Калачев О.В., Юдин Л.Ю. «Вентиляция и охлаждение силовых трансформаторов с соблюдением правил промышленной безопасности в помещениях объектов электроэнергетики»

Практически каждый силовой трансформатор во время эксплуатации нагревается из-за естественных физических процессов. При сильном перегреве изнашивается изоляция, что приводит к преждевременному выходу устройства из строя. Чтобы снизить негативное влияние такого явления, магнитопровод, обмотки и другие части следует охлаждать. Для этого используются различные системы охлаждения трансформаторов.

Основное отличие последних связывается со средой, в которой находится оборудование и внедрения дополнительных устройств для контроля температуры. Обратите внимание, что в современных трансформаторах используется масляное, водяное, воздушное охлаждение. В отдельную категорию следует отправить сухие устройства.

Системы охлаждения с направленной циркуляцией масла в обмотках НДЦ и НЦ.

Улучшить охлаждение обмоток и обеспечить при этом более равномерное распределение в них температуры можно путем создания принудительной (направленной) циркуляции масла в охлаждающих каналах обмоток с требуемой скоростью, обеспечивающей необходимый температурный режим. Здесь возможны два варианта исполнения — с одноконтурной и двухконтурной схемами циркуляции масла. В первом варианте масло, забираемое из верхней части бака, проходит через масляно-воздушные или масляно-водяные охладители и подается в обмотки. Во втором варианте кроме контуров охлаждения масла, аналогичных системам ДЦ или Ц, существуют независимые контуры охлаждения обмоток, причем масло, забираемое насосом из верхней части бака, подается, минуя охладители, в нижнюю часть бака и далее в контуры охлаждения обмоток. Второй вариант исполнения системы охлаждения несколько сложнее и дороже. Эта система охлаждения позволяет при необходимости (например, в трансформаторах предельных мощностей) повысить электромагнитные нагрузки, но она усложняет конструкцию изоляции и обмоток, а также технологию сборки и испытаний трансформаторов (необходимы гидравлические испытания контуров циркуляции масла в обмотке). Поэтому такие системы применяются в отечественном трансформаторостроении для трансформаторов мощностью 400 MB-А и выше.

Вентиляция

В случаях общего естественного охлаждения (ЕО) вентилятор устанавливается с целью рассеивания естественной тепловой конвекции, вырабатываемой всеми работающими трансформаторами и всем сервисным оборудованием, находящимся в помещении. Хорошая вентиляция предусматривает отверстие в нижней части помещения для притока свежего воздуха и выходное отверстие на противоположной стороне в верхней части помещения для оттока воздуха. Следует отметить, что ограничение циркуляции воздуха приведет к уменьшению номинальной мощности силового трансформатора. Принудительная вентиляция в помещении необходима в случае, если температура окружающей среды выше 20`C, маленькой площади помещения, частых перегрузок оборудования или при плохой естественной циркуляции воздуха. Вытяжной вентилятор при этом будет позиционироваться в верхней части помещения и служить терморегулятором. Расчет и установка вентиляции должны быть адаптированы к количеству теплопотерь трансформатора, другого оборудования и изменениям локального давления, которое возникает между входящим и выходящим потоком воздуха. Также следует учитывать площадь и особенности помещения.

Символы режимов охлаждения

Режим охлаждения трансформаторов выпущенных за рубежом определяется четырьмя буквами, значения которых приведены ниже в таблице. Первая буква: внутренняя охлаждающая жидкость, находящаяся в контакте с обмотками: О – минеральное масло или изоляционная синтетическая жидкость с точкой воспламенения 300`C К – изоляционная жидкость с точкой воспламенения >300`C L – изоляционная жидкость с неизмеряемой температурой воспламенения Вторая буква: циркуляционный режим внутреннего теплоносителя: N – естественно-принудительная циркуляция через обмотки и систему охлаждения F – принудительная циркуляция через систему охлаждения и термосифонная циркуляция в обмотках D – принудительная циркуляция через систему охлаждения и систему, направленную на охлаждение по меньшей мере основных обмоток Третья буква: внешний охлаждающий агент: A – воздух W – вода Четвертая буква: циркуляционный режим внешнего теплоносителя: N – естественная конвекция F – принудительная циркуляция (насосы, вентиляторы) Типы рисков, классификация требований F: огонь F0, F1, F2 Е: экологичность Е0, Е1, Е2 С: климатический С1, С2

Примеры: Трансформатор с минеральным маслом «Minera» с:

• естественным охлаждением типа ONAN;
• добавочными вентиляторами на радиаторах, соответствующими типу ONAN;
• возможностью управления с вентилятором или без него ONAN/ONAF.

Сухой трансформатор имеет:

• охлаждение типа AN;
• возможность добавления вентиляторов типа AF:
• возможность эксплуатации с вентилятором или без него, согласно типу AN/AF (1)
• Возможно только в том случае, если мощность трансформатора в ONAN или AN меньше, чем в ONAF или AF.

Основные преимущества и недостатки

Практические каждый тип сопровождается рядом технических особенностей, преимуществами и недостатками. Далее, представляем основные критерии, по которым определяется позитивные или негативные позиции:

• Уровень температур. Главное назначение охлаждения — поддержать естественную, благоприятную рабочую среду для оборудования. Последнее во многом определяется средой установки, уровень нагрузки энергоустановок.
• Стоимость реализации. Практически каждая энергоснабжающая компания стремится сократить расходы на оборудование, поэтому использует старые проверенные решения в виде масляного охлаждения.
• Степень безопасности. Это важный критерий, который предполагает применение того или иного решения на разных объектах энергетики. Для атомных станций предпочтительно задействовать более современные и рациональные предложения, позволяющие поддерживать нужный температурный режим. Когда на подстанции распределительной сети с небольшими токами можно применять вариант по типу С.

