Сухие силовые трансформаторы: жесткая альтернатива

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.

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.

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.

Характеристики сухих силовых трансформаторов других производителей приведены в таблице 4.

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).

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]).

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.

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»