Современные конструкции и особенности силовых трансформаторов распределительных электрических сетей

Другой, близкой по классу, является разработанная фирмами Prodelec и General Electric изоляционная жидкость Ugilec T(T₄), представляющая собой смесь 60% тетрахлордиарилметана с 40% трихлорбензола. предотвращающего интенсивные процессы старения. По своим электроизоляционным свойствам Т₄ близка к аскарелям, но уступает им по показателю горючести. Жидкость Т₄ в отличие от ПХД поддается биоразложению. Работа с Т₄ не представляет токсикологической опасности для персонала при соблюдении элементарных правил техники безопасности. Отмечается слабая токсичность при попадании в желудок и слабое раздражающее действие при соприкосновении с кожей.

В 1980 г. распределительный трансформатор, заполненный t₄, мощностью 160 кВ · А, напряжением 20/0,4 кВ был подвергнут испытаниям, успешно их выдержал и был введен в опытную эксплуатацию. Вероятность интенсивно развивающихся процессов старения Т₄ требует тщательного контроля в эксплуатации |24|.

Фирма Westinghouse Electric разработала новый жидкий диэлектрик перхлорэтилен (C₂ Cl₄ ) с торговым названием Wecosol. С 1982 г. изготовлено около 1000 трансформаторов в герметичном исполнении, заполненных этой жидкостью. Эксплуатация подтвердила их взрыво- и пожаробезопасность, большую надежность, чем масляных трансформаторов. В ФРГ аналогичная жидкость под названием тетрахлорэтан разработана фирмой Wacher Trafo-Рег. У перхлорэтиленов высокая теплопроводность, однако они имеют большой коэффициент объемного расширения, низкую температуру кипения, высокое давление пара и точку застывания. Вследствие высокого давления пара и низкой точки кипения перхлорэтилен должен применяться только в закрытых системах. Исследования показали, что промышленный перхлорэтилен вызывает сильную коррозию меди и разрушает органические полимерные материалы. Для устранения этого недостатка в Wecosol вводят 40 500 мг/кг стабилизатора Фирма Westinghonse, выпускающая трансформаторы с Wecosol мощностью 500 - 5000 кВ * А, напряжением до 35 кВ, применяет в обмотках только алюминиевый провод, в то время как с КОЖ могут использоваться алюминиевые и медные проводники. Герметичный бак трансформаторов рассчитан на давление вдвое большее, чем бак трансформаторов заполненных маслом и КОЖ. Трансформаторы, заполненные Wecosol, на 25% дороже масляных, а КОЖ на 35%. ЕРА (США) рассматривает перхлорэтилен как канцерогенное вещество |19].

Для снижения температуры застывания предложена электроизоляционная жидкость, представляющая смесь 75% перхлорэтилена и 25% трансформаторного масла. Трансформаторы имеют азотную подушку. Фирма Westinghouse разработала серию таких трансформаторов мощностью 112,5-10000 кВ · А и напряжением 15 кВ [16, 19, 20].

Для замены ПХД могут быть использованы парафины. Наиболее часто применяемые парафины марок RTE_mp и РАО-13СЕ. Жидкость RTE_mp производится фирмой RTF Corp. (США) и представляет собой высокоочищенный парафин с высокой молекулярной массой, с содержанием в структурной цепочке свыше 26 атомов углерода. RTE_mp получается путем гидрогенизации нефтяных фракций, он малоароматичен, но содержит добавки антиоксидантов. Анализ RTF_mp производится методом высокотемпературной газожидкостной хроматографии.

Парафин РАО-13СЕ, выпускаемый фирмой Uniroyal (США), является полиальфаолеином, со средней молекулярной массой около 600. Обе марки парафинов имеют удовлетворительные электроизоляционные свойства однако выделяют повышенное количество тепла при горении. Кроме того, они подвержены быстрому старению и должны тщательно контролироваться в процессе эксплуатации. Парафины РТЕmр разрушаются на 50% бактериями в течение недели при 20 °С. Парафин РАО-13СЕ имеет более разветвленную структуру и разлагается медленнее. При определении степени токсичности парафинов было установлено, что летальная доза РАО-13СЕ для крыс составляет при приеме с нишей более 40 г/кг массы (для ПХД эта доза 4-11 г/кг) |13| .