Обратите внимание, что в России, Беларуси, Украине используются силовые трансформаторы с системой охлаждения НМЦ, НДЦ.

Какая должна быть температура масла

Допустимые температурные показатели жидкого диэлектрика определяются материалом, используемым для изготовления изоляционного покрытия проводов обмоток. Номинальное значение температуры работающих трансформаторов при нижеуказанном материале изоляции (вне зависимости от системы охлаждения) составляет:

• электротехнический лак – до 70°С,

Предельная температура нагрева масла для трансформаторов с масляной системой охлаждения не должна превышать 80°С.

Нормативы температуры масла в силовых трансформаторах, использующих указанную систему охлаждения, регламентируются требованиями ГОСТ 11677-85, определяющим технические условия эксплуатации указанного оборудования.

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ «С»

Система охлаждения сухих трансформаторов маркируется в отечественных нормативах буквой «С». В таких устройствах не предусмотрено использование охлаждающего масла.

Нормализация температуры магнитопровода и обмотки происходит путем естественной циркуляцией конвекционных потоков воздуха.

Существует несколько разновидностей систем охлаждения для оборудования такого типа:

• С — открытое исполнение корпуса;
• СГ — устройство герметично;
• СЗ — корпус защищен от внешнего механического воздействия;
• СД — возможна установка дополнительных элементов для принудительной циркуляции воздушных потоков направленных на охладительный радиатор корпуса.

Воздушное охлаждение характеризуется низкой эффективностью, поэтому для контроля температуры обмоток каждой фазы в таких устройствах устанавливается термические сенсоры. Сухие трансформаторы имеют небольшую мощность, параметры большинства моделей не превышают 1600 кВА при напряжении до 15 кВ.

В соответствии с ГОСТ 11677-85 максимально допустимое превышение температуры обмотки трансформаторного оборудования разных классов серии «С» не должно превышать следующих граничных величин:

• «А» — 60°С;
• «Е» — 75°С;
• «В» — 80°С;
• «F» — 100°C;
• «Н» — 125°С.

Трансформаторы с сухой системой охлаждения имеют следующие преимущества:

1. Высокая устойчивость к ударному и переменному напряжению;
2. Возможность эксплуатации при повышенной влажности и загрязненности;
3. Высокий уровень пожарной безопасности;
4. Экологическая безопасность — нет риска загрязнения окружающей среды выбросами масла;
5. Небольшие размеры;
6. Низкий уровень шума;
7. Нет необходимости в систематическом обслуживании;
8. Высокая устойчивость коротким замыканиям и длительным тепловым нагрузкам;
9. Гибкость установки — возможна реализация различных вариантов использование внешних вентиляторов, что допускает увеличение мощности некоторых моделей до 50%.

Стоимость сухих трансформаторов в 2,5-3 раза выше, чем масляных с сопоставимыми техническими характеристиками.

Область применения силовых трансформаторов с сухой системой охлаждения разнообразна. Прежде всего, это системы распределения электроэнергии в зданиях и сооружениях общественного, административного, бытового и жилого назначения с повышенными требованиями пожаро- и взрывозащищенности, а также необходимостью низкого уровня шумового загрязнения.

Чаще всего они применяются в гостиницах, офисных центрах, банках, больницах высотных зданиях любого типа и электротранспорте, как наземном, так и метрополитене.

Рынок может предложить потребителю сухие трансформаторы, рассчитанные на особые условия эксплуатации: тропический или северный климат, регионы с высокой сейсмической активностью.

Причины нагрева трансформаторов

Коэффициент полезного действия трансформатора, как и любого другого электроприбора, ниже 100% – от 80% у небольших устройств мощностью 10Вт до 99,5% у силовых трансформаторов. Потери выделяются в обмотках и магнитопроводе в виде тепла.

Нагрев магнитопровода

Потери в сердечнике состоят из двух составляющих:

• вихревые токи;
• потери на гистерезис.

Вихревые токи наводятся обмотками трансформатора в магнитопроводе, причем чем меньше его сопротивление, тем больше токи и нагрев железа. Для увеличения сопротивления железный сердечник делается не сплошным, а из тонких листов, изолированных друг от друга лаком и окисной пленкой. Изготавливаются он не из обычной углеродистой стали, а из трансформаторного железа, с добавками кремния, повышающего сопротивление металла.

При работе магнитопровод намагничивается магнитным полем, создаваемым током, протекающим по катушкам. Поскольку ток переменный, то поле постоянно меняет полярность и происходит перемагничивание сердечника с выделением тепла. Этот процесс называется “петля гистерезиса”, а потери – потери на гистерезис.

Важно! Для каждого сечения, формы и материалов магнитопровода есть оптимальное число витков обмотки. При его уменьшении растут потери на гистерезис, а при увеличении растут потери в обмотках.

Нагрев обмоток

Проводники, которыми намотаны катушки, имеют активное сопротивление. При работе по этому сопротивлению протекает электрический ток и выделяется энергия, которая превращается в тепло.

Потери в обмотках уменьшаются при увеличении сечения провода и замене дешевого алюминия более дорогой медью, имеющей меньшее сопротивление, но эти способы ведут к увеличению габаритов или росту цены аппарата. Поэтому при проектировании электротрансформатора кроме технического производится экономический расчет.

