Сухие силовые трансформаторы: жесткая альтернатива

Опубликовано: 5 апреля 2013 г. в 06:00, 1275 просмотровКомментировать

Еще лет двадцать назад, когда речь заходила о силовых трансформаторах, то, как правило, имелись в виду силовые масляные трансформаторы. А ведь исторически первыми были «сухие».

В Интернете, в печатных СМИ периодически появляются публикации, в которых противопоставляются масляные и сухие силовые трансформаторы. «ИЛИ-ИЛИ» — так можно кратко резюмировать суть этих статей. А ведь та или иная конструкция, тот или иной технический объект появляется на свет как ответ технического интеллекта на вызов потребностей общества. И масляные, и сухие трансформаторы появились в результате развития электротехники как составного компонента научно-технического прогресса.

Немного истории. Как известно, первая электропередача на переменном токе была осуществлена в 1883 году для освещения Лондонского метрополитена [1, 2]. Длина линии при этом составляла ~23 км. Напряжение повышалось до 1,5 кВ с помощью трансформаторов, которые были созданы в 1882 г. Л. Голяром и Д. Гиббсом во Франции. На деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек, магнитопровод был разомкнутым, первичные обмотки соединялись последовательно. Вторичная обмотка была секционирована, и каждая секция имела по два вывода для подключения приемников. Для регулирования напряжения на вторичных обмотках использовались выдвижные сердечники. Современные трансформаторы имеют замкнутый магнитопровод и их первичные обмотки включены параллельно. Первый патент на такие трансформаторы получил венгерский электротехник М. Дери (в феврале 1885 г.). Наиболее совершенные однофазные трансформаторы (без больших электромагнитных потерь, с замкнутым магнитопроводом) были сконструированы венгерскими инженерами М. Дери (1854–1934), О. Блати (1860–1939) и К. Циперновским (1853–1942). Именно эти специалисты впервые применили термин «трансформатор». Они предложили также три модификации трансформаторов, которые применяются до настоящего времени: кольцевой, броневой и стержневой. Такие трансформаторы серийно выпускались электромашиностроительным заводом «Ганц и Ко» в Будапеште.

Все упомянутые выше трансформаторы были «сухого» типа, т.е. охлаждение обмоток при работе трансформатора происходило за счет естественной воздушной конвекции — «сухим» способом.

Масляный трансформатор предложил швед Д. Свинберн в 1889 г. , поместив обмотки в керамический сосуд с маслом. В 1891 г. на заводе «Эрликон» (в Швейцарии) был изготовлен первый масляный трансформатор на высокое по тому времени напряжение 30 кВ.

Необходимо отметить, что все описанные выше изобретения представляли собой однофазные электрические машины.

В 1889 г. выдающийся русский ученый и изобретатель М. О. Доливо-Добровольский в результате исследований пришел к связным трехфазным системам и изобрел трехфазный трансформатор. Аналогичные работы велись и в Европе, где в 1893 году в Швеции была запущена одна из первых коммерческих трехфазных линий электропередачи [3].

Первая половина ХХ века — это мировой экономический кризис и Вторая мировая война. Поэтому начавшееся в конце XIX — начале XX века бурное развитие и совершенствование электрооборудования, распределительных электрических сетей продолжилось уже в послевоенные годы. При этом в СССР началом производства силовых трансформаторов можно считать 1928 год, когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии — Московский электрозавод). В этот период производились и эксплуатировались в основном силовые масляные трансформаторы, поскольку их конструкция обеспечивает более мощный отвод тепла и, тем самым, не ограничивает мощность трансформаторов.

Хотя маломощные однофазные сухие трансформаторы применялись в устройствах радиотехники, автоматики, сигнализации, связи и т.п. еще в первой половине прошлого века, технология производства силовых сухих трехфазных трансформаторов, предназначенных для преобразования электроэнергии в электросетях и электроустановках, была разработана намного позднее — в последней трети прошлого века.
Подробное описание конструкции различных типов сухих силовых трансформаторов, а также их преимущества и недостатки представлены подробно в статьях [4-7].

Электротехнические характеристики трансформаторов производства одного из лидеров мирового трансфор-маторостроения — фирмы АВВ, представлены в табл. 1.

