Силовые элегазовые трансформаторы - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

10765
Силовые элегазовые трансформаторы

Реальная альтернатива пожаро- и взрывоопасным масляным трансформаторам – современные высокотехнологичные пожаро- и взрывобезопасные силовые элегазовые трансформаторы, обладающие целым рядом неоспоримых достоинств по сравнению с масляными трансформаторами. Рассмотрим эти достоинства более подробно.

 

Коротко об основных достоинствах силовых элегазовых трансформаторов

Негорючесть

Применение в силовых элегазовых трансформаторахв качестве изоляции и хладагента негорючего элегаза (гексафторида серы SF6) является кардинальным решением проблемы пожаробезопасности этого типа трансформаторов, что делает ненужным устанавливать вокруг них противопожарное оборудование, маслосборники и сточные канавы. Тем самым, при применении элегазовых трансформаторов наиболее эффективно используется пространство на электроподстанции.

Взрывобезопасность

Если при возникновении внутренних неисправностей в элегазовом трансформаторе возникнет электрическая дуга, то вследствие сжимаемости элегаза внутреннее давление в элегазовом трансформаторе повысится намного меньше, чем в масляном трансформаторе. Тем самым, не возникает никакой угрозы для герметичности бака, что полностью исключает опасность его взрыва или возгорания и гарантирует безопасность оборудования на электроподстанции, где установлен элегазовый трансформатор.

Малошумность

Посколькуэлегаз обладает значительно лучшими звукоизолирующими свойствами, чем трансформаторное масло, уровень шума элегазового трансформатора оказывается намного ниже по сравнению с уровнем шума, создаваемого масляным трансформатором.

Высокий уровень герметичности

Благодаря высокому уровню герметичности силовых элегазовых трансформаторов полностью исключается возможность попадания внутрь них наружного воздуха, влаги, пыли, вследствие чего со временем не будет ухудшаться изоляция активной части этих трансформаторов. Кроме того, поскольку внутри таких трансформаторов находится инертный газ, то их изоляция стареет намного медленнее по сравнению с изоляцией масляных трансформаторов. Поэтому отпадает необходимость периодического осмотра их активной части, что существенно упрощает эксплуатацию элегазовых трансформаторов и позволяет их использовать в рабочем состоянии в течение более длительного периода времени по сравнению с масляными трансформаторами.

Компактность

Поскольку при применении элегазовых трансформаторов отсутствует необходимость установки расширительного бака и устройства сброса давления, становится возможным существенно уменьшить высоту помещения трансформаторной подстанции (ТП). Так, при установке элегазового трансформаторанапряжением 275 кВ мощностью 300 MB·A на ТП можно добиться снижения высоты подстанции примерно на 2…2,5 м.

Малая масса

Поскольку удельный вес элегаза меньше, чемудельный вес трансформаторного масла, силовые элегазовые трансформаторы имеют меньшую массу по сравнению с масляными трансформаторами такой же мощности.

Большая степень свободы схемы размещения трансформатора

Кроме компактности и меньшей массы элегазовые трансформаторы, по сравнению с масляными такой же мощности, также характеризуются большей степенью свободы их размещения. Это достигается благодаря малому отношению плотности элегаза к плотности изоляционного трансформаторного масла, приблизительно равному 1/60, а также его меньшей вязкости, вследствие чего в системе труб охлаждения имеют место меньшие потери давления. Это позволяет устанавливать охладитель не на самом трансформаторе, а отдельно от его корпуса, что имеет существенное преимущество в случае ограничений на размер площади, отводимой на установку трансформатора.

Отличное сопряжение с элегазовой коммутационной аппаратурой

Применение элегазового трансформатора совместно с элегазовой коммутационной аппаратурой обеспечивает очень компактную планировку электроподстанции и сокращение занимаемой ею площади, что достигается за счет установки трансформаторного оборудования и коммутационной аппаратуры в одном и том же помещении, особенно в тех случаях, когда подстанция расположена под землей или находится в больших городах, где стоимость участка земли достаточно высока. В результате достигается значительное снижение затрат на строительство. Поэтому одной из основных областей применения элегазовых трансформаторов являются подземные и закрытые электроподстанции в городских районах, а также экологически критичные зоны, где утечка масла недопустима.

Экологичность вторичной переработки

Вторичная переработка отработавших свой ресурс силовых элегазовых трансформаторов намного выше по сравнению с переработкой отслуживших свой срок масляных трансформаторов. Так, согласно расчетов, выполненных сотрудниками Украинского института трансформаторостроения (УИТ), г. Запорожье, до 96% натуральных материалов, входящих в состав элегазовых трансформаторов, могут быть использованы повторно. В частности, повторно может использоваться элегаз, а изоляционное покрытие (пластиковые пленки) могут быть легко переработаны. В то же время при утилизации масляных трансформаторов трансформаторное масло, изоляционная бумага, бандажные и другие материалы не могут повторно использоваться по своему прямому назначению. Из выше сказанного следует, что производство силовых элегазовых трансформаторов позволяет сэкономить трудовые и природные ресурсы.