Интересно! В 50-е годы для уменьшения потерь и нагрева проектировались силовые электротрансформаторы с обмотками из серебра, но из-за роста цен на него эти проекты не были реализованы.

Охлаждение по типу М

Представленные тип считается самым распространенным в силу относительной дешевизны, расширенного срока службы и некоторых других особенностей. На подстанциях распределительных сетей используются маслонаполненные трансформаторы с естественной циркуляцией масла и без дополнительного обдува. Система охлаждения трансформатора М имеет некоторые нюансы эксплуатации:

1. Необходимость отслеживания уровня масла и отбор газа для определения состояния техники. Обслуживающий персонал обязан посетить подстанцию распредсетей не реже 1 раза в полгода.
2. Конструкция должна быть герметичной. Следы подтеков свидетельствует о необходимости проведения технического или капитального ремонта.

Негативным фактором эксплуатации считается воровство масла. Это распространенная практика, когда происходит пробитие и слив технической жидкости с бака трансформатора. Из-за варварских действий осуществляется перегрев и замыкание оборудования с последующим выгоранием.

Система охлаждения Д.

В трансформаторах мощностью более 6,3—10 MB-А затруднительно развить теплоотдающую поверхность бака в такой мере, чтобы обеспечить заданный уровень нагрева. Это становится понятным, если учесть, что согласно законам роста в серии подобных трансформаторов (т. е. в таких, в которых соответствующие линейные размеры пропорциональны) при постоянстве электромагнитных нагрузок (индукции в магнитопроводе, и плотности тока в обмотках) потери растут пропорционально кубу линейных размеров, тогда как охлаждающие поверхности растут пропорционально квадрату этих размеров. Поэтому приходится принимать дополнительные меры для усиления охлаждения путем обдува радиаторов вентиляторами. Тем самым увеличивается в 1,5—2 раза коэффициент теплопередачи и соответственно теплосъем радиаторов. При снижении температуры верхних слоев масла до 50С, если при этом ток нагрузки меньше номинального, вентиляторы отключаются.

Двигатели системы охлаждения

Свыше 350 кВт становится выгоднее использовать двигатели НТА. Эти двигатели работают при напряжениях, варьирующихся от 2.2 кВ до 13.8 кВ. Свыше 1500 кВт использовать только двигатели НТА. Почти 80% моторов этого типа представляют собой трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Их предпочитают за:

• простоту и надежность;
• возможность прямого пуска;
• адаптированность к большим нагрузкам.

Напряжение источника питания

В диапазоне свыше 100 кВт имеются также неплохие двигатели ВТ, аналогичные по характеристикам моторам НТА. Однако мощность двигателей ВТ ограничена текущими значениями, что становится существенным параметром при увеличении мощности. Это делает более дорогостоящим установку и эксплуатацию двигателя, оборудования, кабелей и т.д. Например: двигатель 1500 кВт при 600В требует в стабильном состоянии около 1500 А. Свыше 350 кВт, и/или если линия питания длинная потери напряжения будут существенны. В этом случае целесообразно использовать двигатели марки НТА. Эти двигатели в большинстве своем трехфазные и поставляются в стандартном напряжении: 2.2 – 3 – 3.3 – 5 – 5.5 – 6 – 6.6 – 7.2 – 13.8 кВ на 50 Гц.

Стандарты и нормы

Установка

Установка двигателей НТА должна соответствовать стандарту, а также директиве, относящейся к работам, к которым они предназначены.

Система охлаждения ДЦ.

В трансформаторах мощностью около 100 MB-А и более выделяющиеся потери настолько значительны, что для их отвода приходится применять специальные масляно-воздушные охладители, обдуваемые вентиляторами и оснащенные насосами для принудительной циркуляции масла. Для увеличения эффективности обдува трубы в таких охладителях имеют сильно развитую ребристую наружную поверхность. Благодаря принудительной циркуляции масла достигается более равномерное распределение температуры масла по высоте бака. Разница температуры масла вверху и внизу бака составляет в данном случае менее 10°С, в то время как при естественной циркуляции она достигает 20—30°С. Выпускаемые в настоящее время отечественной промышленностью охладители имеют теплосъем 160—180 кВт. В случае отключения системы охлаждения трансформаторы могут оставаться включенными очень непродолжительное время, так как теплоотдающей поверхности бака недостаточно даже для отвода потерь холостого хода. Недостатком такой системы охлаждения является то, что теплоотдача от обмоток к маслу остается практически такой же, как и при естественной конвекции, так как принудительная циркуляция масла происходит только в зоне между наружной обмоткой и стенкой бака трансформатора.

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ «М»

Для трансформаторного оборудования средней мощности характерно использование более эффективного – жидкостного охлаждения. Чаще всего используется трансформаторное масло. Наиболее простая схема предусматривает естественную циркуляцию охлаждающей жидкости – тип «М».

Тепло, выделяемое обмотками и магнитопроводом, передается через масло в окружающее пространство. Внешний теплообменник представляет собой совокупность трубопроводов, радиаторов и бака накопителя для масла.

Для увеличения эффекта отведения тепла могут быть выбраны разнообразные схемы с различным количеством радиаторов, труб и/или дополнительных ребер на бак.

Максимальная температура теплоносителя в верхней части теплообменника (наиболее разогретые слои) не должна превышать +95°С.

