Сухой или масляный: вся правда о выборе трансформатора
Сухие* трансформаторы медленно, но верно вытесняют с рынка масляные**. Если раньше они были маловостребованными, то сегодня все чаще встречаются и на базе потребительских трансформаторных подстанций, и на базе электросетей промышленного, сельскохозяйственного производства. В чем причина такого роста популярности? Попробуем разобраться!
Безопасность использования
КТП с сухим трансформатором отвечают высоким требованиям пожарной и экологической безопасности. Универсальные в применении, они могут успешно размещаться на:
- территории образовательных учреждений;
- площадках производственных предприятий;
- этажных перекрытиях жилых зданий;
- иных объектах гражданского и промышленного назначения.
В отличие от масляных, в их конструкции отсутствуют легковоспламеняющиеся жидкости. Как результат, вероятность возникновения пожара вследствие короткого замыкания, механического повреждения устройства сводится практически до нуля.
При этом стоит понимать: любой трансформатор – оборудование повышенной опасности. В каком бы варианте он не был представлен, он нуждается в изоляции. Последняя достигается за счет размещения электротехнического устройства в изолированном корпусе, доступ к которому предоставляются только специалистам соответствующего профиля.
Сухие трансформаторы при отсутствии должной защиты могут нанести человеку электрическую травму. Чтобы получить удар током, достаточно случайно прикоснуться к поверхности литой обмотки оборудования. Тщательно заизолированные выводы низкого и высокого напряжения у такого трансформатора располагаются снаружи. У масляного, более безопасного в плане использования, обмотки размещаются в герметичном кожухе электротехнического устройства.
Частота проведения ТО
«Сухие трансформаторы не нуждаются в техническом обслуживании» – заявляют отдельные производители силового оборудования. Для поддержания работоспособности на должном уровне они требуют лишь проведения планового осмотра. Частота выполнения последнего определяется климатическими условиями региона. Если придерживаться стандарта, осмотр КТП с трансформатором должен проходить не реже, чем 1 раз в три месяца. Что касается объема работ, то у маслонаполненных и сухих трансформаторов он практически идентичный. Разница заключается лишь в некоторых пунктах.
*Фото сухих трансформаторов:
Перегрев токосъемного контакта – типичная проблема силового оборудования. С ней могут столкнуться трансформаторы как сухого, так и маслонаполненного типа. Предупредить последствия отгорания можно только в случае обеспечения надлежащего ухода за токоотводящими разъёмами. В противном случае электротехническое устройство будет полностью выведено из строя.
В маслонаполненном (жидкостном) трансформаторе перегрев в месте соединения ввода с ошиновкой приводит к постепенному разрушению керамического изолятора, разгерметизации бака и прекращению работы устройства. Так как этот процесс протекает медленно, он может быть своевременно остановлен. Достаточно:
- переключиться на резервное устройство;
- произвести замену контакта (при необходимости керамического изолятора и масла);
- устранить мелкие повреждения.
Все дело в том, что охладителем в жидкостных трансформаторах выступает сама изоляционная жидкость – масло. Она обеспечивает более эффективный отвод тепла от обмоток, чем их охлаждение в твердотельном оборудовании вентилятором. Повреждения маслонаполненного трансформатора, вызванные ослаблением шинных соединений, становятся заметны сразу же, а потому легко выявляются на этапе проведения планового осмотра.
В сухом (твердотельном) трансформаторе перегрев в токосъёмных контактах приводит к моментальному выводу из строя оборудования. С одной стороны, этому способствует интенсивная передача тепла по проводнику в обмотку. С другой – менее качественное воздушное охлаждение электротехнического устройства. В настоящее время проектировщики пытаются принять меры для устранения этого недостатка. Однако даже применение токосъемов с большим запасом мощности, аппаратных зажимов пока не помогает решить проблему. По прежнему важной остается необходимость уделять внимание проведению осмотра токоотводящих разъемов трансформатора.
Подверженность механическому разрушению
Производство обмоток сухого трансформатора основывается на применении технологии глубокого вакуума – заливки конструкции компаундом с последующей откачкой воздуха. Да, изоляция получается стойкой к внешним воздействиям и твердой! Но она не соответствует техническим параметрам материала обмотки. Из-за разницы в коэффициентах теплового расширения (у металла он больше) при перегреве происходит разрушение литой изоляции – образование миктротрещин с высоким риском возникновения «тлеющего разряда».