Таблица 1. Электротехнические характеристики сухих силовых трансформаторов АВВ
Номинальная мощность, кВАНоминальное напряжение ВН/НН, кВНапряжение КЗ, %Потери ХХ, ВтПотери КЗ, 75°С, ВтУровень шума, dB
250 10/0,4 6 730 3400 53
315 10/0,4 6 360 5000 55
400 10/0,4 6 1000 5700 55
500 10/0,4 6 1150 6100 56
630 10/0,4 6 1400 6600 56
800 10/0,4 6 1800 7700 58
1000 10/0,4 6 1950 8800 59
1250 10/0,4 6 2300 10 500 60
1600 10/0,4 6 2750 12 700 61
2000 10/0,4 6 3200 15 500 62
2500 10/0,4 6 4200 19 000 64

Можно выделить два основных типа сухих силовых трансформаторов (помимо того, что обмотки изготавливаются либо из меди, либо из алюминия): с литой изоляцией и воздушно-барьерной изоляцией (открытые обмотки).

На современном этапе развития сухих трансформаторов используется заливка изготовленных обмоток эпоксидными компаундами. Подобные трансформаторы на сегодняшний день выпускаются как за рубежом, так и в России и странах СНГ (МЭТЗ им. В.И. Козлова РБ, ЗАО «Трансформер» г. Подольск; ГК «СВЭЛ» г. Екатеринбург и другие). Существует две технологии изготовления сухих силовых трансформаторов с литой изоляцией: 1) вакуумная технология; 2) ровинговая технология.

При производстве сухих трансформаторов по вакуумной технологии готовые обмотки трансформатора заливают в вакууме эпоксидным компаундом с кварцевым наполнителем (т.н. геафоль), процесс подготовки которого также происходит в вакууме. До конца 50-х г г. прошлого века повсеместно применялась технология заливки высоковольтных обмоток сухих трансформаторов эпоксидной смолой в воздухе. В соответствии с этой технологией обмотки высокого напряжения пропитывались изоляционным диэлектриком, а затем осуществлялась их сушка. Высоковольтные обмотки трансформатора, залитые по такой технологии, имели низкое качество, поскольку в составе катушек имелись различные примеси и микропоры, заполненные воздухом, что во многих случаях приводило к повышенным значениям частичных разрядов, быстрому старению изоляции, снижению срока службы трансформатора, а в некоторых случаях могло вызвать даже аварийный пробой изоляции. Простота технологии изготовления пропитанных в воздухе обмоток приводила также и к другим, крайне нежелательным, последствиям: обмотки подвергались увлажнению и абсорбции влаги, что опять-таки вызывало поверхностные разряды и ускоренное старение изоляции; трансформаторы с такими обмотками не обладали необходимой механической прочностью, стойкостью к токам короткого замыкания и были достаточно громоздкими.

Вакуумная технология заливки обмоток трансформаторов, пришедшая на смену заливке обмоток в воздухе, позволила полностью исключить из состава изоляции различные примеси и газовые микропоры, значительно улучшила диэлектрическую прочность изоляции по отношению к частичным разрядам. Обработанные по этой технологии обмотки получались закрытыми со всех сторон эпоксидной оболочкой толщиной от 5 до 20 мм, что придавало им необходимую жесткость, защищало от влаги и воздействия агрессивной среды. Конструкция и технология производства сухих трансформаторов на самом высоком техническом уровне были разработаны известной фирмой TRAFO-UNION, которая продала свою лицензию многим фирмам. Таким образом, вакуумная технология заливки обмоток распространилась на многие трансформаторные заводы и к середине 1970-х гг. стала господствующей при производстве эпоксидных трансформаторов.

Трансформаторы, изготовленные по описанной выше вакуумной технологии считались безотказными в любых условиях эксплуатации, даже в самых экстремальных. Но по мере увеличения количества трансформаторов в эксплуатации, стали выявляться следующие недостатки:

  • образование трещин в эпоксидном корпусе обмотки при перегрузке порядка 60...80% номинальной мощности трансформатора, первоначально находившегося в холодном состоянии, или при охлаждении обмоток отключенного трансформатора до температуры ниже -15...-20°С; образование трещин было вызвано тем, что при резких перепадах температур быстро нагревающийся материал обмотки (медь) разрывал эпоксидно-кварцевый корпус обмотки.
  • недостаточная стойкость к динамическим усилиям короткого замыкания; обмотки высокого и низкого напряжения составляют два независимых цилиндра обмоток, механическая прочность крепления которых в некоторых случаях оказывается недостаточным.
  • В результате исследований фирмой АВВ была разработана новая технология производства трансформаторов с литой изоляцией: путем герметизации слоевых обмоток с использованием чистой смолы и стеклонитей. Идея блочной обмотки заключается в том, что обмотки низкого и высокого напряжения связаны друг с другом посредством реек из стеклопластика и образуют единый твердый блок.