Для трансформаторов типа «М» применение дополнительных охлаждающих устройств типа воздушного принудительного обдува не предусмотрено. Такое оборудование применяется в устройствах мощностью не более 16 МВА.

Отсутствие подвижных частей и дополнительных приспособлений значительно упрощает использование трансформаторного оборудования. Техобслуживание сводится к контролю уровня температуры масла.

Система охлаждения Ц.

Эта очень эффективная и компактная система охлаждения применяется для мощных трансформаторов тогда, когда имеется достаточное количество воды (гидростанции, очень мощные тепловые станции). Она позволяет отказаться от системы охлаждения ДЦ, которая при очень большой мощности трансформаторов становится достаточно громоздкой. Эта система охлаждения основана на применении масляно-водяных охладителей с гладкими или оребренными трубами и движением воды по трубам, а масла — в межтрубном пространстве. Благодаря конструктивным мероприятиям обеспечивается зигзагообразное движение масла в охладителе с поперечным обтеканием трубок. Большой теплосъем (до 1000 кВт и более) и малые габаритные размеры масляно-водяных охладителей достигаются благодаря увеличению коэффициента теплоотдачи от стенки трубы при охлаждении ее водой. При отключении этой системы охлаждения, как и при системе ДЦ, трансформаторы могут оставаться в работе также очень ограниченное время. Недостаток этой: системы охлаждения в части интенсивности охлаждения обмоток тот же, что и системы охлаждения ДЦ.

Технические характеристики

• Номинальная мощность – определяет объем перерабатываемой электроэнергии для сухого трансформатора.
• Номинальное напряжение – показывает значение уровня напряжения, которое может подаваться на каждую из обмоток высокого, среднего и низкого потенциала.
• Перегрузочный коэффициент – показывает, на какую величину рабочая нагрузка может превышать значение номинального тока.

• Коэффициенты потерь холостого хода и короткого замыкания.
• Степень пыле- влагоустойчивости и климатического исполнения – определяет внешние условия, при которых допускается эксплуатировать агрегат и сохраняется прочность изоляции.
• Габаритные размеры и масса сухого трансформатора.
• Уровень шума.

Для увеличения таблица с характеристиками нажмите на неё:

Варианты охлаждения С, СГ

В отличие от системы масляного охлаждения трансформаторов, варианты типа С не использует какую-либо жидкость для корректировки температурного режима. Снижение температур осуществляется естественной циркуляцией воздуха, что приемлемо в следующих случаях:

1. Трансформатор до 63 кВА, которые обладают нормальной средой эксплуатации и небольшой нагрузкой.
2. Силовое оборудование, которое задействовано в условиях низких температур.
3. Временная строительная площадка, где не важна длительность использования изделий.

В остальных случаях рекомендуется ориентироваться на описываемые выше решения. Это позволит продлить срок службы и сэкономить значительные средства.

Особенности

Сухие трансформаторы отличаются по виду применяемых обмоток, которые бывают открытого, монолитного и литого типов. Использование двух последних разновидностей ограничено за счёт худшего отвода тепла. Из-за этого для таких катушек используется провод с большим сечением. А для охлаждения требуется увеличение зазоров между обмотками и корпусом, выполнение специальных окон для улучшения циркуляции воздуха и организация принудительного обдува.

Для трансформаторов сухой изоляции используют следующие системы охлаждения:

• воздушную, с естественным отводом тепла – температура нагревающихся узлов снижается за счёт прямого контакта с воздушной средой, посредством процесса конвекции и циркуляции воздуха;
• воздушную форсированную – воздушный поток направляется вентилятором на обмотки, внутрь корпуса, с обеспечением снижения температуры узлов.

Воздушная система охлаждения с естественным отводом тепла для агрегатов большой мощности требует увеличения размеров корпуса, что ведёт к возрастанию массы и стоимости оборудования, что не всегда приемлемо.

Установка охлаждающих вентиляторов позволяет снизить цену и улучшить характеристики агрегата.

Системы охлаждения с направленной циркуляцией масла в обмотках НДЦ и НЦ.

Улучшить охлаждение обмоток и обеспечить при этом более равномерное распределение в них температуры можно путем создания принудительной (направленной) циркуляции масла в охлаждающих каналах обмоток с требуемой скоростью, обеспечивающей необходимый температурный режим. Здесь возможны два варианта исполнения — с одноконтурной и двухконтурной схемами циркуляции масла. В первом варианте масло, забираемое из верхней части бака, проходит через масляно-воздушные или масляно-водяные охладители и подается в обмотки. Во втором варианте кроме контуров охлаждения масла, аналогичных системам ДЦ или Ц, существуют независимые контуры охлаждения обмоток, причем масло, забираемое насосом из верхней части бака, подается, минуя охладители, в нижнюю часть бака и далее в контуры охлаждения обмоток. Второй вариант исполнения системы охлаждения несколько сложнее и дороже. Эта система охлаждения позволяет при необходимости (например, в трансформаторах предельных мощностей) повысить электромагнитные нагрузки, но она усложняет конструкцию изоляции и обмоток, а также технологию сборки и испытаний трансформаторов (необходимы гидравлические испытания контуров циркуляции масла в обмотке). Поэтому такие системы применяются в отечественном трансформаторостроении для трансформаторов мощностью 400 MB-А и выше.

Естественное воздушное охлаждение

Естественное воздушное охлаждение трансформаторов осуществляется путем естественной конвекции воздуха и частично лучеиспускания в воздухе. Такие трансформаторы получили название «сухих» Условно принято обозначать естественное воздушное охлаждение при открытом исполнении С; при защищенном исполнении СЗ, при герметизированном исполнении СГ, с принудительной циркуляцией воздуха СД.