В трансформаторах с испарительным охлаждением используются жидкости на основе фторуглеводородов (фреоны). Применяются два способа охлаждения - погружной и пленочный. При мощностяхдо 2500 кВ·А выгоднее использовать погружное охлаждение. Фирма General Electric изготовляет трансформаторы типа Vaportran мощностью 750- 2500 кВ·А. Обмотки погружены во фреон R-113, пар поднимается от обмоток в конденсатор, охлаждается и затем по трубе возвращается в трансформатор. В данной конструкции насосы не используются. Мощность можно повысить за счет обдува вентиляторами.

Фирма Westinghouse разработала трансформаторы с пленочным охлаждением мощностью 7000 кВ·А . Помимо фреона использован элегаз для придания электрической прочности в холодном состоянии.

Под воздействием электрической дуги фреоны разлагаются с выделением низкомолекулярпых фторуглеводородов, углекислого и угарного газов, фторангидридов. Последние могут вызвать коррозию металлов или разрушение твердых электроизоляционных материалов. Продукты, образующиеся при пробое фреонов, мало влияют на снижение их электрической прочности, в связи с чем такими жидкостями могут заполняться высоковольтные контакторы и выключатели.

Фторуглеводороды мало гигроскопичны, но при продолжительной выдержке в атмосфере с повышенной влажностью их электрическая прочность снижается.

Для фреонов характерна хорошая совместимость с большинством материалов, применяемых в трансформаторостроении. однако наблюдается значительное набухание во фреонах силиконовых резин, натурального каучука, бутилкаучука. Непригодными являются также лаки на масляной основе.

Смесь паров фреонов с воздухом взрывобезопасна. Фреоны относятся к малоактивным соединениям в силу их химической инертности, малой растворимости и разрушаемости в биологических средах. Есть сведения об их сродстве с биологическими мембранами. Они способны накапливаться и живых организмах и приводить к серьезным нарушениям. При высокой концентрации поражают главным образом центральную нервную систему. вызывая быстро наступающий наркоз, из которого животное также быстро выходит. Величина предельно допустимой концентрации (ПДК) рекомендована на уровне 3000 мг/м³. Защитное средство противогаз марки А |1б|.

При разработке альтернативных ПХД жидких диэлектрике» основное внимание уделяется подбору жидкостей с удовлетворительными электрическими и токсикологическими характеристиками, тогда как вопросы обезвреживания их при попадании в окружающую среду разработаны очень слабо. Вместе с тем проблема обезвреживания или уничтожения этих веществ при попадании их в окружающую среду в случае аварийных разливов. пожаров, с отработавшими свой срок электротехническими изделиями является весьма актуальной. Опыт предыдущих исследований показывает, что при разработке подобных технологий обезвреживания особое внимание должно быть уделено не только обеспечению экономической целесообразности процесса, но и оптимизации, не допускающей образования более токсичных веществ, чем исходные продукты распада.

С этой точки зрения показателен опыт проведения исследований и разработки промышленных образцов установок по обезвреживанию ПХД. В связи с крайне неблагоприятными медико-биологическими показателями ПХД и их высокой устойчивостью к процессам биодеградации при попадании в окружающую среду в настоящее время разработаны девять различных способов их обезвреживания: реагентный, экстракционный, сорбционный, электролитический, ультра фиолетового облучения, биологический, понтирующим излучением, микроволнового плазменного пиролиза, сжиганием. Не все они разработаны в достаточной мере полно, с доведением до промышленной установки, не все имеют равную эффективность. Наиболее распространен метод сжигания (эффективность до 99,99998%), хотя он дорог. При использовании этого метода было установлено, что процесс сжигания ПХД, равно как и других хлорсодержащих органических материалов, должен предусматривать использование температур не ниже 1000°С во избежание образования еще более токсичных, чем ПХД, диоксинов и фуранов.

Анализ и сравнение различных жидкостей - заменителей токсичных ПХД показывают, что на сегодняшний день наибольший опыт эксплуатации имеют кремнийорганические жидкости и эфиры. МЭК считает их наиболее приемлемыми для использования в трансформаторах.

Трансформаторы, заполненные новыми жидкостями, в основном имеют конструкцию, близкую к традиционной. В большинстве случаев требуется герметизированное исполнение в связи с повышенным влагопоглощением, интенсивным выделением паров, жидкости, либо по другим соображениям.

С точки зрения совместимости с материалами, обычно используемыми в масляных трансформаторах и трансформаторах, заполненных ПХД, наиболее приемлемыми являются КОЖ, эфиры, парафины и жидкость Ugilec Т. Жидкости Wecosol (перхлорэтилен), Formel NF и фторуглеводороды разрушают целлюлозную и кремнийорганическую изоляцию. Wecosol вызывает еще и коррозию меди, a Formel NF алюминия и цинка.

