Министерствообразования республики Беларусь
Белорусскийнациональный технический университет
Факультет Энергетический
Кафедра «Электрическиесистемы»
Реферат
по дисциплине Современныетехнологии передачи и распределения электроэнергии
Тема: Современныеконструкции и особенности силовых трансформаторов распределительных электрическихсетей
Исполнитель:
Магистрант МейндиноТраст Меремубио
кафедры Электрическиесистемы
специальности1-4380 01 «Энергетика»
Руководитель:
д.т.н., профессорФурсанов М.И.
Минск 2011
Введение
Распределительныетрансформаторы мощностью 25—630 кВ ∙ А напряжением 6 — 10 кВ — наиболеемассовая серия ид производимых и эксплуатируемых трансформаторов в СССР. Объемих составляет более 3 млн шт. с установленной мощностью более 350 млн кВ ∙А. Производство и эксплуатация этих трансформаторов требует значительныхматериальных и трудовых затрат, любое снижение затрат дает существеннуюэкономию в народном хозяйстве. Так, ежегодно затраты на обслуживание одногораспределительного трансформатора традиционной конструкции составляют 7-8% отего первоначальной стоимости Па возмещение потерь холостого хода расходуется260 р./кВт в год короткого замыкания — 44 р./кВт в год.
В целом от потерь вмагнитопроводах теряется 4% производимой в стране электроэнергии, причемзначительная часть потерь приходится на распределительные трансформаторы.
Снижение затрат напроизводство и эксплуатацию трансформаторов является основной задачейизготовителей, для решения которой необходимо:
· снизитьрасход активных материалов при использовании наиболее эффективной магнитнойсистемы;
· снизитьматериалоемкость при применении гофрированных баков;
· повыситьнадежность трансформаторов;
· исследоватьреальные условия эксплуатации трансформаторов;
· привестив соответствие реальные условия эксплуатации и технические требования наизделие.
Для решения этих вопросоввыбран метод функционально-стоимостного анализа.
Разработкаотечественных трансформаторов массовых серий
Техническиетребования к трансформаторам новых серий и основные критерии при их разработке
Проектирование имодернизация трансформаторов осуществляются на базе предварительноустановленных технических требований, выполнение которых обеспечиваетреализацию внешних функций, определяющих стоимость трансформатора икачественные показатели. В настоящее время далеко не все технические требованияк трансформаторному оборудованию имеют технико-экономическое обоснование.Вследствие этого материальные и трудовые затраты, заложенные в конструкцию,используются не в полной мере.
В некоторых случаяхнедостаток отдельных функциональных ресурсов приводит к значительнымдополнительным затратам в народном хозяйстве.
Анализ соответствияноменклатуры и уровня внешних функций разрабатываемого трансформатора условиямэксплуатации позволяет выбрать оптимальную модель внешних функций изделия покритерию минимума приведенных затрат на производство и эксплуатацию. Анализфактического использования технических параметров и стоимостная оценкаэксплуатационных показателей с учетом перспективы развития электроэнергетикидают возможность экономически обосновать новые или измененные техническиетребования потребителей.
Технико-экономическоеобоснование требований производится для выпускаемых изделий и припроектировании новых. Однако наибольший эффект достигается при выполненииисследований на предпроектной стадии, так как на этом этапе можно достичьнаиболее полного соответствия функциональных ресурсов трансформатора реальнымтехнико- экономическим условиям эксплуатации при учете производственныхпроблем. Работы на стадии проекта проводятся по двум основным направлениям:
1. Анализ,обоснование и разработка требований к техническим и эксплуатационнымхарактеристикам трансформаторов. На этом этапе проводятся с привлечениемэксплутационных организаций исследования перспективных графиков нагрузокизделии по различным потребителям, выбираются основные потребители,определяются нормативы стоимости потерь холостого хода и короткого замыкания,аварийность и ее причины в процессе эксплуатации;
2. Проработкаи выбор оптимальных вариантов с целью удовлетворения требований заказчиков иминимизации затрат при изготовлении трансформаторов.