Допустимое превышение температуры обмотки сухого трансформатора над температурой охлаждающей среды зависит от класса нагревостойкости изоляции и согласно ГОСТ 11677-85 должно быть не больше: 60°С (класс А); 75°С (класс Е); 80°С (класс В); 100°С (класс F); 125°С (класс Н).

Данная система охлаждения малоэффективна, поэтому применяется для трансформаторов мощностью до 1600 кВА при напряжении до 15 кВ.

Естественное масляное охлаждение

Естественное масляное охлаждение (М) выполняется для трансформаторов мощностью до 16000 кВА включительно. В таких трансформаторах тепло, выделенное в обмотках и магнитопроводе, передается окружающему маслу, которое, циркулируя по баку и радиаторным трубам, передает его окружающему воздуху. При номинальной нагрузке трансформатора температура масла в верхних, наиболее нагретых слоях не должна превышать +95°С.

Для лучшей отдачи тепла в окружающую среду бак трансформатора снабжается ребрами, охлаждающими трубами или радиаторами в зависимости от мощности.

Рис.1. Трансформатор трехфазный трехобмоточный ТДТН-16000-110-80У1 1 — бак, 2 — шкаф автоматического управления дутьем, 3 — термосифонный фильтр, 4 — ввод ВН, 5 — ввод НН, 6 — ввод СН, 7 — установка трансформаторов тока 110 кВ, 8 — установка трансформаторов тока 35 кВ, 9 — ввод 0 ВН, 10 — ввод 0 СН, 11 — расширитель, 12 — маслоуказатель стрелочный, 13 — клапан предохранительный, 14 — привод регулятора напряжения, 15 — электродвигатель системы охлаждения, 16 — радиатор, 17 — каретка с катками

Масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла

Масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла (Д) применяется для более мощных трансформаторов. В этом случае в навесных охладителях из радиаторных труб помещаются вентиляторы (рис.1). Вентилятор засасывает воздух снизу и обдувает нагретую верхнюю часть труб. Пуск и останов вентиляторов могут осуществляться автоматически в зависимости от нагрузки и температуры нагрева масла. Трансформаторы с таким охлаждением могут работать при полностью отключенном дутье, если нагрузка не превышает 100% номинальной, а температура верхних слоев масла не более +55°С, также при минусовых температурах окружающего воздуха и при температуре масла не выше +45°С независимо от нагрузки. Максимально допустимая температура масла в верхних слоях при работе с номинальной нагрузкой +95°С.

Форсированный обдув радиаторных труб улучшает условия охлаждения масла, а следовательно, обмоток и магнитопровода трансформатора, что позволяет изготовлять такие трансформаторы мощностью до 80000 кВА.

Масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла через воздушные охладители

Масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла через воздушные охладители (ДЦ) применяется для трансформаторов мощностью 63000 кВА и более.

Охладители состоят из системы тонких ребристых трубок, обдуваемых снаружи вентилятором. Электронасосы, встроенные в маслопроводы, создают непрерывную принудительную циркуляцию масла через охладители (рис.2).

Рис.2. Принципиальная схема охладителя системы ДЦ: 1 — бак трансформатора; 2 — электронасос; 3 — адсорбный фильтр; 4 — охладитель; 5 — вентиляторы обдува

Благодаря большой скорости циркуляции масла, развитой поверхности охлаждения и интенсивному дутью охладители обладают большой теплоотдачей и компактностью. Переход к такой системе охлаждения позволяет значительно уменьшить габариты трансформаторов.

Охладители могут устанавливаться вместе с трансформатором на одном фундаменте или на отдельных фундаментах рядом с баком трансформатора.

Рис.3. Автотрансформатор однофазный АОДЦТН-500/330: 1 — бак (нижняя часть); 2 — бак (съемная часть); 3 — скоба для подъема съемной части бака; 4 — стрелочный маслоуказатель; 5 — предохранительная труба; 6 — газовое реле; 7 — ввод 35 кВ; 8 — вводы НН; 9 — ввод ВН; 10 — установка трансформаторов тока ВН; 11 — выносные маслоохладители; 12 — ввод СН; 13 — ввод нейтрали; 14 поворотная каретка; 15 — регулятор напряжения

На рис.3 показан однофазный автотрансформатор с системой охлаждения ДЦ с выносными охладителями, связанными с баком маслопроводами. Бак колокольного типа с нижним разъемом.

Направленный поток масла (НДЦ)

В трансформаторах с направленным потоком масла (НДЦ) интенсивность охлаждения повышается, что позволяет увеличить допустимые температуры обмоток.

Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла (Ц)

Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла (Ц) принципиально устроено так же, как система ДЦ, но в отличие от последнего охладители состоят из трубок, по которым циркулирует вода, а между трубками движется масло.

Температура масла на входе в маслоохладитель не должна превышать +70°С.

Чтобы предотвратить попадание воды в масляную систему трансформатора, давление масла в маслоохладителях должно превышать давление циркулирующей в них воды не менее чем на 0,02 МПа (2 Н/см2). Эта система охлаждения эффективна, но имеет более сложное конструктивное выполнение и применяется на мощных трансформаторах (160 MBА и более).

Масляно-водяное охлаждение с направленным потоком масла (НЦ)

Масляно-водяное охлаждение с направленным потоком масла (НЦ) применяется для трансформаторов мощностью 630 MBА и более.