Что такое «тлеющий разряд»? Это возникновение повышенной напряженности электрического поля в месте пограничного соприкосновения двух различных диэлектрических сред. Оно выражается в медленном обугливании изоляции, которое со временем перерастает в межвитковое, а после в межслоевое короткое замыкание. Оборудование полностью выходит из строя. Произвести ремонт/восстановление отдельных элементов конструкции не представляется возможным. Помочь может только их полная замена.
Проблема образования микротрещин относится к категории скрытых дефектов. Это означает, что она может оставаться визуально незаметной месяцами, в то время как КПД сухого трансформатора расходуется на нагревание обмотки с повреждением изоляционного слоя. Выявить такое нарушение удается только посредством использования специальных приборов. Если и они не справляются с задачей, рекомендуется обращать внимание на косвенный признак нарушений в работе электротехнического устройства – падение коэффициента полезного действия.
Масляные трансформаторы не подвергаются образованию микротрещин. Да, теоретически при наличии микропузырьков воздуха в бумажно-масляной изоляции тлеющий разряд возникнуть может! Но, благодаря технологии вакуумирования при подготовке и заливке масла, этот риск полностью исключается. Ремонт оборудования (если в таковом возникает необходимость) сводится к:
- замене защит;
- сливанию масла;
- перемотке одного или всех каскадов трансформатора подходящим проводом.
Сборка осуществляется в обратной последовательности – проверяется на герметичность корпус, закладываются катушки, заливается масло, производится электрическая проверка.
**Фото масляных трансформаторов:
Дефекты изоляции в сухих трансформаторах могут возникнуть и при нарушении допустимых климатических норм. При этом значение имеет соблюдение не только рабочего диапазона температур, но и температур, при которых обеспечивается оптимальные условия хранения электротехнического устройства. Для силового оборудования сухого типа этот показатель должен быть не ниже -25°С. Для масляного – находится в пределах от -60°С до +40°С.
Заключение
Идеальной модели трансформаторов нет. Каждая имеет определенные недостатки и достоинства. А потому, решать, какому из видов электротехнического устройства отдать предпочтение, стоит исходя из конкретных технических требований и условий эксплуатации оборудования. Важно принимать во внимание все – безопасность, стойкость к внешним повреждениям и т.п. Только комплексный подход к выбору трансформатора позволит приобрести качественное оборудование, способное работать без перебоев десятилетия.
Выбор сухого или маслонаполненного трансформатора
Сухие и маслонаполненные (трансформаторы с жидким диэлектриком) — основные типы силовых трансформаторов применяемых в электрически сетях. Выбор того или иного типа для конкретного применения, часто, осуществляется на основе данных, предоставляемых производителем оборудования. Но также, имеются определенные для каждого типа трансформатора показатели, на основании которых, возможно осуществить более аргументированный их выбор.
Два типа трансформаторов
Аргументы за и против доступных типов трансформаторов часто изменяются, в зависимости от того какая информация предоставляется производителем трансформатора. Тем не менее, существуют определенные характеристики работы и приложений, которые применимы почти всегда.
В основном, существует два различных типа трансформаторов: изолируемые и охлаждаемые жидкостью (трансформаторы с жидким диэлектриком), и не изолированные жидкостью, а охлаждаемые при помощи воздуха или газа (сухие трансформаторы). Кроме того, у каждого их этих основных типов существуют свои подкатегории.
Для трансформаторов с жидким диэлектриком охлаждающим носителем может служить традиционное минеральное масло. Также существуют трансформаторы с жидким диэлектриком использующие менее воспламеняемые жидкости, такие как углеводороды и силиконы с высокой температурой возгорания.
Трансформаторы с жидким диэлектриком, как правило, более эффективны, чем сухие трансформаторы, и обычно имеют более долгий срок эксплуатации. Далее, жидкость более эффективна в качестве охлаждающего агента для снижения температуры в обмотках. И, наконец, трансформаторы с жидким диэлектриком успешнее справляются с перегрузками.
Однако такие трансформаторы имеют и свои недостатки.
Например, для трансформаторов с жидким диэлектриком важную роль играют вопросы предотвращения возгорания, поскольку они используют легко воспламеняющийся жидкий хладагент. (Сухие трансформаторы тоже способны возгораться.) Существует даже возможность взрыва для неверно спроектированных трансформаторов с жидким диэлектриком. В зависимости от применения, трансформаторы с жидким диэлектриком могут потребовать установку изолирующего поддона для защиты от возможных протечек жидкости.
Как правило, при выборе типа трансформатора, решение о выборе сухого трансформатора или трансформатора с жидким диэлектриком, связано с ожидаемой мощностью. При мощности менее 500 кВА используются сухие трансформаторы, а при мощности, превышающей 2.5 МВА, предпочтение отдается трансформаторам с жидким диэлектриком.
