Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

Методологические аспекты инновационного развития России
 

О разработке сухого трансформатора 110 кВ.

Ларин В. С., канд. техн. наук, ФГУП "Всероссийский электротехнический институт" (ВЭИ)

Светоносов В. П., ООО "СвердловЭлектро - Силовые трансформаторы"

 

 

В последнее время наметилась общемировая тенденция к ужесточению требований к экологии, взрыво- и пожаробезопасности электрооборудования, что отразилось на расширении области при­менения сухих трансформаторов и последовательном повышении их класса напряжения и номи­нальной мощности. Отечественной промышленностью уже освоено производство сухих трансфор­маторов класса напряжения до 35 кВ включительно. В статье приведены сведения о проводимых работах и достигнутых результатах в разработке первого отечественного сухого трансформатора 110 кВ с воздушно-барьерной изоляцией.

Сухие трансформаторы нашли своё применение в качестве распределительных трансформаторов, трансформаторов для собственных нужд электростанций, преобразовательных трансформаторов для питания электропривода постоянного тока и преобразовательных установок, а также преобразователей систем возбуждения генераторов. Непрерывно идёт процесс повышения их класса напряжения. К настоящему времени отечественной промышленностью уже освоено производство сухих трансформаторов классов напряжения до 35 кВ включительно. Ряд зарубежных изготовителей освоил производство сухих трансформаторов на номинальное напряжение 45 кВ (наибольшее рабочее напряжение по МЭК 60038 - 52 кВ).

В 2011 г. компания ABB представила свою новую разработку - сухой трансформатор на номинальное напряжение 69 кВ (наибольшее рабочее напряжение по МЭК 60038 - 72,5 кВ), получивший название HiDry72 [1 - 3]. Эта разработка компании ABB наглядно показала возможность создания сухих трансформаторов с высокой электрической прочностью изоляции, близкой к той, что требуется для сухих трансформаторов класса напряжения 110 кВ.

В отечественном трансформаторостроении также ведутся работы в направлении повышения класса напряжения сухих трансформаторов. Начиная с 2011 г. ФГУП ВЭИ совместно с ЗАО "Группа СВЭЛ" в рамках выполнения государственного контракта с Минобрнауки проводит исследования и разработку сухого трансформатора 110 кВ с воздушно-барьерной изоляцией, о достигнутых результатах которых рассказывается в статье.

Предпосылки к созданию сухого трансформатора 110 кВ. Интерес к повышению класса напряжения сухих трансформаторов не случаен. В свете наметившейся мировой тенденции к ужесточению требований экологии, взрыво- и пожаробезопасности сухие трансформаторы имеют ощутимые преимущества по сравнению с традиционными масляными трансформаторами [4]. Вот основные из них:

экологическая чистота - отсутствие жидкого диэлектрика исключает угрозу загрязнения окружающей среды, которое могло бы произойти вследствие его утечки либо возгорания;

высокий уровень пожарной безопасности - ограниченная воспламеняемость изоляции обмоток;

более простой монтаж - не требуется систем пожаротушения и дополнительных мер противопожарной безопасности.

К недостаткам сухих силовых трансформаторов по сравнению с масляными трансформаторами следует отнести более высокие начальную стоимость и потери холостого хода, что связано с использованием большего количества активных материалов (обмоточного провода, электротехнической стали) вследствие увеличения изоляционных расстояний в воздухе по сравнению с соответствующими расстояниями в масле и ухудшением условий охлаждения обмоток.

Согласно ГОСТ [5, 6], сухим трансформатором называют трансформатор, в котором основной изолирующей средой служит атмосферный воздух либо другой газ или твёрдый диэлектрик, а охлаждающей средой - атмосферный воздух. Понятие "сухой трансформатор" - достаточно общее и включает в себя:

газонаполненные трансформаторы (в том числе элегазовые, силовые трансформаторы до 400 кВ);

трансформаторы с литой изоляцией (основная изоляция - твёрдый диэлектрик, измерительные трансформаторы до 35 кВ включительно);

воздушные трансформаторы (основная изоляция - воздух, силовые трансформаторы с открытыми и капсулированными обмотками до 35 кВ включительно).

Наиболее полно требованиям экологичности, взрыво- и пожаробезопасности соответствуют сухие трансформаторы с основной изоляцией воздушно-барьерного типа. Данный тип изоляции успешно применяется на протяжении многих десятилетий в распределительных, преобразовательных и других видах сухих трансформаторов 6 - 35 кВ. Эти трансформаторы могут эксплуатироваться при достаточно суровых температурных воздействиях (резких перепадах температуры, в условиях холодного климата до -60°С) и являются сравнительно экологически чистыми, поскольку в них отсутствует трансформаторное масло или газ, отличный по составу от атмосферного воздуха.

