Важнейшим моментом в цифровизации электроэнергетики является переход от масляных к сухим трансформаторам. С одной стороны, сухие трансформаторы не требуют регулярного обслуживания, их работой можно управлять полностью дистанционно. С другой — применение сухих трансформаторов на электрических сетях требует использования цифровых технологий. Тем не менее, до сих пор цифровые подстанции часто имеют в своем составе масляные трансформаторы, поскольку сухие серийно выпускаются на напряжение не более 35 кВ. С чем связан такой предел, как его можно преодолеть и… нужно ли вообще это делать?
К сухим формально относятся все типы трансформаторов, не имеющих масляного заполнения. На первый взгляд, ничего нового здесь нет — самые первые трансформаторы были сухими, да и трансформаторы, установленные в окружающих нас бытовых электроприборах, масляного заполнения не имеют. Однако в электроэнергетике с конца XIX века используются именно масляные. Поэтому специалисты по электроэнергетике называют сухими в основном трехфазные трансформаторы без масляного заполнения, которые применяются на электрических подстанциях. Сухие трансформаторы, установленные в бытовых электроприборах, как правило, называют просто трансформаторами.
Преимущества и недостатки масляных трансформаторов
В масляных трансформаторах обмотки погружены в специальное масло, обладающее высокой теплопроводностью и высокими электроизоляционными свойствами. Тем самым обеспечиваются отвод тепла и надежная изоляция проводов обмоток. Масло внутри трансформатора перемешивается естественным способом за счет нагрева в одном месте и охлаждения в другом. При этом потоки масла проходят через радиатор, где они охлаждаются воздухом. Это может быть как естественная конвекция воздуха (наиболее распространен-ный вариант), так и поток воздуха, принудительно направляемый на радиатор вентиляторами.
Главное преимущество масляных трансформаторов — высокая перегрузочная способность. Такой трансформатор может длительное время работать под нагрузкой с мощностью, на 40 % превышающей номинальное значение. А кратковременное превышение значения нагрузки против номинального может достигать 2 раз. Вот почему масляные трансформаторы были основой аналоговой энергетики, где нагрузка между ними распределялась крайне неравномерно. Казалось бы, очень надежное устройство. Но если за масляным трансформатором не следить, не проводить регулярно его обслуживание должным образом, то это может привести к аварийным ситуациям со страшными последствиями.
В масляном трансформаторе может содержаться до 50 т масла, которое требуется по мере деградации менять. Обычно применяют токсичное минеральное масло. Безопасно масло органического происхождения, но оно стоит в 2 раза дороже минерального. Наилучшим же вариантом является силиконовое масло, которое безвредно и практически не горит в аварийных ситуациях, но из-за высокой стоимости (в 5 раз дороже минерального) применяется крайне редко.
25 мая 2005 г. произошел самый масштабный сбой электроснабжения в истории российской энергетики. На протяжении суток были обесточены половина территории Москвы, несколько районов Московской области, Тульская, Калужская и Рязанская области. В общей сложности обесточивание затронуло территории, где проживали около 7 млн чел. Причиной стало возгорание и взрыв последовательно двух измерительных масляных трансформаторов тока на московской подстанции «Чагино». Само по себе это событие не могло привести к массовому отключению электричества. Но, как показало расследование, проведенное комиссией РАО «ЕЭС России», горящие брызги масла и осколки фарфоровых изоляторов попали на расположенное рядом другое оборудование, выведя его из строя, что и привело к обесточиванию сразу нескольких регионов.
Кстати, когда в 2008 г. на той же подстанции «Чагино» устанавливали новое оборудование, то при пробном пуске одного из масляных трансформаторов произошло его возгорание. К счастью, это не привело к сбою в энергоснабжении, но пожарным пришлось бороться с огнем в течение 3,5 часов.
Крупные аварии на подстанциях, связанные с возгоранием и взрывами масляных трансформаторов, были в разные годы в США, Великобритании и ряде других стран.
С тех пор прошло полтора десятилетия, но на подстанциях 110, 330 и 500 кВ во всем мире до сих применяются только масляные трансформаторы. Неужели современные технологии не позволили создать реальную альтернативу?
Особенности конструкции сухих трансформаторов
Серийно выпускаемые сухие трансформаторы по конструкции можно разделить на две основные категории.
С воздушно-барьерной изоляцией
В них обмотки открыты для обдувания воздуха и не имеют покрытия либо покрыты тонким слоем защитного лака. Оптимальное решение для подстанций районных распределительных сетей напряжением 6–20 кВ. Теплоотвод осуществляется преимущественно за счет естественной конвекции воздуха. Известны также сухие трансформаторы данного типа, где воздух принудительно прокачивается через обмотки с помощью трансформаторов.
Литые
В них обмотки находятся в затвердевшем полимерном материале с хорошими диэлектрическими свойствами и высокой теплопроводностью. Благодаря применению технологии вакуумного литья обеспечивается плотное прилегание слоя полимера к проводам обмоток без воздушного зазора. Отвод тепла осуществляется путем естественной конвекции воздуха на поверхности трансформатора. Такое оборудование отличается высокой прочностью и надежностью. Но литые трансформаторы большой мощности стоят дороже аналогов с воздушно-барьерной изоляцией. Поэтому литыми чаще всего делают измерительные трансформаторы, а также маломощные для питания оборудования подстанции. Хотя выпускаются и мощные литые трансформаторы, главным образом для тяговых подстанций железных дорог и метрополитенов, где надежность энергоснабжения стоит во главе угла.
