Силовые трансформаторы нового поколения

Развитие цивилизации ведет к дальнейшему усложнению инфраструктуры, вследствие  необходимости в новых торговых и деловых районах. Это, в свою очередь, требует создания все более сложных электрических сетей для распределения электроэнергии, что должно сочетаться с повышением безопасности людей, работающих в этих районах.

Традиционно распределение электроэнергии производится через силовые трансформаторы, заполненные жидким диэлектриком. Уже на протяжении более 100 лет эти трансформаторы производятся с применением материалов на основе целлюлозы и минерального масла в качестве охлаждающей среды. Помимо того что масло является прекрасным охлаждающим и изоляционным материалом, оно также легко воспламеняется и является потенциально горючим под воздействием пламени. Поэтому существует потребность в создании более безопасной системы распределения, если население находится в непосредственной близости от таких трансформаторов.
Благодаря высочайшему уровню безопасности по сравнению с маслонаполненным оборудованием, сухие трансформаторы приобретают все большую мировую популярность в качестве систем распределения энергии. Первостепенную важность имеет их огнестойкость и способность функционировать в различных окружающих условиях.
Сухие трансформаторы должны иметь низкий уровень шума, компактные размеры и небольшую массу, чтобы свести к минимуму занимаемый ими объем пространства, которое можно продуктивно использовать. Пользователи и разработчики технических условий для решения этих задач обратились к сухим трансформаторам с открытой вентиляцией. В Европе некоторые изготовители предложили в качестве решения технологию литой изоляции класса В или F. Многие страны Азии, в том числе Китай и Корея, позаимствовали эту технологию у Европы. Однако после эксплуатации таких установок в течение более десяти лет ограничения, присущие этой технологии, стали вызывать у пользователей все большую озабоченность. Возрастающие тяжелые нагрузки, необходимость применения экологически безопасных материалов и требования к надежности в долгосрочной перспективе выявили недостатки этих низкотемпературных технических решений. Суровые условия могут привести к растрескиванию больших блоков смолы, а ускоренное старение материала ведет к появлению неисправностей уже в течение первых десяти лет эксплуатации.

Рис. 1. Трансформаторная подстанция

Рис. 2. Силовой трансформатор

Преимущества сухих трансформаторов

Термостойкие изоляционные материалы в трансформаторах класса F, класса Н (180°С) и выше до класса R (220°С) обеспечивают существенные преимущества.
Планируя приобрести трансформатор, пользователи выбирают поставщика, который может обеспечить поставку надежного трансформатора с требуемыми спецификациями на электрические эксплуатационные характеристики, относящегося к необходимому классу экологической безопасности и огнестойкости, по самой выгодной цене. Пользователи обычно не требуют применения какой-то конкретной системы изоляции, поскольку она считается составной частью оборудования, которым воспользуется фирма-изготовитель для производства изделия, в максимальной мере отвечающего их потребностям. Однако сегодня становится особенно важно, чтобы пользователь, желающий приобрести трансформатор, в наибольшей мере отвечающий его потребностям, понимал все возможные альтернативные варианты, их технические достоинства, а также то, какими плюсами или минусами обладают эти трансформаторы при практической эксплуатации. Все большую важность приобретает способность оборудования функционировать в самых разных окружающих условиях и при температурах, нередко превышающих нормальные проектные условия.
Наиболее распространенными проблемами являются высокие, порой неожиданные нагрузки и высокие окружающие температуры, типичные для многих районов Азии, в частности, для Индии.
Сегодня изготовители располагают материалами, обладающими стойкостью к высоким температурам, в частности, арамидами, эмалями, смолами и лаками, что позволяет им производить системы изоляции, обеспечивающие высокую надежность при высоких температурах эксплуатации. Если предположить, что трансформатор обладает системой изоляции, основанной на таких материалах, как арамидные бумаги, обладающие тепловым показателем 220°С, то это позволяет эксплуатировать такую систему при температуре горячих точек до 220°С. Такой трансформатор сможет работать в непрерывном режиме при температуре окружающей среды 40°С и при допуске в горячих точках в пределах 30°С.
В условиях высоких температур окружающей среды во многих местных стандартах содержится требование к эксплуатации при температуре на уровне 50°С. Поэтому такие системы могут выдержать превышение температуры на 140°С при допуске на горячие точки в пределах 30°С. Благодаря высокой термостойкости этой системы изоляции и уменьшению пространства, необходимого для охлаждения, по сравнению с трансформатором равной мощности, но рассчитанным на более низкие температуры, это оборудование будет более компактным и гораздо более легким. Более того, при каждом увеличении температурного класса размеры трансформатора можно будет уменьшать на 10—15%. Например, трансформатор мощностью 500 кВА класса R (220°С) будет до 15% меньше трансформатора класса Н (180°С) и почти на 30% меньше сопоставимого трансформатора класса F (155°С).
Однако даже несмотря на то, что во многих случаях уменьшение размеров и веса представляет большой интерес, чаще всего система изоляции класса R (220°С) применяется в трансформаторах, рассчитанных на работу по характеристикам классов F или Н.Этот выбор позволяет получить пользователям очень компактную установку, обеспечивающую высокую гибкость при эксплуатации, в том числе работу под большими нагрузками при пониженных потерях энергии, и такие установки вызывают во всем мире огромный интерес. Особенно привлекательны для районов, где наблюдается быстрый рост нагрузок и преобладают экстремальные климатические условия.