Этот этап направлен наразработку oптимальных вариантов с учетом рекомендаций первою этапа и поискомновых конструктивных и технологических решений, обеспечивающих возможностьснижения расхода активных материалов при использовании различных конструкциймагнитных систем, технических решений, направленных на повышение надежноститрансформаторов и коэффициента использования материалов
В СССР накоплензначительный опыт по разработке и производству распределительныхтрансформаторов, обеспечивающих максимально возможный народнохозяйственныйэффект и экономию потребления электроэнергии
За последние 10 летпотери холостого хода трансформаторов снижены на 37% за счет применения нееулучшающейся электротехнической стали и конструктивных совершенствованийтрансформаторов.
Новая сериятрансформаторов мощностью 25—400 кВ ∙ А напряжением 6 — 10 кВ позволитсущественно поднять технический уровень трансформаторов, добиться дальнейшегоувеличения КПД, снижения расхода материальных и энергетических ресурсов.
Проектирование сериибазируется на применении высококачественных материалов, современныхконструкторских и технологических решениях и оптимизационных расчетах сиспользованием ЭВМ
Цель автоматизациипроектирования определение и исследование областей допустимых и оптимальныхпараметров трансформаторов при различных формулировках задач проектирования итипов ограничений.
Выбор оптимальныхвариантов конструкции и параметров трансформаторов производится, как правило, покритерию минимума народнохозяйственных затрат. В случае необходимости возможнаоптимизация с применением многокритериальной оценки оптимальности
Система предусматриваетпоиск в области любого сочетания параметров из определенного набора варьируемыхпеременных. Основными варьируемыми параметрами являются диаметр стержнямагнитной системы, плотность тока в обмотках и др.
Математическоеобеспечение позволяет учитывать различные конструктивные, технологические,функциональные и экономические ограничения на параметры трансформаторов:перегрев обмоток и верхних слоев масла, ток и потерн холостою хода и короткогозамыкания, суммарные потери, массу активных материалов, издержки потребителяпри эксплуатации и т.д.
Для системы разработанязык описания конструкции, исходных данных, варьируемых параметров и критериевоптимизации. Он построен на основе естественного языка конструктора, чтозначительно облегчает проектировщику общение с машиной Математическоеобеспечение представляет собой комплекс пакетов прикладных программ наФортране-IV и Ассемблер, работающих под управлением операционной системы ДОС.ЕС ЭВМ.
Конструктивныеособенности основных узлов трансформаторов
В новой сериипринципиальные изменения, позволившие улучшить потребительские свойстватрансформаторов и снизить затраты на их изготовление, связаны смагнитопроводом, обмотками и внешней металлоконструкцией.
Магнитопровод являетсяосновным узлом трансформатора, который определяет затраты электрической энергиина компенсацию потерь в трансформаторе, а также массу и габаритные размерыизделий, что в конечном итоге связано с расходом материальных ресурсов
В настоящее времяметаллургическая промышленность для трансформаторостроителей поставляетрулонную анизотропную сталь толщиной 0,3 мм с удельными потерями Р1,7/50 =1,35 -1,40 (марка 3405) и 1,25-1,3 Вт/кг (3406) и магнитной индукцией В100= 1,61-1,65 Тл. Широко применяется высокопроницаемая сталь (типа Hi = В)с удельными потерями Р1,7/50 = 1,15-1,20 Вт/кг при толщине 0,3 мм.
Металлурги, идянавстречу возрастающим требованиям, ставят перед собой задачи:
· снизитьудельные потери стали и довести их до Р = 1,00—1,05 Вт/кг при индукции 1,7 Тл итолщине стали 0,30-0,35 мм при повышении магнитной индукции В100 до1,74 1,76 Тл;
· обеспечитьвыпуск трансформаторной стали с малой магнитострикцией для снижения уровни шуматрансформаторов;
· повыситьпластичность металла и электроизоляционного покрытия их стали дли использованиив витых магнитопроводах и разработать магнитно-активные покрытия с высокойжаростойкостью (до 900 — 950 ° С) в инертных средах и на воздухе.
Улучшение свойствтрансформаторных сталей имеет важное значение для энергетических характеристиктрансформаторов. Правильно и оптимально использовать достижения металлургов этозадача, которая стоит перед проектировщиками в процессе конструированиямагнитопроводов.
Проведенныеисследования с применением различных марок трансформаторной стали показали, чтов планарном магнитопроводе с традиционным углом стыковки пластин, близким к 45°, значительное уменьшение удельных потерь в самой стали не дает ожидаемоюрезультата по снижению потерь холостого хода в трансформаторах.