В настоящее время имеются следующие предпосылки для создания сухих трансформаторов на напряжение до 110 кВ включительно:

мировая тенденция к ужесточению экологических требований и требований к взрыво- и пожаробезопасности;

наличие новых высокотемпературных изоляционных материалов с высокой электрической прочностью (арамидные бумаги и картоны, полиимидные плёнки и др.);

развитие методов координации изоляции и средств ограничения перенапряжений и, как следствие, возможность снижения испытательных напряжений;

положительный опыт эксплуатации сухих трансформаторов классов напряжения 6-35 кВ с воздушно-барьерной изоляцией мощностью вплоть до 16 ООО кВ*А.

Характеристика разрабатываемого сухого трансформатора 110 кВ.

Разрабатываемый ФГУП ВЭИ совместно с ЗАО "Группа СВЭЛ" сухой трансформатор 110 кВ имеет обозначение типа ТСДЗН-16000/110 и представляет собой аналог масляного ТДН-16000/110 в "сухом" исполнении.

Магнитная система сухого трансформатора - трёхстержневая. На каждом стержне размещены три обмотки, расположенные концентрически, считая от стержня: обмотки низшего и высшего напряжения (НН и ВН) и регулировочная обмотка (РО).

Основная изоляция разрабатываемого сухого трансформатора - воздушно-барьерного типа. В конструкции трансформатора применены высокотемпературные изоляционные материалы классов нагревостойкости F и Н по ГОСТ 8865 (максимальная рабочая температура соответственно 155 и 180°С).

Сухой трансформатор оснащён переключающим устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) в "сухом" исполнении. Для коммутации тока в РПН используются вакуумные камеры, что предопределяет его экологическую чистоту и большой коммутационный ресурс. Диапазон регулирования напряжения составляет ±10% (±4 ступени), что продиктовано характеристиками имеющихся в настоящее время РПН в "сухом" исполнении.

Трансформатор предназначен главным образом для внутренней установки (климатическое исполнение и категория размещения УЗ или УХЛ4 по ГОСТ 15150). Вместе с тем возможно его использование для наружной установки (климатическое исполнение и категория размещения У1 по ГОСТ 15150) при оснащении трансформатора защитным кожухом, защищающим активную часть трансформатора от атмосферных осадков (например, со степенью защиты IP43 или IP54 по ГОСТ 14254).

Область применения.

Разрабатываемый сухой силовой трансформатор 110 кВ предназначен для общего применения. Поскольку трансформатор обладает повышенной взрыво- и пожаробезопасностью наиболее оправдана его установка внутри помещений, в закрытых распределительных устройствах.

Можно выделить два основных вида применения сухих трансформаторов 110 кВ.

Распределительные городские сети. Сухие трансформаторы 110 кВ делают возможным переход к построению городских распределительных сетей, в которых распределение больших объёмов электроэнергии выполняется на более высоком напряжении, а трансформация от напряжения 110 к напряжению 10 (20) кВ выполняется на распределительных подстанциях сравнительно небольшой мощности, размещаемых в закрытых помещениях, внутри зданий и сооружений в непосредственной близости от крупных потребителей, в местах повышенной плотности энергопотребления. Результатом реализации такой концепции может стать существенное сокращение протяжённости распределительных сетей 6 - 10 - 20 кВ и, как следствие, значительное снижение потерь электроэнергии в распределительных сетях среднего напряжения.

Собственные нужды электростанций. Сухие трансформаторы в течение многих десятилетий успешно применяются в качестве трансформаторов собственных нужд электростанций. Как правило, это трансформаторы для внутренней установки классов напряжения 6 - 35 кВ. Вместе с тем питание собственных нужд электростанций неред­ко резервируется от сети 110 кВ с использованием традиционных масляных трансформаторов наружной установки. В случае замены их сухими трансформаторами 110 кВ, которые можно установить внутри зданий, существенно сократится протяжённость токопроводов собственных нужд.

Технические требования к сухим силовым трансформаторам 110 кВ во многом идентичны требованиям к традиционным масляным трансформаторам. Некоторые различия в требованиях определяются особенностями их области применения, а также использованием основной воздушной изоляции [4].

Технико-экономические показатели и габариты сухих трансформаторов во многом определяются размерами его изоляции. Существующие нормы ГОСТ 1516.3-96 [7] на испытательные напряжения для класса напряжения 110 кВ основаны на применении разрядников типа РВС и не пересматривались с 60-х годов прошлого столетия. Современные ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) имеют сниженные не менее чем на 25 - 30% остающиеся напряжения. Переход к координации изоляции с защитными характеристиками современных защитных аппаратов делает возможным создание сухих трансформаторов 110 кВ с приемлемыми габаритами и технико-экономическими показателями без снижения надёжности трансформаторов.

На основании работ ФГУП ВЭИ в области координации изоляции, в частности [8, 9], и создания ОПН 110 кВ для глубокого ограничения перенапряжений представляется возможным снижение испытательных напряжений обмотки высшего напряжения не менее чем на одну ступень по отношению к испытательным напряжениям по ГОСТ 1516.3-96.