Важным фактором, определяющим тип трансформатора, служит и то, где он будет установлен — внутри офисного здания, или снаружи, для обслуживания промышленной нагрузки.
Сухие трансформаторы с мощностью, превышающей 5 МВА, доступны, но подавляющее большинство трансформаторов большой мощности являются трансформаторами с жидким диэлектриком. Для применений на улице, доминирующим выбором являются трансформаторы с жидким диэлектриком.
В следующей таблице показаны потери для трансформаторов обоих типов.
Таблица. Сравнение потерь: масляные и сухие трансформаторы
Устройство масляного трансформатора
С целью снижения потерь электрической энергии при её транспортировке на большие расстояния используются трансформаторы, которые для этой цели преобразуют переменное напряжение генераторных подстанций в более высокое. Кроме того, с помощью этих агрегатов выполняется распределение энергии по потребителям, для чего напряжение понижается до требуемого уровня.
Используемые сегодня трансформаторы можно разделить на масляные и сухие. Масляные трансформаторы используются успешно уже много десятилетий практически во всех отраслях промышленности, что обусловлено прежде всего их характеристиками и свойствами.
Так, например, они выделяются особой надежностью и устойчивостью к колебаниям температур и перегрузкам. Магнитный провод и обмотки в таких агрегатах охлаждаются с помощью трансформаторного масла.
У маслонаполненных агрегатов немало преимуществ:
- Наличие бака обеспечивает защиту обмоток от неблагоприятных воздействий извне;
- Способны выдерживать резкие перепады температур в диапазоне от –60 до +40 °С;
- Отлично выносят перегрузки во время короткого замыкания;
- В зависимости от исполнения обладают относительно невысоким реактивным сопротивлением, что делает подобные аппараты очень надежными.
Устройство силового масляного трансформатора
Устройство силового трансформатора масляного типа аналогично устройству других видов трансформаторов. Основными элементами конструкции трансформаторов являются сердечник, или магнитопровод, из ферромагнитного материала, а также медные или алюминиевые обмотки в виде цилиндров. В конструкцию трансформатора входят также детали из электроизоляционных и конструкционных материалов.
Основная разница в конструкции этих агрегатов заключается в наличии у масляных трансформаторов бака, заполненного маслом. Зачем масло в трансформаторе? Оно является как охлаждающей жидкостью, так и изолятором. Для возмещения всего объема масла и скачков температур в этом устройстве есть специальный расширитель.
Для контроля температуры масла на крышке бака размещают термометр, а также входы и выходы обмоток. Чтобы предотвратить попадание влаги внутрь бака, устанавливают осушитель воздуха. Бак изготавливают из специального прочного материала.
Материал сердечника – специальная электротехническая сталь, которая отличается улучшенными электромагнитными свойствами.
В состав обмоток из медного или алюминиевого обмоточного провода входят проводники и различные изоляционные детали, основной функцией которых является защита витков от негативных воздействий. Подробная схема установки масляного трансформаторного устройства представлена на рис. 1.
Рис. 1. Устройство масляного трансформатора: 1– бак для масла, 2 – вентиль, 3 – болт заземления, 4 – термосифонный фильтр, 5 – радиатор, 6 – переключатель, 7 – расширитель, 8 – маслоуказатель, 9 – воздухоосушитель, 10 – выхлопная труба, 11 – газовое реле, 12 – ввод высокого напряжения (ВН), 13 – привод переключающего устройства, 14 – ввод низкого напряжения (НН), 15 – подъемный рым, 16 – отвод НН, 17 – остов, 18 – отвод ВН, 19 – ярмовые балки остова (верхняя и нижняя), 20 – регулировочные ответвления обмоток ВН, 21 – обмотка ВН (внутри НН), 22 – каток тележки
Принцип работы масляного трансформатора
В основе работы прибора – передача энергии из одной обмотку в другую посредством электромагнитной индукции. Простейший трансформатор имеет две индуктивно связанные обмотки. Ток переменного напряжения поступает на так называемую первичную обмотку, после чего вокруг витков обмотки образуется переменное магнитное поле, которое концентрируется, в основном, в ферромагнитном сердечнике. Магнитное поле пронизывает витки не только первичной, но и вторичной обмотки, индуцируя в ней ЭДС. Под действием этой индуцированной ЭДС на выводах вторичной обмотки возникает разность потенциалов, называемая вторичным напряжением.
