорядочной структурой на атомном уровне. Отличительной особенностью таких материалов является то, что они имеют в 3–7 раз меньшие удельные потери при перемагничивании по сравнению с электротехническими сталями. Поэтому, по общей оценке энергетиков, замена ранее изготовленных конструкций распределительных трансформаторов, значительное количество которых физически и морально устарели, на энергоэффективные трансформаторы с магнитопроводом, изготовленным из аморфного сплава (сокращенно – аморфные трансформаторы), позволяет в 3–4 раза снизить в них потери ХХ по сравнению с потерями в трансформаторах обычной конструкции.

Кроме того, согласно результатам исследований, проведенных академиком РАН Янушем Данилевичем, КПД аморфных трансформаторов достигает 94,13%, тогда как у трансформаторов с магнитопроводом из обычной трансформаторной стали этот показатель не превышает 90,09%. Близкие к этим данные опубликованы также специалистами компании Metglas Inc., согласно которым использование аморфной стали в магнитопроводах трансформаторов позволяет существенно (на 71…80%) сократить в них потери, т.е. по сути почти в 5 раз.

Значительный интерес в плане оценки высокой энергоэффективности аморфных трансформаторов приводят также специалисты ОАО «Электрозавод» (г. Москва): аморфный трансформатор на 20…30% дороже обычного трансформатора, следовательно, увеличение на 30% затрат на изготовление такого трансформатора мощностью 400 кВ·А при цене электроэнергии 0,1 USD/кВт·ч окупится за 4 года, а полная стоимость аморфного трансформатора благодаря снижению потерь электроэнергии компенсируется не более чем за 16 лет.

Ниже рассмотрены особенности технологии производства аморфной ленты для магнитопроводов энергоэффективных трансформаторов и конструкторские решения отдельных узлов таких трансформаторов, а также проанализирован достигнутый за последние годы прогресс в снижении потерь ХХ в энергоэффективных распределительных трансформаторах мощностью 25…2500 кВ·А по сравнению с потерями в трансформаторах такой же мощности с магнитопроводом, изготовленным из трансформаторной стали.

 

Особенности технологии изготовления ленты из аморфного расплава

Ленточные витые магнитопроводы, изготовляемые из электротехнической стали или пермаллоевых сплавов, давно и довольно широко используются в трансформаторах, работающих в диапазоне частот до 100 кГц. Однако эти материалы не удовлетворяют требованиям комплексного обеспечения высокого КПД, экономичности, технологичности и других показателей энергоэффективных трансформаторов.

Появление аморфных нанокристаллических сплавов, обладающих уникальными физическими и магнитными свойствами, в сочетании с усовершенствованием технологии получения таких сплавов, позволившей за последние три десятилетия снизить их стоимость с 300 до 2,8–3,0 USD/кг. Это привело к тому, что стало экономически выгодно серийно изготовлять магнитопроводы из аморфных сплавов и, соответственно, энергоэффективные трансформаторы с такими магнитопроводами.

Материалом магнитопроводов энергоэффективных трансформаторов служит лента, получаемая методом сверхбыстрого (со скоростью порядка 106 К/с) охлаждения струи готового аморфного нанокристаллического расплава, который выливается на поверхность барабана, вращающегося с большой скоростью vб, как это показано на рис.4, где обозначено:

1 – аморфный расплав;

2 – плавильная камера;

3 – лужа расплава;

4 – лента;

5 – охлаждающая поверхность.

Упрощенная схема установки, используемой компанией Metglas Ink. для изготовления ленты из аморфного расплава, показана на рис.5, где обозначено:

1 – печь;

2 – аморфный расплав;

3 – резервуар;

4 – дозатор;

5 – лента из аморфного расплава;

6 – устройство непрерывного технологического контроля;

7 – устройство, осуществляющее непрерывное охлаждение ленты.

Получаемую из аморфного расплава ленту отжигают в среде инертного газа при воздействии магнитного ноля напряженностью 800 А/м и, учитывая ее малую толщину (0,024 мм), сворачивают в пять слоев в рулон, тем самым увеличивая ее толщину в 5 раз, затем изготовляют из нее витые конструкции магнитопроводов распределительных трансформаторов.

На рис.6 и рис.7 показаны соответственно магнитопровод аморфного трансформатора в сборе и готовый трансформатор.

 

Усовершенствование конструкции отдельных узлов энергоэффективных трансформаторов

1. Применение алюминиевой ленты для изготовления обмоток трансформатора

Применение алюминиевой ленты для изготовления обмоток энергоэффективных аморфных трансформаторов номинальной мощностью более 250 кВ·A явилось важным усовершенствованием в области их конструктивного исполнения, так как позволило применять в трансформаторах такой мощности обмотки прямоугольной формы, повысить их электрическую прочность, а также снизить производственные затраты.

Отметим, что для трансформаторов меньших мощностей применение алюминиевой ленты нецелесообразно, так как необходима межслоевая изоляция тоньше 0,08 мм, поскольку использование изоляции 2x0,08 мм значительно снижает коэффициент заполнения катушки, а применение синтетических пленок ограничено из-за их высокой стоимости.