Используя заполнение стекловолокном приблизительно на 80% и оптимальным образом сочетая поперечные и крестообразные направления стекловолокон в процессе намотки, удается получить чрезвычайно прочный блок обмоток с высокой механической прочностью, что исключает любое перемещение обмоток под действием поперечных или продольных сил. Это приводит к высокой устойчивости при коротких замыканиях и стабильности технических характеристик при воздействиях низких и высоких температур.

Трансформаторы, изготовленные по такой технологии, получили фирменное название «РЕЗИБЛОК». По данным ABB, за 20 лет эксплуатации в этих трансформаторах ни разу не было обнаружено растрескивания. Электротехнические характеристики таких сухих силовых трансформаторов представлены в таблице 2.

Таблица 2. Электротехнические характеристики сухих силовых трансформаторов «РЕЗИБЛОК»
Номинальная мощность, кВАНоминальное напряжение ВН/НН, кВНапряжение КЗ, %Потери ХХ, ВтПотери КЗ, ВтУровень звуковой мощности, dB
250 10/0,4 6 690/540 3400 65
400 10/0,4 6 1000/780 5000 68
500 10/0,4 6 1200/940 5700 69
630 10/0,4 6 1370/1100 6600 70
800 10/0,4 6 1700/1330 7700 72
1000 10/0,4 6 2000/1500 8800 73
1250 10/0,4 6 2400/1880 10 500 75
1600 10/0,4 6 2800/2100 12 700 76
2000 10/0,4 6 3500/2750 15 500 78
2500 10/0,4 6 4300/3000 19 000 81
3150 10/0,4 6 5200/3900 22 600 83

В 90-х годах прошлого века на предприятии ООО «Электрофизика», г. С.-Петербург, был освоен выпуск сухих трансформаторов с открытой обмоткой (с воз душно-барьерной изоляцией), где основной изоляцией является изоляция проводов обмотки. В таких трансформаторах с открытыми обмотками, пропитанных смолой компании Дюпон методом вакуум-давление с последующей ее полимеризацией при высокой температуре, достигается прочное изоляционное покрытие катушек толщиной до 0,2 мм, которое гарантирует надежный уровень изоляции и защиту от воздействия окружающей среды и одновременно не препятствует эффективному охлаждению. Применение в производстве катушек изоляции типа NOMEX класса нагревостойкости 220°С определяют высокую стойкость Характеристики сухих силовых трансформаторов производства ООО «Электрофизика» представлены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики сухих силовых трансформаторов производства ООО «Электрофизика»
Мощность, кВАНапряжение КЗ, %Потери ХХ, ВтПотери КЗ, Вт при 115°СУровень звуковой мощности, dBМасса, кг
250 4 900 3300 65 1300
400 6 1250 5000 70 1700
630 6 1600 7100 70 2200
800 6 1850 8300 75 2600
1000 6 2200 9800 75 2810
1250 6 2500 12 600 75 3320
1600 6 3200 14 200 75 3900
2500 6 4200 20 500 79 5500

Характеристики сухих силовых трансформаторов других производителей приведены в таблице 4.

Таблица 4. Характеристики сухих силовых трансформаторов, производимых в РФ
Мощность, кВАНоминальное напряжение ВН, кВНапряжение КЗ, %Потери, ВтУровень звуковой мощности, dB не болееМасса, кг
Потери ХХПотери КЗ (115°С)LpaLwa
250 6, 10 6 750 3650 51 65 930
400 6, 10 6 1150 5500 53 68 1300
630 6, 10 6 1500 6400 56 70 1680
1000 6, 10 6 2200 9000 59 73 2480
1250 6, 10 6 2600 11 700 60 74 2850
1600 6, 10 6 3000 10 800 60 75 3850
2000 6, 10 6 3500 15 000 61 76 4050
2500 6, 10 6 4200 19 500 61 76 4800

Общей проблемой сухих трансформаторов является ограничение их максимальной мощности, обусловленное условиями охлаждения. До недавнего времени считалось, что предельная мощность для сухих трансформаторов составляет 15 МВА. По данным концерна ABB, в настоящее время уже выпускаются сухие трансформаторы типа Resibloc мощностью до 40 МВА, и в перспективе компания собирается довести это значение до 60 МВА.