Коэффициенты увеличенияпотерь колеблются в пределах от 1,37 до 1,58 и имеют тенденцию к росту сповышением магнитной проницаемости. Это объясняется тем, что в традиционноиспользуемых магнитопроводах с косым стыком невозможно добиться того, чтобынаправление магнитного потока и направление проката во всех частяхмагнитопровода совпадали, что вызывает непредвиденно большие добавочные потери.
Наибольший эффект даетприменение высокопроницаемой анизотропной стали в трансформаторах сиспользованием витой пространственной конструкции магнитопровода и рабочейиндукцией более 1,6 Тл. Особенностью этой конструкции является то, чтомагнитный поток всегда совпадает с направлением проката и поэтому ненаблюдается возрастание коэффициента увеличения потерь холостою хода прииспользовании элекгротехнических сталей с уменьшенными удельными потерями. Вготовом магнитопроводе коэффициент увеличения потерь равен 1,33-1,35, и он независит от характеристик применяемой трансформаторной стали.
В витойпространственной конструкции магнитопровода обмотки располагаются на двухполустержнях независимых элементов и нет перехода магнитного потока из однойполовины сечения в другую. Поэтому магнитный режим магнитопроводахарактеризуется наличием гармоник, кратных трем, в потоках элементов иотсутствием этих гармоник в напряженности поля и токе холостою хода. Появлениетретьей гармоники в магнитном потоке и приводит к росту потерь холостого ходаготового магнитопровода, состоящего из трех cocтыкованных в трехфазную группуэлементов. Теоретические расчеты коэффициента увеличения потерь подтвержденыэкспериментальными исследованиями.
Так как на коэффициентувеличения потерь в витом магнитопроводе практически не оказывает влиянияизменение магнитных характеристик исходной электротехнической стали, можносделать вывод, что применение высококачественных сталей типа Hi-В наиболееэффективно в магнитопроводах.
При разработке новойсерии трансформаторов проанализированы достоинства и недостатки всех вариантовпланарных и витых магнитопроводов и принято решение до стадии техническоюпроекта разработку вести на том и другом варианте магнитопровода.
В качестве основногоматериала для магнитной системы выбрана холоднокатаная электротехническая стальс жаростойким покрытием толщиной 0,28 — 0,30 мм с удельными потерями не хуже Р 1,7/50 =1,20 Вт/кг (марка 3407)
Технический процессизготовления витого пространственного магнитопровода пока отработан только наМинском электротехническом заводе имени В.П. Козлова. В настоящее время с цельюулучшения технологичности конструкции и повышения ремонтоспособноститрансформатора на заводе проводятся работы по разъемному витому магнитопроводу.Получены удовлетворительные результаты испытаний макетных образцов, чтопозволяет надеяться на дальнейшее снижение массы магнитопровода, аследовательно, и потерь холостого хода трансформаторов.
Принципиально новым всозданной серии является то, что трансформаторы выполнены герметичными. Этасерия обеспечивает снижение эксплуатационных издержек в результате исключенияобслуживания, ремонтов и годовых эксплуатационных издержек вследствиеуменьшения потерь электроэнергии, вызванных отказами трансформаторов и ихпростоями.
Разработаннаяконструкция обеспечивает повышенную надежность за счет:
· отсутствияв трансформаторах новой серии контакта масла с окружающей средой. Этозначительно улучшает условия эксплуатации масла, исключает ею увлажнение,окисление и шлакообразование и, как следствие, позволяет полностью отказатьсяoт ухода за маслом в процессе эксплуатации;
· примененияглубокого вакуума при заливке трансформатора, что увеличивает надежность работыего изоляции в течение всего срока службы;
· использованияновой конструкции и материала уплотнения между крышкой и баком, обеспечивающегогарантированную равномерную затяжку резины по всему периметру, новой технологиииспытания баков, жидкостью с люминофором;
· использованияновой технологии подготовки и окраски баков методом струйного облива, новойводорастворимой эмали, обеспечивающей окрасочный слой повышенной долговечности;
· применениянеразъемных контактных соединений в активной части, выполненных методомхолодной сварки;
· использованияновой конструкции переключателя ответвлений, исключающей вывод трансформатораиз строя при неправильных действиях обслуживающего персонала;
· применениядля сварки гофр автоматической плазменной сварочной установки, повышающеймаслоплотность сварного соединения.