Наиболее эффективной с точки зрения теплопередающих и изолирующих свойств является жидкость Formel NF. Трансформаторы с ее использованием имеют объем жидкости на 50% меньше, чем трансформаторы, заполненные маслом и ПХД.

Для работы трансформаторов в условиях холодного климата наиболее приемлемой считается кремнийорганическая жидкость в связи с низкой температурой замерзания (55 ---65°С).

Целесообразна перезаливка трансформаторов, заполненных полихлордифенилами. новыми жидкостями, кроме Formel NF в связи со значительно меньшим объемом.

Стоимость всех разработанных жидкостей превышает стоимость масла и ПХД. КОЖ на 35% дороже масла, Wecosol и Formel NF - на 25- 35%. Но с учетом того, что трансформаторы с новыми жидкостями являются в большей степени пожаробезонасными, чем масляные, и не требуют специальных противопожарных сооружений, их эксплуатация экономически целесообразна.

Все разработанные жидкие диэлектрики по уровню токсичности намного безопаснее, чем ПХД. Кроме того, в отличие от ПХД они подвержены процессам биодеградации.

В связи с появившимися сведениями об обнаруженных специалистами ЕРА (C1L1A) канцерогенных (в отношении человека) свойствах нерхлорэтилена считать этот диэлектрик в качестве реальной альтернативы ПХД для широкого применения, по-видимому, нельзя.

Фреоны и хладоны не могут рассматриваться как диэлектрики широкого спектра применения не только из-за специфических свойств, но и в связи с их резко отрицательным влиянием на озоновый слой атмосферы земли.

Как показал анализ зарубежных материалов, при разработке жидких диэлектриков заменителей ПХД основное внимание уделяется их диэлектрическим и токсикологическим свойствам. Технология и методы процессов обезвреживания или уничтожения этих веществ при попадании их в окружающую среду практически не разработаны, как эго выполнено для ПХД.

Поиск и исследования различных жидкостей продолжаются. Наиболее подходящей должна быть признана та, которая наиболее оптимально удовлетворяет требованиям конкретной конструкции.

Выводы

При разработке трансформаторов массовых серий основной задачей является снижение затрат на производство и эксплуатацию трансформаторов. Решаются вопросы снижения расхода активных и конструкционных материалов, повышения надежности и исследования реальных условий эксплуатации.

Выбор оптимальных вариантов конструкции производится по минимуму народнохозяйственных затрат. Основными варьируемыми параметрами являются: диаметр стержня, плотность тока в обмотках и др.

Проектирование базируется на применении высококачественных материалов, современных конструкторских и технологических решениях и оптимизационных расчетах с применением ЭВМ. В новой серии выбран витой пространственный магнитопровод из стали марки 3407 с удельными потерями 1.2 Вт/кг (при индукции 1,7 Тл). гофрированный бак герметизированной конструкции с применением глубокою вакуума при заливке активной части.

К перспективным направлениям в разработке новых серий относят создание витых разрезных магнитопроводов, благодаря которым конструкция трансформатора становится ремонтопригодной, а также применение аморфных материалов и другие мероприятия

За рубежом трансформаторы класса 10 кВ мощностью до 630 кВ·А выпускают многие фирмы стран Западной Европы, Японии, США. Наиболее высокие технические характеристики имеют распределительные трансформаторы фирм Trafo-Union (ФРГ), Brush (Великобритания), и др. В трансформаторах западноевропейских фирм используются планарные магнитопроводы с полным косым стыком из стали Hi-B, с удельными потерями 0,8-0.9 Вт/кг при индукции 1,5 Тл. За счет использования прямоугольного сечения стержня удалось, не изменяя технических параметров, снизить трудоемкость на 25 - 30% при изготовлении трансформатора и на 3-6% массу магнитопровода за счет уменьшения межосевого расстояния. Фирмы General Electric и Westingliouse (США), Matsushita (Япония) используют витые разрезные планарные магнитопроводы с различным исполнением зоны стыка. Т-образная зона стыка, запатентованная фирмой Westinghouse. снижает потери холостого хода на 10-15%. Трансформаторы собираются из двух однофазных броневых трансформаторов. Фирмы Японии применяют разрезные витые магнитопроводы с травлением и полировкой зоны стыка.