Перспективы развития конструкции сухих силовых трансформаторов рассмотрены в статье [8]. Применительно к сухим трансформаторам наибольший интерес представляют следующая новация: новый тип трансформатора — Dryformer, разработанный компанией ABB. Это, так называемый, кабельный трансформатор. Обмотки трансформатора, который является по сути именно сухим, выполняются из кабеля.
Внутри обмотки пучок многожильного провода (медный или алюминиевый) заключен в тонкий слой полупроводящего материала (для исключения неравномерности поля из-за многослойности). Все это заключается в полиэтилен, толщина которого выбирается из соображений электрической прочности (практически достижим уровень напряжения 220 кВ).

Наружная оболочка-экран, выполненная также из полупроводящего материала, заземляется на каждом витке вдоль обмотки, т.е. электрическое поле полностью заключено внутри твердого диэлектрика. Так как трансформатор имеет воздушное охлаждение, то отсутствие масла, а также снижение более чем вдвое доли горючих материалов по сравнению с обычным трансформатором, устраняют риск пожара, взрыва, загрязнения воды и почвы при повреждении трансформатора. Это дает возможность применять такие трансформаторы в местах с большой плотностью населения, в подземных установках, в экологически охраняемых регионах. Повышается безопасность эксплуатации для персонала. Для такого трансформатора не нужны вводы высокого напряжения, поскольку кабель просто протягивается к распределительному устройству. Принципиально Dryformer также снижает общие потери в сети благодаря тому, что его можно установить как угодно близко к месту нагрузки. Перегрузочная способность обычного трансформатора ограничена термостойкостью маслобумажной изоляции и сроком службы масла. Для Dryformer перегрузка ограничена не старением изоляции, а снижением механической прочности обмотки, изолированной полиэтиленом при повышении температуры. Другим недостатком такого трансформатора является высокая цена (примерно вдвое выше, чем у традиционной конструкции). Первый в мире силовой трансформатор без масла, с обмоткой кабельного типа, разработанный для установки в помещении, имеет мощность 20 МВА.

В завершении статьи необходимо остановиться на современном состоянии рынка сухих силовых трансформаторов и перспективах его развития. К сожалению, материалы по данному вопросу практически отсутствуют. В данной статье автор впервые публикует результаты собственных многолетних исследований рынка сухих силовых трансформаторов.

Сегодня на российском рынке представлена продукция восьми трансформаторных заводов, имеющих производственные мощности для полного технологического цикла изготовления сухих силовых трансформаторов (таблица 5).

Таблица 5. Заводы по производству сухих силовых трансформаторов
Производственные мощности (РФ и СНГ) действующих заводов, производящих сухие силовые трансформаторыШт./год (ориентировочные данные)Тип производимых сухих трансформаторов
ОАО «ХК «Электрозавод», г. Москва 3000 Литая изоляция воздушно-барьерная изоляция
УП «МЭТЗ им. В. И. Козлова», РБ, г. Минск 4000 Литая изоляция воздушно-барьерная изоляция
ООО «Электрофизика», г. С.-Петербург 1000 Воздушно-барьерная изоляция
Группа компаний «СВЭЛ», г. Екатеринбург 1000 Литая изоляция
АО «Кентауский трансформаторный завод», ГК, г. Кентау 1000 Литая изоляция воздушно-барьерная изоляция
ОАО «Укрэлектроаппарат», Украина, г. Хмельницкий 500 Литая изоляция воздушно-барьерная изоляция
ЗАО «Трансформер», г. Подольск 1000 Литая изоляция
ОАО «СЗТТ», г. Екатеринбург 500 Литая изоляция
ВСЕГО: 12 000  

Помимо представленных в таблице 5 заводов на рынке широко представлена продукция итальянских, турецких и европейских производителей.