Проведенныеисследования показали высокую эксплуатационную надежность герметичныхтрансформаторов с гофрированными баками Создание и производство герметичныхраспределительных трансформаторов мощностью до 630 кВ ∙ А, помещенных вбаки с гофрированными стенками и не имеющих свободного пространства для газовойподушки, т.е. с полным заполнением бака жидким диэлектриком основное направлениев развитии современных распределительных трансформаторов.
Одной из задач созданиягерметичных трансформаторов является снижение эксплуатационных затрат за счетотказа от периодических ревизий, регенерации и замены масла и необходимости вкапитальном ремонте и течение всею срока службы.
При такой постановкезадачи возникает проблема оптимального выбора размера бака, количества иразмеров гофр, способных отвести выделяемое тепло и не допускающихвозникновения механических напряжений, опасных для бака во всех экстремальныхрежимах.
Трансформаторное маслопроявляет свойства механической несжимаемости. Поэтому температурное расширениедеталей и масла в процессе работы трансформатора должно компенсироватьсятемпературным и механическим расширителем оболочки.
Отсюда следует, что чемменьше жесткость оболочки, тем легче она компенсирует изменение внутреннегообъема. Напрашивается вывод об уменьшении толщины оболочки как эффективногоспособа снижении цилиндрической жесткости. Однако оболочка должна выполнятьфункции корпуса и обладать достаточной прочностью для удержаниятрансформаторного масла в баке, а повышение прочности требует увеличениятолщины оболочки. Поэтому соотношение прочности и жесткости с учетом тепловогои экономического расчета являются основными успениями оптимизации параметровоболочки. Проведены необходимые расчеты и исследования, позволяющие выбратьправильные конструкторские и технологические решения.
Технико-экономическиепоказатели проектируемых трансформаторов
В результате проведеннойс применением ФСА работы выявлены проблемы, намечены технические решения имероприятия, которые позволят снизить затраты h а производство и эксплуатациюраспределительных трансформаторов I-II габаритов.
По срокам внедрениятехнических решении можно выделить три этапа
Первый этап предложенияи рекомендации, имеющие базу внедрения и предварительную конструкторскуюпроработку. В основном они связаны с модернизацией отдельных узлов и деталей.
К мероприятиям этогоэтапа относятся: внедрение раскроя трансформаторной стали с применением ЭВМ, атакже водорастворимых эмалей, изменение конструкции вволок и переключателя,применение стали 3407 вместо 3405, отказ от термометров. Экономия oтвышеперечисленных мероприятий: трансформаторной стали-130 т, алюминиевого литья- 35 т, лесоматериалов 4 т, лакокрасочных материалов 15т. Снижениесебестоимости выпускаемых трансформаторов составит 800 тыс. р.
Второй этап — этопредложения и мероприятия на ближайшую перспективу, для которых имеютсяпринципиальные технические решения. Их внедрение охватывает всю серию, требуетпроведения опытно-конструкторских работ.
К мероприятиям этогоэтапа относятся: внедрение герметизированной серии, не требующей обслуживания вэксплуатации, с учетом реальных требований эксплуатации, с учетом реальныхтребований эксплуатации (выбор Рх.х. и Рк.з. с учетомхарактера нагрузок), разработка методики выбора трансформаторов, уточнениенормативов стоимости потерь, обоснование схемы соединения обмотки.Ориентировочные сроки внедрения – 1986-1989 гг. Экономия трансформаторной сталисоставит 600 т, трансформаторного масла 950 т. Затраты потребителя наобслуживание снизятся на 90%. Годовой экономический эффект в народном хозяйствесоставит 4,5 млн р.
Третий этап предложенияна отдаленную перспективу (до 2000 г.), существенно затрагивающее технологию иконструкцию, требующие теоретических и экспериментальных исследований. К нимможно отнести поисковую работу по созданию конструкции и технологии витыхразрезных магнитопроводов, применение аморфных сталей |1, 2|
Зарубежные достижения вобласти распределительных трансформаторов
Распределительныетрансформаторы напряжением 10 кВ мощностью до 630 кВ · А выпускаются многимифирмами стран Западной Европы, США и Японии. Наиболее высокие техническиехарактеристики имеют распределительные трансформаторы фирм Trafo-Union (ФРГ),Stromberg (Финляндия), Transunel (Франция), Brush (Великобритания).