 

Некоторые недостатки силовых элегазовых трансформаторов

Элегазовым трансформаторам, как и любому другому элегазовому оборудованию, присущи некоторые недостатки. Так, при достаточно высокой температуре и в условиях повышенного давления возможен переход элегаза в жидкое состояние. Поэтому, если предполагается использование элегазового трансформатора при температуре в 40°С, то давление в нем не должно превышать 0,4 МПа. Кроме того, элегаз, используемый в силовых элегазовых трансформаторах, может разлагаться под воздействием электрических разрядов, образуя в процессе разложения различные химически активные и даже токсичные вещества.

Еще одним недостатком силовых элегазовых трансформаторов является их намного большая стоимость по сравнению с масляными трансформаторами одинаковой с ними мощности, хотя фактические стоимости этих двух типов трансформаторов обязательно должны учитываться расходы на их эксплуатацию. Такие расходы на текущие и капитальные ремонты масляных трансформаторов намного больше, по сравнению с расходами на эксплуатацию элегазовых трансформаторов, которые практически отсутствуют, поскольку элегазовые трансформаторы не требуют специального обслуживания, кроме проведения мониторинга давления газа.

 

Функциональные возможности силовых элегазовых и масляных трансформаторов

Сравним между собой функциональные возможности обоих типов трансформаторов, проанализировав которые, можно принять обоснованное решение о выборе силового элегазового трансформатора, способного обеспечить его непрерывную бесперебойную работу в конкретных условиях эксплуатации.

Для проведения такого сравнения следует сопоставить основные характеристики обоих типов трансформаторов, а также их фактические стоимости и расходы на их эксплуатацию. Обобщенные результаты сопоставления основных характеристик силовых элегазовых и масляных трансформаторов приведены в табл.1 [1, 2].

Приведенные в табл.1 значения основных характеристик силовых элегазовых и масляных трансформаторов четко показывают, что элегазовые трансформаторы, по подавляющему большинству характеристик, превосходят масляные трансформаторы одинаковой с ними мощности. Все же при принятии окончательного решения о выборе конкретного типа трансформатора, кроме сопоставления приведенных в табл.1 характеристик обоих типов трансформаторов, следует обязательно учитывать фактические стоимости каждого из них, а также расходы на их эксплуатацию.

 

Конструктивные особенности силовых элегазовых трансформаторов и решение сложных проблем разработки их изоляции в УИТ (г. Запорожье)

Структурная схема силового элегазового трансформатора показана на рис.1, где обозначено: 1 – ввод; 2 – бак трансформатора; 3 – стальной магнитопровод; 4 – элегаз; 5 – охладитель; 6 – воздух; 7 – газодувка; 8 – разделительная перегородка; 9 – обмотки трансформатора.

Сравнение структурной схемы элегазового трансформатора с известной структурной схемой силового масляного трансформатора с естественным охлаждением показывает большое сходство между ними. Так, конструкции магнитопроводов обоих типов трансформаторов практически не отличаются между собой. Отсутствуют также принципиальные отличия и в системе охлаждения обоих типов трансформаторов, хотя при проведении сравнения этих систем следует учитывать, что поскольку охлаждающая способность элегаза ниже, чем трансформаторного масла. Поэтому в силовых элегазовых трансформаторах для достижения характеристик охлаждения, сравнимых с характеристиками охлаждения масляных трансформаторов одинаковой с ними мощности,должен циркулировать намного больший объем элегаза и должны применяться мощные газодувки – специальные установки, создающие принудительную циркуляцию газа.

Не существует принципиальных отличий и в изоляции обмоточного провода, применяемого в обоих типах трансформаторов, хотя в каждом из них используются различные изоляционные материалы. Так, в элегазовых трансформаторах вместо изоляционной бумаги, применяемой в масляных трансформаторах, используется арамидная бумага типа NOMEX или воздухонепроницаемая пластиковая пленка, обладающая высокой электрической прочностью в газовой среде и высокой максимально допустимой температурой tдоп=(120–180)°С, т.е. на 15…75°С превышающей максимально допустимую температуру промасленной бумаги. В связи с этим для обмоток элегазовых трансформаторов определен более высокий предел допустимого превышения температуры по сравнению с обмотками масляных трансформаторов.

В то же время отличительной особенностью элегазовых трансформаторов является наличие в них сложных, очень напряженных зон изоляции, которые требуют более детального рассмотрения.

Рассмотрим эти зоны более подробно на примере спроектированного в УИТ (г. Запорожье) однофазного силового элегазового трансформатора мощностью 20 МВ·А, напряжением 154 кВ, серийный образец которого показан на фото в начале статьи, был изготовлен южнокорейской компанией HYUNDAI.

Поперечный разрез силового элегазового трансформатора мощностью 20 МВ·А показан на рис.2, где обозначено: 1 – третичная обмотка (ТО); 2 – двухслойная обмотка низшего напряжения (НН); 3 – обмотка высшего напряжения (ВН) с вводом посередине высоты; 4 -регулировочная обмотка (РО), состоящая из двух параллельных частей; 5 – экранирующие кольца, установленные на верхнем и нижнем краях обмотки ВН; 6 – изоляционные цилиндры; 7 – изоляционное кольцо; 8 – металлическая консоль; 9 – экран, предназначенный для экранирования острых углов магнитопровода(это не ошибка?); 10 – изоляционный слой.