Средние рыночные цены на сухие силовые трансформаторы представлены в таблице 6. Следует отметить, что приведенные значения относятся именно к новым трансформаторам. Делаю такое замечание в связи с тем, что как в сегменте масляных силовых трансформаторов, так и в сегменте сухих силовых трансформаторов недобросовестными поставщиками еще поставляются так называемые «трансформаторы с хранения», «трансформаторы с консервации». Привлекая существенно более низкой ценой (до 30–40% ниже стоимости новых трансформаторов), подобная продукция создает угрозу энергетической безопасности объекту заказчика. И, в конечном счете, оборачивается немалыми финансовыми потерями как из-за остановки бизнеса при выходе из строя такого трансформатора, так и из-за необходимости приобретения нового трансформатора (см. [9]).

Таблица 6. Средние рыночные цены сухих силовых трансформаторов (с обмотками из алюминиевого провода, без кожуха, степень защиты IP00)
Мощность трансформатора, кВАЦена трансформатора с литой изоляцией, руб. (с НДС)Цена трансформатора с открытыми обмотками, руб. (с НДС)
100 250 000 300 000
160 320 000 420 000
250 440 000 490 000
400 530 000 620 000
630 650 000 790 000
1000 850 000 1 100 000
1600 1 150 000 1 350 000
2500 1 800 000 1 900 000
400 - 4 700 000 (медные обмотки)
6300 - 8 600 000 (медные обмотки)

Данные моделирования динамики рынка силовых трансформаторов I–III габарита по оригинальной методике автора [10] определяют емкость рынка сухих силовых трансформаторов значением 3–5 млрд рублей, или в натуральном выражении ~7000 штук. Подробно данные представлены в таблице 7.

Таблица 7. Прогноз рынка силовых трансформаторов I–III габарита в 2012–2013 гг., в т.ч. сухих
Мощность, кВАПрогноз: вновь устанавливаемые, шт.Прогноз: замены, шт.Прогноз: всего, шт.Прогноз: сухие, шт.
100 8785 1452 10 237 2559
160 4900 810 5710 1428
250 3238 535 3773 943
400 2348 388 2736 684
630 1806 299 2105 526
1000 621 102 723 181
1600 512 84 596 149
2511 433 71 504 126
4000 372 61 433 108
6300 324 53 377 94
ВСЕГО: 47 173 7796 54 969 6799
I-II габарит 44 911 7424 52 335 6140
III габарит 2262 372 2634 658

Таким образом, из логики технического прогресса, из требований многочисленных потребителей силовых трансформаторов, из анализа потребностей рынка можно сделать вывод о взаимодополнении сегментов трансформаторного рынка: заказчикам нужны и масляные, и сухие трансформаторы. Соотношение первых и вторых: 80% и 20%. По данным автора имеет место тенденция изменения соотношения в пользу сухих трансформаторов. В первом квартале 2012 года приведенное выше соотношение уже трансформировалось как 75% к 25%.

  1. Веселовский О. Н., Шнейберг Я. А., Очерки по истории электротехники//М. – МЭИ. – 1993.
  2. Кулик Ю. А. Электрические машины//М. Высшая школа. – 1965.
  3. Фогельсберг Т., Карлссон А. Трансформаторы в истории человечества. О силовых трансформаторах компании АВВ //АВВ Ревю. 3. – 2007.
  4. Васильев С. Будущее за сухими трансформаторами// Новости электротехники. – 2002. – 3(15). – С. 40–41.
  5. Постников С. Трансформаторная триальность//Новости электротехники. – 2002. – 3(15). – С. 42–43.
  6. Федотов М. Сухие силовые трансформаторы для работы в тяжелых климатических условиях// Новости электротехники. – 2002. – 3(15). – С. 44.
  7. Кравченко А. Н. Сухие силовые трансформаторы//Элек-трик №7-8, 2006. С. 6.
  8. Белкин Г. С., Дробышевский А. А., Ивакин В. Н., Ковалев Д., Панибратец А. Н. Перспективные виды электротехнического оборудования//Электротехника. – 2006, № 9. – С. 2–9.
  9. Зубарьков А. А. Инструкция для покупателя//Энергонад-зор. – 2012, № 1-2 (31). С. 50–51.
  10. Савинцев Ю. М. Плановое развитие рынка силовых трансформаторов: утопия или необходимость?//Электротех-нический рынок. 2011. № 1-2 (37-38). С. 39–41.

Ю. М. САВИНЦЕВ,
кандидат технических наук,
генеральный директор
ООО «ЭТК «Русский трансформатор»

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.