Конструктивныеособенности основных узлов трансформаторов
Конструкторскиерешения, принятые передовыми зарубежными фирмами, заключаются в следующем.Магнитопровод — планарный, ступенчатый, с косыми стыками во всех углах изхолоднокатаной рулонной стали типаHi-B с удельными потерями при Р1,5/50= 0,8-0,9 Вт/кг.
Усовершенствованием вобласти конструктивного исполнения магнитопровода является решение, примененноефирмой Trafo — Union в серии трансформаторов Tumetik. Оно сводится киспользованию прямоугольного бесступенчатого сечения ярма и стержня, чтопозволило, не изменяя технических параметров, на 25 -30% снизить трудозатратыпри изготовлении трансформатора и на 3- 6% массу магнитопровода за счетуменьшения межосевого расстояния.
Передовые европейскиефирмы для распределительных трансформаторов используют только планарныешихтованные магнитопроводы с косыми стыками во всех углах. Фирмы идут по путиприменения более высококачественной трансформаторной стали и сниженияпроизводственных затрат при изготовлении магнитопроводов, используявысокоавтоматизированные линии по производству пластин, шихтовкемагнитопроводов (без верхнего ярма). Основным производителем этих линийявляется фирма Georg (ФРГ).
Фирмы General Electric,Westinghouse (США), Matsuchita (Япония) применяют витые разрезные планарныемагнитопроводы с различным исполнением зоны стыка. Трансформаторы фирмыWestinghouse выполнены по Т-образной схеме (Скотта). Схема зоны стыка –«пластина в пластину». Схема шихтовки запатентована фирмой. Благодаря ейснижается плотность потока индукции в области стыка, а также на 10 -15% потерихолостого хода. Трансформаторы фирмы собираются из двух однофазных броневыхтрансформаторов.
Фирмы Японии применяютразрезные витые магнитопроводы с резом по типу трансформаторов малой мощности(серия ОСМ) с травлением и полировкой зоны стыка Технологическое оборудование,применяемое фирмами США, разработано и изготовлено фирмой Georg.
По расходу активныхматериалов трансформаторы Т-образной схемы уступают трехфазной планарнойшихтованной конструкции. При одинаковом уровне Рх.х., РК, З,трансформаторы Т-образной схемы проигрывают 18 -25% массы активных материалов.
Материал обмоток медныйи алюминиевый провод круглого и прямоугольного сечения. Изоляция провода длямалых мощностей — эмаль, для больших — кабельная бумага
В обмотках низкогонапряжения для мощностей более 250 кВ · А применяется алюминиевая лента.Использование ленты позволило решить проблему изготовления прямоугольнойобмотки, улучшить ее электрическую прочность, снизить производственные затраты.Для решения проблемы динамической стойкости катушек прямоугольной формы вкачестве межслоевой изоляции применена кабельная бумага с двухстороннимромбовидным клеющим покрытием. Покрытие окончательно полимеризуется в процессесушки трансформатора, обмотка становится монолитной и динамически устойчивой.
Для трансформаторовмощностью менее 250 кВ · А применение ленты нецелесообразно, так как необходимамежслоевая изоляция тоньше 0,08 мм. Использование изоляции 2х0,08 ммзначительно снижает коэффициент заполнения катушки. Применение синтетическихпленок ограничено из-за высокой стоимости.
Современнымнаправлением в конструкции бака является использование гофрированных стенок изтонколистовою (1,0 — 1,2 мм) металла. Применение гофр позволило создать компактныйтрансформатор с полным заполнением бака маслом герметичного исполнения.Изменение температурных колебаний масла компенсируется эластичностью гофр.Гарантируется нормальная работа трансформатора при всевозможных перегрузках.
Преимуществагерметичных трансформаторов с полным заполнением:
· герметизациямасла позволяет отказаться от контроля за ним в процессе эксплуатации;
· отсутствиеконтакта масла с окружающей средой увеличивает срок службы изоляциитрансформатора;
· нетребуются расширители, и в результате уменьшается высота трансформатора.
Эти преимуществапозволяют значительно снизить затраты при эксплуатации распределительныхтрансформаторов.