Наиболее напряженными (выделены на рис.2 штриховыми линиями) являются следующие зоны изоляции силового элегазового трансформатора [1]:

• зона1 – зонаглавной маслобарьерной изоляции, занимающая пространство посредине высоты обмоток ВН и НН, которая расположена вблизи линейного вывода обмотки ВН с вводом посредине;

• зона 2,а – зонаглавной маслобарьерной изоляции между краем регулировочной обмотки РО и обмоткой ВН;

• зона 2,б– зонаглавной маслобарьерной изоляции между краем третичной обмотки ТО и магнитопроводом;

• зона 3– зона витковой изоляции, охватывающая изоляцию между соседними витками обмотки ВН;

• зона 4– зона межкатушечной изоляции, охватывающая изоляцию между соседними катушками обмотки;

• зона 5– зона изоляции отводов, охватывающая изоляцию отводов элегазового трансформатора.

Снижение напряженности электрического поля в каждой из этих зон до допустимого уровня по условиям длительной и безопасной эксплуатации элегазового трансформатора является трудно решаемой научно-технической проблемой, поскольку в отечественной и европейской практике трансформаторостроения (в отличие от стран Юго-Восточной Азии) до недавнего времени отсутствовал опыт создания силовых элегазовых трансформаторов.

Сотрудники УИТ (г. Запорожье), впервые в Европе приступившие к разработке силовых элегазовых трансформаторов, максимально воспользовались многолетним накопленным в УИТ опытом разработки элегазовых измерительных трансформаторов на напряжение от 110 до 1150 кВ. Они также успешно адаптировали типовые конструкции изоляции обмоток мощных масляных трансформаторов к конструктивным особенностям разрабатываемых проблемных зон обмоток силовых элегазовых трансформаторов, что позволило в значительной мере справиться с решением сложной проблемы снижения напряженности электрического поля в этих проблемных зонах обмоток элегазового трансформаторадо допустимого уровня по условиям его безопасной эксплуатации.

Кроме того, успешному решению этой сложной проблемы способствовало также то, что в УИТ были созданы и испытаны как крупномасштабные, так и малые физические модели, воспроизводящие в масштабе, близком к единице, указанные на рис.2 пять проблемных зон изоляции силового элегазового трансформатора.

Отметим, что каждая из этих моделей изготовлялась из тех же самых материалов и по такой же самой технологии, что и соответствующие узлы проектируемого элегазового трансформатора и тщательно готовилась к испытаниям путем проведения таких операций, как ее сушка под вакуумом, сборка, установка в испытательный бак, который после этого заполнялся элегазом. При проведении самих испытаний вначале выполнялось «кондиционирование» изоляции каждой модели, после чего модель испытывалась импульсным напряжением по ступенчатой методике: на выдерживаемые ступени вначале прикладывалось 15 импульсов напряжения, а на заключительной стадии испытаний – по 3 импульса на ступень.

Исследования электрической прочности изоляции разрабатываемого силового элегазового трансформатора на масштабных моделях позволили: определить значения повреждающих напряжений и напряженностей электрического поля с учетом конструктивных особенностей трансформатора; уточнить математические модели каждой из пяти особенно напряженных зон его изоляции; получить полную базу данных, необходимых для проектирования изоляции силовых элегазовых трансформаторов.

Кроме того, в УИТ (г. Запорожье) была получена сложная картина распределения напряжения по катушкам обмоток разрабатываемого элегазового трансформатора, а также полностью решена еще недостаточно изученная в трансформаторостроении проблема, так называемых, диэлектрических клиньев, представляющих собой диэлектрические зазоры клинообразной формы, расположенные между деталями изоляции или между изоляционной и проводящей деталью. Особая опасность таких клиньев в местах их возможного образования в наиболее напряженных зонах изоляции обмоток состоит в возможном появлении в этих местах опасных местных повышений напряженности электрического поля, которые инициируют и в дальнейшем развивают электрический разряд (как правило, по поверхности).

Проведенные исследования электрофизических процессов в проектируемом элегазовом трансформаторе позволили также подтвердить ранее высказанное следующее очень важное предположение: пробой изоляции в силовых элегазовых трансформаторах определяется величиной максимальной напряженности электрического поля в точке.

Этим силовые элегазовые трансформаторыпринципиально отличаются от силовых масляных трансформаторов, у которых величиной, определяющей электрическую прочность изоляции, является средняя напряженность электрического поля вдоль силовой линии от поверхности изоляции одного элемента конструкции до поверхности изоляции другого элемента конструкции.

 

Литература

1. Гура Ю.Л. Силовой трансформатор с элегазовым заполнением // Электрик. – 2009. – №1–2; 9.

2. Полтев А.И. Конструкция и расчет элегазовых аппаратов высокого напряжения. – Л.: Энергия, 1979.

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