Учитывая, что испытательные напряжения снижены по сравнению с рекомендуемыми ГОСТ, с целью обеспечения более полной и тщательной проверки изоляции в объём как типовых, так и приёмо-сдаточных испытаний электрической прочности изоляции сухих трансформаторов 110 кВ целесообразно включить следующие ос­новные испытания:

полным и срезанным грозовыми импульсами напряжения;

кратковременным (одноминутным) напряжением переменного тока промышленной частоты;

напряжением переменного тока с измерением характеристик частичных разрядов (ЧР).

Ключевые вопросы и исследования.

 Применение атмосферного воздуха в качестве основной изоляционной и охлаждающей среды помимо указанных преимуществ имеет и свои недостатки. Низкая электрическая прочность и меньшая интенсивность охлаждения воздуха по сравнению с маслом требуют особого внимания к изоляции и нагреву активной части сухих трансформаторов, в особенности классов напряжения 35 кВ и выше.

При проектировании сухих трансформаторов вопросы электродинамической стойкости не являются такими определяющими, как в случае масляных трансформаторов. Это связано с тем, что в сухих трансформаторах при прочих равных условиях плотность тока выбирается по условиям температурного режима несколько меньшей, чем в масляных трансформаторах. С другой стороны, из-за больших изоляционных промежутков в сухих трансформаторах требуется большая высота обмоток, что определяет меньшие значения индукции поля рассеяния. Эти факторы приводят к тому, что электродинамические силы в сухих трансформаторах значительно меньше тех, что в масляных трансформаторах того же напряжения и мощности.

Даже в случае отмеченного ранее снижения уровня испытательных напряжений для обеспечения электрической прочности главной изоляции обмоток требуются большие воздушные промежутки (порядка сотен миллиметров). Достаточные экспериментальные данные по изоляции сухих трансформаторов напряжением свыше 35 кВ и соответствующие методические указания в настоящее время отсутствуют. Необходимо проведение исследований на полномасшабных макетах и моделях.

 

Выводы

  1. Одними из основных тенденций развития мирового трансформаторостроения являются повышение экологичности, взрыво- и пожаробезопасное трансформаторного оборудования и повышение номинального напряжения сухих трансформаторов свыше 35 кВ.

  2. Ключевой вопрос создания сухих трансформаторов на напряжение свыше 35 кВ с воздушно-барьерной изоляцией - обеспечение электрической прочности изоляции на столь высокий класс напряжения, для чего необходимо:

    применение изоляционных материалов с высокой электрической прочностью;

    выбор конструкции и компоновки основных элементов активной части, обеспечивающих требуемую прочность изоляции и приемлемые габариты;

    проведение исследований электрической прочности изоляции на моделях и макетах, в том числе полномасштабных.

    3.   Результаты комплексных экспериментальных исследований и испытаний моделей и макетов отдельных узлов, а также макета фазы сухого трансформатора 110 кВ, проводимые ФГУП ВЭИ совместно с ЗАО "Группа СВЭЛ", показывают практическую возможность создания сухих трансформаторов 110 кВ и обеспечения требуемой электрической прочности их изоляции.

Список литературы

 

  1. Dry-type transformers for the 72,5 kV voltage class / Tepper J., Smajic J., Murrilo R.et al. 21st International Conference on Electricity Distribution CIRED, Frankfurt, 2011, 6 - 9 June.

  2. Carlen M., Berrogain M. Dry-type subtransmission transformer installations and potential grid interactions. CIGRE SC A2 & C4 JOINT COLLOQUIUM, Switzerland, Zurich, 2013.

  3. Ларин В. С. Вопросы трансформаторостроения на 44-й сессии СИГРЭ. - Электричество, 2013, № 5.

  4. О перспективе создания сухих трансформаторов 110 кВ / Гусев С. И., Зенова В. П., Ларин В. С., Матвеев Д. А. - Энергоэксперт, 2012, № 5.

  5. ГОСТ 16110-82. Трансформаторы силовые. Термины и определения.

  6. ГОСГР 54827-2011 (МЭК 60076- 11:2004). Трансформаторы сухие. Общие технические условия.

  7. ГОСТ 1516.3-96. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции. М.: Изд-во стандартов, 1998.

  8. Лоханин А. К. Перспективы снижения уровней изоляции и совершенствования методов испытаний силовых трансформаторов 110 - 750 кВ. - Электротехника, 1975, № 8.

  9. Ларин В. С. Координация изоляции сухих трансформаторов 110 кВ. - Электричество, 2013, № 11.

  10. Импульсная электрическая прочность витковой изоляции обмоточных проводов сухих трансформаторов / Волков А. Ю., Гусев С. И., Ларин В. С., Матвеев Д. А., Мил кин Е. А. - Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность, 2012, № 5.

  11. Импульсная электрическая прочность обмоточных проводов сухих трансформаторов с усиленной витковой изоляцией / Волков А. Ю., Гусев С. И., Ларин В. С., Матвеев Д. А. - Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность, 2013, № 2.

 

 
  Полное содержание статьи Вы можете найти в первоисточнике
Источник:  © Ларин В.С., Светоносов В.П.  О разработке сухого трансформатора 110 кВ.
Электрические станции. - 2014, № 1. - С. 37-42.
20.02.2014
Материал размещен на www.transform.ru13.03.2014 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????