На трансформаторах с системами охлаждения ДЦ и Ц устройства принудительной циркуляции масла должны автоматически включаться одновременно с включением трансформатора и работать непрерывно независимо от нагрузки трансформаторов. В то же время число включаемых в работу охладителей определяется нагрузкой трансформатора. Такие трансформаторы должны иметь сигнализацию о прекращении циркуляции масла, охлаждающей воды или об останове вентилятора.

Следует отметить, что в настоящее время ведутся разработки новых конструкций трансформаторов с обмотками, охлаждаемыми до очень низких температур. Металл при низких температурах обладает сверхпроводимостью, что позволяет резко уменьшить сечение обмоток. Трансформаторы с использованием принципа сверхпроводимости (криогенные трансформаторы) будут иметь малую транспортировочную массу при мощностях 1000 MBА и выше.

Каждый трансформатор имеет условное буквенное обозначение, которое содержит следующие данные в том порядке, как указано ниже:

• число фаз (для однофазных — О; для трехфазных — Т);
• вид охлаждения — в соответствии с пояснениями, приведенными выше;
• число обмоток, работающих на различные сети (если оно больше двух), для трехобмоточного трансформатора Т; для трансформатора с расщепленными обмотками Р (после числа фаз);
• буква Н в обозначении при выполнении одной из обмоток с устройством РПН;
• буква А на первом месте для обозначения автотрансформатора.

За буквенным обозначением указывается номинальная мощность, кВА; класс напряжения обмотки (ВН); климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70.

Например, ТДТН-16000/110-У1 — трехфазный трансформатор с системой охлаждения Д, трехобмоточный, с регулированием напряжения под нагрузкой, номинальной мощностью 16000 кВА, напряжением ВН 110 кВ; климатическое исполнение У (умеренный климат); категория размещения 1 (на открытом воздухе).

МАСЛЯНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Данная технология распространена в нашей стране в силу надежности, приемлемого срока эксплуатации и относительной дешевизны. Маслонаполненные трансформаторы без дутья воздуха и с естественной конвекцией масла применяются в устройстве распределительных систем — на подстанциях.

Подобный вид охлаждения подходит для силовых трансформаторов с номинальной мощностью до 16МВ*А и маркируется как М.

Тепло, выделяемое магнитопроводом, обмоткой и другими рабочими элементами устройства, передается охладителю — трансформаторному маслу. Оно циркулирует по системе кожух – бак охладителя и охлаждается воздухом атмосферы посредством ребер радиатора.

Согласно правилам эксплуатации, температура верхних слоев охлаждающей жидкости при нормальной работе трансформаторного оборудования не должна превышать 95оС.

Эксплуатация масляных систем охлаждения трансформаторов имеет некоторые особенности. Например, персонал, обслуживающий данный агрегат, обязан посещать его с определенной периодичностью и производить отбор газа, а также следить за уровнем масла. Эти действия позволяют определять техническое состояние трансформатора.

Кроме того, герметичность конструкции – важный фактор. Любые подтеки должны влечь за собой ремонт устройства.

Более серьезные аппараты с повышенной мощностью имеют несколько модификаций систем охлаждения со своей маркировкой:

• масляное естественное (М);
• с естественной циркуляцией охладителя и дутьем воздуха (МД);
• с принудительной циркуляцией масла по системе с дутьем (ДЦ);
• с направленным масляным потоком (НДЦ);
• масляно-водяная система охлаждения с принудительной циркуляцией (Ц);
• с направленным потоком охладителя и масляно-водяной системой (НЦ);
• с дистиллированной водой в качестве охлаждающей жидкости (Н).

Крупные подстанции, помимо естественной конвекции масла, дополняются автоматическим обдувом воздуха, включающимся при достижении температурой заданного значения.

Здесь вентиляторы помещаются в навесных радиаторах и обдувают их верхнюю часть. Такие аппараты могут работать и без дутья при пониженных нагрузках, если температура охладителя не превышает 55оС.

При высоких нагрузках усовершенствованная конструкция трансформатора МД обеспечивает повышенный уровень надежности системы. Мощность аппаратов, оборудованных подобным охлаждением, доходит до 80МВ*А.

Системы, дополненные принудительной циркуляцией масла и обдувом воздуха, обозначаются ДЦ и применяются для охлаждения трансформаторов до 160МВ*А мощностью.

Подобные устройства оборудуются электронасосами, встроенными в маслопровод и обеспечивающими непрерывную циркуляцию охлаждающей жидкости через трубы радиаторов. Последние же обдуваются воздухом посредством внешних вентиляторов.

Трансформаторы ДЦ отличаются компактными габаритами при повышенной мощности. Обусловлено это скоростью циркуляции масла, интенсивному и беспрерывному дутью вентиляторов, а также большей площади охлаждаемой поверхности, что увеличивает теплоотдачу охладителя.

Кроме того, конструктивные особенности трансформаторов ДЦ позволяют изменить традиционное устройство агрегата: масляный бак и аппарат охладителя могут устанавливаться раздельно, соединяясь маслопроводом.

Направленный поток охлаждающей жидкости – масла – повышает эффективность системы охлаждения, соответственно увеличивая номинальную мощность силового трансформатора, не изменяя его габариты. Обозначение данных аппаратов – НДЦ.

Особенности конструктивного устройства системы охлаждения масляного трансформаторов

Масло используется в трансформаторах не только в качестве охлаждающей среды, но и как жидкий диэлектрик. Обмотки выполняются таким образом, что в корпусе между ними сохраняются свободные полости, заполняемые диэлектрической жидкостью.