Масло обладает высокими диэлектрическими свойствами, то есть имеет малую электропроводность. Его заливают в бак, снабженный задвижками и винтовыми заглушками. В нижней части установлен запорный двигатель, который извлекают, когда нужно проверить масло на наличие пыли и других примесей. Для увеличения поверхности бака могут применяться металлические пластины, которые ускоряют процедуру теплообмена между маслом и наружным воздухом.
Попадая в бак, масло начинает движение по внутреннему и внешнему кругу. Функцию первого круга выполняют два коллектора, образующих радиатор. Благодаря установленному в баке термометру можно регулировать температуру масла в зависимости от заданного значения. Для чего необходимо масло в силовых трансформаторах? Оно выполняет три основные функции:
- охлаждает трансформаторные обмотки;
- действует как изоляция между токоведущими и заземлёнными элементами активной части трансформатора;
- наконец, описывает состояние изоляции, служа источником диагностической информации.
Для долгой службы аппарата необходимо придерживаться правил его эксплуатации, и поскольку масло здесь является одним из важнейших компонентов, его качество имеет большое значение.
Важно не допускать нахождения маслонаполненного агрегата вблизи взрывоопасных элементов, так как данный аппарат имеет большой риск возгорания. Еще раз напомним, что трансформаторное масло – легковоспламеняющееся вещество.
Различия между сухими и масляными трансформаторами
Так как масляные трансформаторы имеют некоторые ограничения по размещению и нюансы обслуживания, а также низкую пожаробезопасность, в последнее время все большей популярностью стали пользоваться модели сухих трансформаторов.
В сухом трансформаторе пространство между обмотками не заполнено жидким диэлектриком, как в трансформаторе масляного типа, а охлаждение обмоток и магнитопровода осуществляется с помощью воздуха, который циркулирует естественным образом (естественная циркуляция) или принудительно (принудительная циркуляция).
Кроме данного принципиального различия, заявленного в названии устройств, эти силовые электроустановки отличаются еще по нескольким параметрам.
Во-первых, место установки. Если говорить об агрегатах масляного типа, то они устанавливаются снаружи. Сухие же могут устанавливаться как снаружи, так и внутри. Так как сухие трансформаторные устройства могут устанавливаться внутри, для них не нужны специальные сооружения, что также отличает их от масляных.
Во-вторых, так как масляные аппараты имеют большую угрозу возгорания, они имеют категорию пожарной безопасности В1, то есть пожароопасные, сухие же имеют категорию Д, то есть безопасные.
В-третьих, если говорить о перегрузках, то масляные трансформаторы устойчивы как к температурным перегрузкам, так и к перенапряжениям. Сухие – практически не имеют устойчивости к перегрузкам.
В-четвёртых, они различаются обслуживанием. Приборы сухого типа подлежат лишь наружному осмотру и очистке от пыли. Из-за высоких рисков масляные устройства подвергаются обязательному регулярному разностороннему техническому обслуживанию, включая анализ содержания влаги и газа в масле.
Наконец, они различаются сроком службы. Сухие трансформаторы имеют срок работы 10–15 лет, а это почти в два раза меньше, чем у маслонаполненных, срок службы которых составляет 20–25 лет. Конечно, многое зависит от условий эксплуатации конкретного устройства, однако именно такие сроки в среднем выдерживают данные агрегаты.
Типы масляных трансформаторов
По конструктивному исполнению выделяют трансформаторы типа ТМ (негерметичные) и герметичные – ТМГ. В первом случае масло контактирует с окружающей средой (через расширитель), во втором – нет.
По мощности маслонаполненные аппараты бывают от 10 до 1000 МВа.
Если говорить о количестве фаз, то в большинстве случаев такие трансформаторы имеют трехфазную систему, но также применяются и однофазные.
Кроме того, эти устройства можно классифицировать по назначению: повышающие или понижающие.
Масляные трансформаторы группы СВЭЛ
Группа СВЭЛ изготавливает трансформаторы разной мощности для различных сфер промышленности и условий применения (рис. 2).
Рис. 2. Силовой масляный трансформатор Группы СВЭЛ
На производствах с сетями напряжения до 35 кВ, а также для электроснабжения железной дороги производят устройства с напряжением, соответственно, до 35 кВ.
Для тех же целей, но для сетей с напряжением до 110 кВ выпускают трансформаторы с номинальным напряжением до 110 кВ.
Трансформаторные устройства с напряжением до 220 кВ производства СВЭЛ применяют на предприятиях различных отраслей с напряжением сети до 220 кВ включительно.