2. Применение в масляных энергоэффективных трансформаторах баков с гофрированными стенками

Применение в трансформаторах баков с гофрированными тонколистовыми металлическими стенками толщиной 1,0...1,2 мм позволило создать компактный трансформатор за счет отказа от установки расширителя, что существенно уменьшило высоту трансформатора. Главное же преимущество таких трансформаторов состоит в том, что благодаря полному заполнению гофрированного бака маслом и полной герметичности трансформатора в целом изменение температурных колебаний масла компенсируется эластичностью гофр. Это позволяет также, кроме увеличения срока службы изоляции таких трансформаторовблагодаря отсутствию контакта масла с окружающей средой, значительно снизить затраты при эксплуатации этих трансформаторовза счет полного отказа от контроля состояния масла в течение всего срока эксплуатации трансформаторов.

3. Заказные модели энергоэффективных трансформаторов

Под кастомизацией (от англ. customer – клиент, потребитель) обычно подразумевают подгонку некоторого устройства под требования конкретного пользователя, чаще всего осуществляемую владельцем этого устройства после его покупки. Однако за последние несколько лет постепенно получила распространение кастомизация, проводимая в процессе изготовления устройства.

Хотя уникальные энергоэффективные трансформаторы с характеристиками, детально прописанными в требованиях Заказчика, создаются уже в течение ряда лет, но именно в последнее время компании-изготовители этих трансформаторов стали активно предлагать специализированную услугу по выпуску таких трансформаторов под индивидуальные нестандартные заказы. Так, например, компания Trafo-Union (ФРГ) предлагает Заказчику энергоэффективных распределительных трансформаторов следующую специализированную услугу: возможность изготовить компанией по спецзаказу трансформаторы, позволяющие осуществлять переключение снапряжения 10 кВ на напряжение 20 кВ. Основные группы соединений таких трансформаторов для мощностей до 250 кВ·A – Y/Z-5 и для мощностей до 630 кВ·A – ?/Y-5.

Другими словами, компания Trafo-Union предлагает Заказчику применять схемы с меньшим сопротивлением нулевой последовательности по сравнению с трансформаторами со схемой «звезда». Предлагаемые компанией схемы при неравномерной нагрузке фаз, обычно имеющей место в низковольтных сетях, обеспечивают лучший режим работы за счет снижения величины смещения нейтрали (напряжения нулевой последовательности).

Другой пример кастомизации энергоэффективных трансформаторов: при заказе трансформаторов, устанавливаемых в подземных электроподстанциях или в других ограниченных местах, компании-производители энергоэффективных трансформаторов предлагают Заказчику на этапе изготовления заказываемых трансформаторов оснащать их на стороне ВН штекерными (втычными) контактами, обеспечивающими быстрое и безопасное присоединение кабелей.

О росте спроса на нестандартные кастомизированные модели энергоэффективных трансформаторов, отдельные характеристики или узлы которых подбираются для нужд того или иного конкретного Заказчика в процессе их изготовления, свидетельствует такой факт: уже сегодня ряд компаний не просто готовы производить уникальные модели таких трансформаторов, а создают гибкие производственные цепочки с целью предоставления специализированных услуг по выпуску трансформаторов под индивидуальные нестандартные заказы. Так, например, компания «ЭлектроПромСервис» использует стандартизированный набор элементов – что-то вроде конструктора, а в корпорации «Русский трансформатор» разработана методика создания практически неограниченного количества новых моделей на базе освоенных в производстве трансформаторов. Преимущество таких подходов к обслуживанию потребителей очевидны: кастомизация обеспечивает конкурентное преимущество производителю благодаря созданию более высокой стоимости (ценности) для потребителя; весьма выгодна она и потребителю.

 

Сравнительный анализ потерь ХХ в энергоэффективных и традиционных конструкциях распределительных трансформаторов

По данным компании Metglas Inc. ежегодные потери в установленных в распредсетях распределительных трансформаторах с магнитопроводом из электротехнической стали составляют около 8% от закупочной стоимости этих трансформаторов. При этом ежегодная сумма затрат на возмещение потерь ХХ в распредсетях РФ по данным российских экспертов, как отмечалось в первой части этой статьи (см. Э 4/2013, стр. 12), составляет 32 млрд. USD.

В табл.4 приведены усредненные значения потерь ХХ для силовых трансформаторов на номинальное напряжение 10 кВ мощностью от 25 до 2500 кВ·А.

Как видно из табл.4, использование в магнитопроводах распределительных трансформаторов аморфных сплавов вместо трансформаторной стали позволяет сократить потери ХХ в 4–5 раз. Такие трансформаторы стоят дороже, однако за счет своей экономичности в долгосрочной перспективе с экономической точки зрения их намного выгоднее применять в распредсетях, чем трансформаторы с магнитопроводом, изготовленным из трансформаторной стали.

 

Заключение

Таким образом, при создании энергоэффективных трансформаторов их разработчики, базируясь на использовании в конструкции этих трансформаторов высококачественных материалов, таких как аморфные сплавы, новейшие изоляционные материалы и др., современных конструктивных и технологических решений, а также на компьютерных оптимизационных расчетах, ставили перед собой и успешно решили следующие основные задачи:

- максимально возможное снижение затрат на производство и эксплуатацию трансформаторов;

- снижение расхода активных и конструкционных материалов;

- уменьшение потерь XX и КЗ;

- повышение надежности;

- детальное изучение реальных условий функционирования энергоэффективных трансформаторов в распредсетях в различных режимах работы с целью выработки предложений по установке в них трансформаторов, суммарные потери в которых будут минимальными за весь срок службы трансформаторов.

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