Тепло отводится через трубки с эллиптической формой сечения, расположенные с наружных сторон корпуса. Охладитель циркулирует по круговой схеме, из бака в трубки, через расширитель, и возвращаясь обратно.

Для трансформаторов класса от 5 МВА этого оказывается недостаточно, и возникает необходимость устройства радиаторов для дополнительного отвода тепла от магнитопровода и обмоток.

Силовой трансформатор: классификация, особенности, производители

Силовой трансформатор – специализированный электромагнитный статический преобразователь электрической энергии, который преобразует переменное напряжение одной величины в переменное напряжение другой величины посредством электромагнитных явлений, что обеспечивает гальваническую развязку между электрическими цепями различных сетей. Основными сферами, где используют электроустановки этого типа, являются:

• Распределительные электросетевые компании;
• Предприятия по генерации электроэнергии: АЭС, ТЭС, ГЭС, ТЭЦ;
• Предприятия по добыче нефти, газа и других полезных ископаемых;
• Объекты железнодорожной инфраструктуры;
• Предприятия жилищно-коммунального хозяйства, социальной сферы, городской инфраструктуры;
• Промышленные предприятия, фабрики, комбинаты и заводы.

Классификация

Все силовые трансформаторы подразделяют на большое количество различных типов и модификаций в зависимости от их конструктивных особенностей:

1. Количество обмоток: двухобмоточные, трехобмоточные, многообмоточные;
2. Количество фаз: однофазные и трехфазные;
3. Схема соединения обмоток: треугольник, звезда, зигзаг;
4. Группа соединения обмоток;
5. Основное назначение: повышающие и понижающие;
6. Тип основной изоляции обмоток: масляные и сухие;
7. Климатическое исполнение: для эксплуатации снаружи или внутри помещений;
8. Возможность регулирования выходного напряжения: нерегулируемые, регулируемые (РПН и ПБВ);
9. Материал для изготовления обмоток: медь или алюминий;
10. Конструкция магнитопровода: стержневой или броневой;
11. Тип системы охлаждения: естественное или принудительное;
12. Габаритные размеры.

Конструктивные особенности

Конструкция силовых трансформаторов включает большое количество различных элементов, которые подразделяют на две группы: основные и вспомогательные. К группе основных конструктивных элементов трансформатора относят:

• Магнитопровод. Предназначен для прохождения магнитного потока, который возбуждается в обмотках. Его изготавливают из электротехнической шихтованной стали или аморфных материалов. Конструктивно состоит из стержней, на которые одевают обмотки и ярма, предназначенного для объединения всех элементов в одну систему;
• Обмотки. Представляют собой совокупность витков проводника, которые образуют общую электрическую цепь. Обмотка предназначена для наведения ЭДС, которые суммируются и формируют электромагнитный поток. Обмотки силовых трансформаторов различают по материалу изготовления, взаимному расположению на стержне магнитопровода, способу и направлению намотки, числу витков, схеме соединения обмоток между собой, классом напряжения;
• Корпус. Предназначен для крепления и размещения всех основных и вспомогательных конструктивных элементов. Корпус изготавливают из прочной стали с обязательной защитой от коррозии. В целях безопасности обслуживающего персонала корпус силового трансформатора подлежит заземлению;
• Высоковольтные вводы. Представляют собой изоляционную конструкцию, которая обеспечивает подключение обмоток трансформатора к электрической сети, путем безопасного прохождения через заземленный металлический корпус. Конструкция и вид высоковольтного ввода зависит от класса напряжения сети, номинального тока, климатических условий эксплуатации трансформатора;
• Расширитель. Специальный сосуд, который соединяют с баком масляного силового трансформатора с целью компенсации изменений объема трансформаторного масла при изменении его температуры. Второй важной функцией расширителя является сокращение площади контакта трансформаторного масла с воздухом, что обеспечивает защиту от окисления, увлажнения и преждевременного старения;
• Изоляция. Обеспечивает изоляцию токоведущих частей от заземленных частей трансформатора, а также между разноименными обмотками. В зависимости от типа трансформатора изоляцией может выступать трансформаторное масло или твердый компаунд;
• Устройство регулирования выходного напряжения. Предназначено для изменения величины выходного напряжения силового трансформатора. В зависимости от конструкции выполняется в двух разных вариантах: РПН (регулирование под напряжением) и ПБВ (переключение без возбуждения);
• Система охлаждения. Обеспечивает продолжительную безаварийную работу силового трансформатора в заданном температурном режиме. Для маломощных трансформаторов выполняется в виде естественного охлаждения окружающим воздухом. У трансформаторов большой мощности осуществляется принудительно при помощи циркуляции воздуха, масла или воды.

Группа вспомогательных конструктивных компонентов силового трансформатора включает:

• Газовое реле. Представляет собой устройство, которое чувствительно к концентрации газа, выделяемого при разложении трансформаторного масла внутри бака силового трансформатора. В зависимости от настроек, газовое реле подает предупреждающий сигнал или отключает питание силового трансформатора;
• Индикаторы температуры. Специальные датчики, построенные на принципе термопары, которые постоянно измеряют температуру верхних слоев изоляции в силовом трансформаторе;
• Поглотители влаги. Являются обязательным компонентом для силовых масляных трансформаторов. Они обеспечивают устранение влаги из воздуха, который поступает внутрь силового трансформатора и контактирует с трансформаторным маслом;
• Индикатор уровня масла. Устройство, которое обеспечивает контроль за уровнем трансформаторного масла внутри бака. При критическом снижении уровня масла устройство подает предупредительный сигнал или отключает трансформатор от питающей сети;
• Система регенерации масла (термосифонный фильтр). Представляет собой эффективный способ очистки трансформаторного масла без снятия нагрузки с электроустановки. В качестве фильтрующих материалов применяют крупнозернистый адсорбент (силикагель). Циркуляция масла через термосифонный фильтр осуществляется за счет разности температуры и соответственно плотности в нижней и верхней части трансформатора.