Агрегаты с номинальным напряжением 330–750 кВ – в сети с напряжением 330 кВ и выше.
Маслонаполненные агрегаты с номинальным напряжением от 110 до 750 кВ используются на крупных подстанциях России и ряда других государств, где они служат узлами межрегиональных сетей передачи электроэнергии.
На площадках группы СВЭЛ осуществляется полный цикл производства. Контроль на каждом этапе обеспечивает высокое качество электротехнического оборудования и установок.
Сухие и масляные трансформаторы
Силовые высоковольтные трансформаторы относятся к основному оборудованию электрических сетей. Конструкция трансформатора должна обладать рядом свойств, среди которых:
- обеспечение необходимой электрической прочности изоляции (главной, межвитковой и межслойной);
- эффективный отвод тепла, выделяемого обмотками и стальным сердечником.
Традиционно эти задачи решаются путём погружения активной части трансформатора в масло, обладающее специальными электроизоляционными свойствами. С развитием химической промышленности и синтезом новых композиционных материалов появилась возможность конструирования силовых трансформаторов высокого напряжения сухого типа, которые находят всё более широкое применение.
Конструктивные и эксплуатационные особенности масляных и сухих трансформаторов
Неотъемлемая часть конструкции масляного трансформатора — стальной бак, заполненный маслом, который также является корпусом, защищающим активную часть от внешних воздействий. Трансформаторное масло, обладающее хорошей текучестью, обеспечивает эффективное охлаждение активной части трансформатора.
Наружная часть бака может оборудоваться радиаторами для улучшения теплообмена с окружающим воздухом.
Изоляция сухих трансформаторов имеет несколько вариантов исполнения, из которых наиболее востребованы литые конструкции с применением эпоксидных компаундов. Технология заливки обмоток сухих трансформаторов включает вакуумирование, обеспечивающее заполнение промежутков между витками изолирующим составом. Охлаждение обмоток осуществляется в этом случае путём конвективного теплообмена компаундного массива с окружающим воздухом.
Основные достоинства сухих и маслонаполненных трансформаторов
- К эксплуатационным преимуществам сухих трансформаторов относятся:
- уменьшенные габариты по сравнению с маслонаполненным трансформатором той же мощности и напряжения за счёт отсутствия масляного бака;
- кардинальное снижение затрат на обслуживание ввиду отсутствия необходимости постоянного контроля состояния масла, его регенерации и замены;
- более низкий уровень капитальных затрат при строительстве подстанций, так как не требуется обустройство маслохозяйства;
- пожарная безопасность, обусловленная отсутствием горючего трансформаторного масла;
- отсутствие характерного запаха нефтепродуктов, свойственного маслонаполненным установкам, что расширяет сферу применения сухих трансформаторов;
- экологическая безопасность, отсутствие вероятности загрязнения нефтепродуктами почвы, воды и воздуха.
В свою очередь, применение маслонаполненных трансформаторов также не лишено положительных моментов:
- повышенная перегрузочная способность, связанная с лучшим отводом тепла;
- высокая ремонтопригодность, обусловленная лёгкостью разборки активной части и возможностью производства как полного, так и частичного её ремонта;
- надёжная защита масла, обмоток и магнитопровода от атмосферных воздействий благодаря наличию герметичного бака, что допускает открытую установку масляных трансформаторов в любых климатических зонах;
- масляный трансформатор дешевле сухого, хотя развитие производства и появление новых технологий может со временем изменить это соотношение.
Область применения сухих и маслонаполненных силовых трансформаторов
Выбор в пользу сухого или масляного трансформатора производится с учётом особенностей объекта установки, требований пожарной и экологической безопасности, технических характеристик оборудования.
Следует отметить, что в сегменте трансформаторов напряжением выше 35 кВ большой мощности для крупных распределительных подстанций и распределительных устройств электростанций альтернативы маслонаполненным трансформаторам пока не существует.
Наибольшее распространение сухие силовые трансформаторы имеют в распределительных сетях напряжением 6 – 10 – 35 кВ. Безусловное предпочтение сухим трансформаторам отдаётся в случаях установки на объектах с повышенными требованиями к пожарной безопасности — внутри цехов промышленных предприятий, жилых домов, офисных помещений, объектов городской инфраструктуры.
При установке сухих трансформаторов на предприятиях химической, нефтегазовой, металлургической отрасли не требуется установка дорогостоящих систем автоматического пожаротушения. Трансформаторы можно размещать в непосредственной близости от питаемого оборудования, сокращая длину кабельных связей.