За рубежом уже изготовлены первые партии распределительных трансформаторов небольшой мощности (25 кВ·А) около 1000 шт. с применением магнитопроводов из аморфной стали. Имеющийся материал толщиной 30--50 мкм и шириной 100- 200 мм позволяет его использовать только в трансформаторах небольшой мощности. Ведутся работы по увеличению толщины аморфного материала за счет спрессовывания и увеличения ширины листа до 300 мм. Изготовлен опытный образец трансформатора 500 кВ·А.

За рубежом в большинстве развитых капиталистических стран ведутся работы по созданию пожаробезопасных трансформаторов с нетоксичными жидкими диэлектриками (кремнийорганическими жидкостями, эфирами. углеводородными маслами, парафинами и другими жидкостями) - заменителями хлордифенилов.

Список литературы

1. Пространственные конструкции магнитопроводов трансформаторов 250...6,10 кВ·А, 6-10 кВ: Отчет о НИР/ВНИИКЭ; № ГР 02860002610. М.. 1986.

2. Технико-экономические требования к массовым сериям трансформаторов: Отчет о НИР/ВИТ; № ГР 02850051107. М.. 1986.

3. САПР трансформаторов: Отчет о НИР/СКБ Минского электротехнического завода; № ГР 028500055160. М., 1986.

4. Bulletin des SchweizerischenElektrotechnischenVereins. 1985. Bd 76, № 9. S. 503 508.

5. Electronics and Power. 1985. Vd: 31, № 2. P. 133--136.

6. Каталог фирмы Trafo-Union (ФРГ). Фонд ВНИИПМ. № ГР ПК 18002 ^8.

7. Bulletin SEV/VSE. 1987. Bd 78, № 19. S. 1201--1204.

8. Electrical Review, 1982. Vol. 210. № 8. P. 27--28.

9. Beck Isoliertechn. 1984. Bd 32, № 56. S. 2--7, 11-13.

10. Pap. Trade. 1982. Vol. 166, № 18. P. 36--39.

11. Elektrizitatswirzschaft. 1984. Bd 83, № 8. S. 383-387.

12. Electrotechn. undMaschinenhau. 1987. Bd 104. № I. S. 20.

13. Environmental Science & Technology. 1983. Vol. 17, № 10. P. 486 494.

14. Transmission & Distribution. 1984. Vol. 91, № 6. P. 26.

15. Electrical Review. 1984. Vol. 214. № 8. P. 8, 17, 24-25.

16. J HPRI. 1984 Vol. 9. № 8 A. P. 16-19.

17. Asian Electricity. 1986. Vol. 4, № 8. P. 19, 21.

18. Electrical Review. 1986. Vol. 218, № 4. P. 9.

19. Пат 4424147 США, МКИ Н01В 3/24.

20. Каталог фирмы Westinghouse (США). Фонд Информэлектро. Инв. № 288. М.. 1985. 12 с.

21. OZE. 1987. Bd 40, № 5. S. 166-189.

22. Electrical Review. 1981. Vol. 209, № 19. P. 37, 39.

23. Electrical Review. 1981. Vol. 208. № 16. P. 33-35.

24. Elettrotechnica. 1981. Vol. 68, № 10. P. 875-879.

25. C1GRE. 1986 Peaper 12--06. Paris, 28 aug. -- 4 sep. 1986.

26. RGE. 1987. № 8. P. 145.

27. Chemical & Engineering News. 1987. Vol. 65, № 31. P. 17.

28. Фадеева Г.А., Федин В.Т. Проектирование распределительных электрических сетей. - Мн.: Вышэйшая школа, 2009.

29. Короткевич М.А. Эксплуатация электрических сетей. - Мн.: Вышэйшая школа, 2005.

30. Короткевич М.А. Основные направления совершенствования эксплуатации электрических сетей. - Мн.: Техноперспектива, 2003.

31. Герасименко А.А., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии. - Ростов на Дону: Феникс, 2006.

32. Поспелов Г.Е., Русан В.И. Надежность электроустановок сельскохозяйственного назначения. - Мн.: Ураджай, 1982.

33. Лещинская Т.Б. Электроснабжение сельского хозяйства. - М.:, 2006.

34. Керного В.В., Поспелов Г.Е., Федин В.Т. Местные электрические сети. - Мн.: Вышэйшая школа, 1972.

35. Короткевич М.А. Оптимизация эксплуатационного обслуживания электрических сетей. - Мн.: Наука и техника, 1984.