Маркировка

В соответствии с требованиями международных стандартов, маркировка силового трансформатора осуществляется следующим образом:

Буквенная часть обозначения типа:

Э – электропечной. Л – линейный. А – автотрансформатор. отсутствие обозначения – трансформатор.

Число фаз:

О – однофазный. Т – трехфазный.

Вид системы охлаждения:

• Масляные трансформаторы: М, МВ, Д, МЦ, НМЦ, ДЦ, НДЦ, Ц, НЦ.
• Сухие трансформаторы: С, СГ, СД, СЗ.

Производители

Наиболее известными производителями силовых трансформаторов на территории Российской Федерации и стран СНГ являются:

1. Кентауский трансформаторный завод, г. Кентау, Республика Казахстан;
2. Тольяттинский трансформатор г. Тольятти;
3. Самара Электрощит г. Самара;
4. Минский электротехнический завод г. Минск, Республика Беларусь;
5. ГК «СВЭЛ» г. Екатеринбург;
6. Уральский трансформаторный завод г. Уральск, Республика Казахстан.

Конструкция и принцип работы

Среди элементов силовых трансформатором с воздушным охлаждением выделяют:

• Магнитопровод – является элементом передачи магнитодвижущей силы между обмотками. Чаще всего изготавливается из шихтованной, ленточной или пластинчатой стали. По конструкции сердечники трансформаторов сухого типа могут быть стержневыми, кольцевидными или броневыми.

• Обмотки – представляют собой элемент для протекания электрического тока и формирования электромагнитного взаимодействия, последующей генерации ЭДС и МДС. Для изготовления обмоток применяются медные или алюминиевые проводники, круглого или прямоугольного сечения. Как и в силовых масляных трансформаторах, обмотки высокого напряжения размещаются на обмотках низкого, а в маломощных могут разноситься по полюсам сердечника.

• Изоляция обмоток – применяется для электрического отделения токоведущих частей от заземленных, их защиты от воздействия окружающей среды. Литая изоляция производится электротехническим лаком, полиамидными и эпоксидными смолами, может покрываться полимерными составом, пропитанной тканью и прочими. В состав большинства материалов включаются антипирены – вещества, приводящие к самозатуханию при возгорании.
• Соединительные стяжки, болты, рамы, распорки и другие вспомогательные детали, обеспечивающие надежное закрепление и фиксацию всех частей. В каждой конкретной модели могут применятся все или только некоторые из вышеперечисленных.
• Защитный кожух или корпус – необходим для предотвращения приближения к токоведущим частям на недопустимое расстояние. Изготавливается специальный кожух из металла, а при работе заземляется.

• Изоляторы – необходимы для вывода концов обмоток высокого и низкого напряжения через корпус.

Принцип действия заключается в подаче напряжения на первичную обмотку сухого трансформатора, после чего по ней начинает протекать электроток. От направленного движения заряженных частиц возникает электромагнитный поток, наводящий во вторичной обмотке ЭДС. Которая и обеспечивает разность потенциалов во вторичной обмотке и возможность для протекания тока при подключении номинальной нагрузки.

Всего существует три типа обмоток в сухих агрегатах – открытые, монолитные и литые. Из-за применения монолитных и литых обмоток трансформаторы этой серии значительно хуже отводят тепло, поэтому в них используются проводники большего сечения. А в ходе работы отвод тепловой энергии может потребовать принудительной подачи воздуха или большего пространства в корпусе, наличия дополнительных вентиляционных каналов для отвода воздушных масс.

Какому варианту отдать предпочтение?

На этот вопрос нет единого ответа, так как существует множество факторов, которые предопределяют решение. Как показывает практика, на современном рынке используются трансформаторы типа НДЦ и НМЦ, которые сопровождаются естественной циркуляцией масла и принудительной подачей воздуха. Подобные изделия обладают повышенной стойкостью к перепадам температуры, создает защитную пленку, которая продлевает жизнь оборудованию.

Вместе с этим, имеются более прогрессивные и безопасные технологии, которые помогают избежать форс-мажорных ситуаций. К примеру, пожаров на подстанциях, когда полностью выгорает все оборудование ОРУ. Необходимо двигаться вперед к технологическому прогрессу, но и не забывать о наработках прошлых лет. Ведь со старым оборудованием придется работать еще очень долго.

Источники

• https://RadioLisky.ru/sovety-novichkam/tipy-ohlazhdeniya-transformatorov.html
• https://kaksvet.ru/osnovy/sistemy-ohlazhdeniya-maslyanyh-transformatorov.html
• https://CrystalSoap.ru/novosti/tipy-ohlazhdeniya-transformatorov.html
• https://pairon.technology/a221745-vidy-ohlazhdeniya-silovyh.html
• https://int43.ru/novosti/vidy-ohlazhdeniya-transformatorov.html
• https://svet-komfort.ru/shkola-elektrika/tipy-ohlazhdeniya-transformatorov.html