Экономические соображения

При приобретении обычных трансформаторов с жидким диэлектриком или сухих трансформаторов с пониженной термостойкостью, например, конструкций класса В или F с литой изоляцией, размеры агрегата, как правило, зависят от максимальной нагрузки, которую ожидает пользователь, поскольку они должны гарантировать надежность и достаточный срок эксплуатации системы изоляции. Это связано с тем фактом, что трансформаторы изолируются материалами, которые не могут выдерживать нагрузки, превышающие проектные температуры в горячих точках. Поскольку средние нагрузки часто бывают гораздо ниже максимальных, трансформатор оказывается спроектированным с большим запасом, в результате чего его габариты намного превышают необходимые. Теперь же, благодаря принципу применения систем изоляции класса R, пользователи могут приобретать трансформаторы меньшего размера, исходя из средних ожидаемых нагрузок, а следовательно, эти трансформаторы обходятся дешевле, чем крупногабаритные трансформаторы, рассчитанные на максимальную ожидаемую нагрузку. Благодаря применению арамидной системы изоляции, этот трансформатор выдерживает значительные перегрузки или пиковые подъемы температуры без существенного сокращения срока эксплуатации.
Этот же подход применим и в тех случаях, когда пользователи ожидают значительного увеличения мощности, которое потребуется в течение 5—10 лет после установки оборудования. Что может быть связано с расширением завода или торгового центра. Приобретение трансформатора, рассчитанного на начальные требования к мощности и способного выдерживать перегрузки на более позднем этапе, позволяет добиться существенной экономии средств и отложить дополнительные инвестиции на далекое будущее. Рассмотрим данные, приведенные в табл. 1.

Таблица 1

Экономическая оценка трансформаторов при различных нагрузках

Данный пример исходит из допущения, что изготовлены два трансформатора, причем один из них имеет систему изоляции класса F (вариант 1), а другой — систему изоляции, рассчитанную на 220°С (вариант 2). Оба трансформатора работают в течение 20 лет при той же нагрузке. Окончательная стоимость, выражаемая в относительных единицах, будет примерно одинаковой. Начальная стоимость будет незначительно выше (4%). Однако, если мы теперь предположим, что через десять лет нагрузка возросла до точки, когда требуется большая мощность, данные анализа резко изменятся.
В первом случае потребуется еще один трансформатор класса F (вариант 3), а во втором случае исходный трансформатор класса Н может без проблем выдержать перегрузки (вариант 4), что позволяет существенно сократить затраты в течение 20 лет. Это особенно интересно в тех случаях, когда особое значение приобретают убытки, связанные с потерями энергии, поскольку потери в сердечнике удвоятся в случае необходимости приобрести второй трансформатор (вариант 3). С другой стороны, хотя при варианте 4 возрастают потери в обмотках, эти потери происходят при полной нагрузке и снижаются на квадрат тока при средней нагрузке и не в часы пик.
Применение термостойких арамидных изоляционных материалов в трансформаторах, работающих при температурах ниже их тепловых показателей, значительно увеличивает срок эксплуатации такого оборудования.
Согласно эмпирическому правилу, понижение температуры на каждые 10°С по сравнению с тепловым показателем удваивает срок эксплуатации материалов. Таким образом, трансформатор класса F с материалами класса 220°С будет иметь ожидаемый срок эксплуатации, более чем в 16 раз превышающий срок эксплуатации эквивалентного трансформатора с материалами, имеющими тепловой показатель 155°С, и работающего при 180°С.
Трансформаторы, работающие в условиях термических классов F или Н или еще более высоких классов, имеющие системы изоляции из арамидных материалов, рассчитанные на номинальную температуру до 220°С, позволяют владельцам оборудования воспользоваться способностью выдерживать перегрузки, свойственной этим трансформаторам, без дополнительных расходов, и эксплуатировать его в течение более длительного времени.
В мире XXI века такая продукция дает возможность изготовителям удовлетворить растущую потребность общества в повышенной безопасности, защите окружающей среды и экологичности. Помимо этого, такие трансформаторы обладают повышенной стойкостью к короткому замыканию и выбросам напряжения из сетей энергоснабжения.