Главный недостаток сухих трансформаторов — низкая перегрузочная способность. Они не могут работать при нагрузке, более чем на 20 % превышающей номинальную. Соответственно, практическое применение мощных сухих трансформаторов возможно лишь при равномерном распределении нагрузки между ними. Это вполне реально при цифровой энергетике.
Современные сухие трансформаторы выпускают с уже установленными цифровыми датчиками. Такое решение получило название «цифровой трансформатор». Для контроля состояния сухих трансформаторов широко при-меняется технология «Интернета вещей» (IoT)
Другая проблема — большие размеры. Даже лучшие модели сухих трансформаторов имеют линейные размеры в 2,5 раза больше по каждому измерению относительно масляных той же мощности. Чем больше номинальная мощность трансформатора, тем больше его габариты. Начиная с некоторого предела, сухой трансформатор становится настолько громоздким, что это создает сложности для его доставки на объект и возможного ремонта в будущем. Поэтому мощность массово используемых моделей сухих трансформаторов на момент написания статьи не превышала 3200 кВА. Хотя заводы готовы браться за производство и более мощных сухих трансформаторов по индивидуальным заказам, но экономически это пока невыгодно.
Серийный выпуск сухих трансформаторов для нужд электроэнергетики начался за рубежом еще в 70-х годах XX века. Постепенно увеличивалось рабочее напряжение на обмотке ВН, но в 90-х годах оно застопорилось на уровне 35 кВ и с тех пор для массовых моделей не увеличивается. Основная причина связана с диэлектрическими свойствами используемых материалов.
Проблема электрической прочности диэлектрика
При проектировании трансформатора инженерам приходится, образно говоря, проходить между Сциллой и Харибдой. Чем больше зазор между обмотками трансформатора, тем ниже его КПД. Но чем он меньше, тем ниже рабочее напряжение. Все зависит от такого параметра диэлектрика, разделяющего обмотки, как электрическая прочность.
Значение электрической прочности материала — это отношение среднего значения электрического напряжения на образце диэлектрика, при котором происходит его пробой, к толщине образца. Электрическая прочность трансформаторного масла составляет 10–20 кВ/мм, что является очень высоким показателем. Для сравнения, диэлектрическая прочность воздуха составляет 3 кВ/мм. Полимерные материалы, используемые в литых трансформаторах, имеют электрическую прочность порядка 40–60 кВ/мм.
В трансформаторах масло выполняет не только функцию теплоотвода, но и обеспечивает надежную электроизоляцию. Если сравнивать масляный трансформатор и сухой трансформатор с воздушно-барьерной изоляцией, то, при равном зазоре между обмотками, рабочее напряжение у последнего будет в 4-6 раз ниже. Собственно, отсюда и взялся предел для трансформаторов с воздушно-барьерной изоляцией в 35 кВ.
Несколько улучшить ситуацию можно, заполнив зазор между обмотками элегазом вместо воздуха. Электрическая прочность элегаза составляет 7,5 кВ/мм. Но создание массовых моделей силовых трансформаторов с таким диэлектриком при современном уровне развития технологий пока нецелесообразно, так как придется герметизировать корпус трансформатора высотой порядка 1,5–3 м и обеспечить в нем принудительную циркуляцию элегаза. Выпускаются только небольшие сухие измерительные трансформаторы с элегазовым заполнением.
Электрическая прочность у материалов, разделяющих обмотки в литых трансформаторах, больше, чем у масла. Теоретически это означает возможность организации серийного производства сухих литых трансформаторов на напряжение свыше 35 кВ. Но не все так просто…
Нужно ли повышать рабочее напряжение?
После 35 кВ следующее стандартное значение напряжения переменного тока для распределительных электросетей составляет 110 кВ. Если сети 35 кВ снабжают электроэнергией поселки и небольшие города, то сети 110 кВ являются распределительными для мегаполисов.
Как мы уже отмечали, сухие трансформаторы мощностью свыше 3200 кВА пока практического применения не нашли из-за слишком больших размеров. Для малых городов трансформаторы мощностью до 3200 кВА являются оптимальным решением. В распределительных сетях мегаполисов силовые трансформаторы обычно имеют значительно большие, чем 3200 кВА, параметры номинальной мощности.
В итоге получается, что создать силовой литой трансформатор для сетей 110 кВ теоретически можно, но из-за ограничений по мощности он будет бесполезен. Тем не менее работы по созданию измерительных литых трансформаторов на 110 кВ сейчас активно ведутся как в России, так и за рубежом. В уже упоминавшейся аварии на подстанции «Чагино» в 2005 г. первопричиной были взрывы масляных измерительных трансформаторов на 110 кВ. С тех пор на аналогичных подстанциях по всей стране заменили такие трансформаторы на более новые, но тоже масляные. Замена их на литые трансформаторы 110 кВ позволит без значительных вложений повысить надежность уже существующих подстанций.
Перспективы развития
Цифровизация электроэнергетики означает переход к распределенной генерации. Соответственно, уходит в прошлое гигантомания, свойственная энергетической отрасли, а электрические сети будут строиться по новым принципам. Магистральные сети будут работать на постоянном токе, для преобразования напряжения в них станут применяться электронные устройства вместо электромагнитных трансформаторов. При распределенной генерации возможностей сетей переменного тока напряжением до 35 кВ включительно на местном уровне будет хватать с избытком. В общем, задача создания силового сухого трансформатора на напряжение свыше 35 кВ по-прежнему актуальна с научной точки зрения, но коммерческая ценность внедрения такого устройства может оказаться под вопросом.