Регулировкаосуществляется на стороне высокого напряжения. Диапазон регулирования ±5%.Имеется конструкция, позволяющая осуществить перевод трансформатора на другоенапряжение. Например, фирма Trafo-Union предлагает трансформаторы спереключением напряжения с 10 на 20 кВ. Основные группы соединений длямощностей до 250 кВ · А — Y/Z — 5, до 630 кВ · А Δ /Y-5, т.е. применяютсясхемы, имеющие сопротивление нулевой последовательности меньше, чем утрансформаторов со схемой «звезда». Такие схемы при неравномерной нагрузке фаз(что часто бывает в низковольтных сетях) обеспечивают лучший режим за счетснижения величины смещения нейтрали (напряжения нулевой последовательности).
Наряду с обычнымисполнением трансформаторов с фарфоровыми изоляторами ВН и НН зарубежные фирмырасширяют выпуск трансформаторов для подсоединения кабелей с так называемымиштекерными (втычными) контактами на стороне высшего напряжения. Эта конструкцияобеспечивает быстрое и безопасное присоединение кабелей. Трансформаторыпредназначены для устройств с ограниченным пространством (например, дляподземных подстанций).
Техническиехарактеристики трансформаторов зарубежных фирм
Минимальная мощностьтрехфазных распределительных трансформаторов при анализе каталогов фирм ASEA(Швеция), Trafo-Union (ФРГ), Transimel (Франция) составляет 50 кВ·А.Трансформаторы мощностью 25 кВ·А ни одна из фирм не выпускает. Фирмы выпускаюттрансформаторы мощностью (50)*, (75), 100 (125), 160 (200), 250 (315), 400(500), 630 кВ·А. Технические данные трансформаторов мощностью 250 кВ·Аразличных фирм приведены в табл. 1.
Таблица 1Параметры Фирма Trafo-Union Brush Stromberg Тип трансформатора Т5441А Т5441E 250-12 КТМИ12ХА3455 Потери, Вт: холостого хода 650 450 650 540 короткого замыкания 3250 3250 3250 3700 Масса, кг: полная 1040 1140 955 1030 масла 280 260 206 280
* Трансформаторымощностью, указанной в скобках, выпускаются но требованию потребителей
Интересен подход фирм ктехническим характеристикам (потери холостого хода и короткого замыкания),который выясняется при анализе предлагаемых фирмой Trafo-Union исполненийтрансформаторов мощностью 250 кВ • А (на напряжение 10 кВ) серии Tninetik(табл. 2).
Таблица 2Обозначение трансформатора по каталогу
Uk, %
Рх.х., Вт
Рк.з., Вт Масса трансформатора, кг Масса активной части, кг
Соотношение потерь Рх.х/Рк.з Т5441A 4 650 3250 1000 570 5 Т5441B 4 670 4100 950 520 6,2 Т5441C 6 610 4450 970 520 7,3 Т5441D 4 450 3250 1140 670 7,2 Т5441F 4 400 4100 1040 600 10,25 Т5441G 6 380 4450 1090 610 11,7
Из табл. 2 видно, чтофирмой выпускается шесть типоисполнений трансформатора одной мощности.Изменение соотношений потерь короткого замыкания и холостого хода колеблется от5 до 11,7. Соотношения четко показывают, что в зависимости от графика нагрузкии стоимости потерь потребитель может выбрать удовлетворяющий его с точки зренияэкономики трансформатор. Анализ массовых характеристик свидетельствует о том,что трансформатор с различным соотношением потерь конструируется с различнымвложением активных материалов, изменяющимся в пределах 25%,
Вложение активныхматериалов на 1 кВ·А установленной мощности трансформатора изменяется от 2,28до 2,68 кг/ кВ·А, диапазон изменения потерь холостого хода 650 -380 Вт (78%),короткою замыкания 4450— 3250 Вт (36%) [4. 5, 6].
Новые направленияв зарубежных разработках
Прогресс в разработкахтрансформаторов массовых серий в значительной степени определяется созданиемновых и совершенствованием широко используемых изоляционных и магнитныхматериалов. Существенное улучшение характеристик магнитопроводов ожидается засчет внедрения аморфных сплавов (АС) с величиной удельных потерь, составляющих25—30% от потерь в обычной стали. Исследования аморфных магнитных материаловначались в конце 60-х годов. Первый изготовитель аморфных лент фирма AlliedSignal (США). В 70-е годы она выпускала ленты толщиной 30 50 мкм и ширинойоколо 100 мм. В настоящее время получены ленты шириной до 300 мм. Фирма работает над увеличением толщины за счет спрессовывания тонких лент. Уже полученматериал толщиной 0,25 и 0.2М мм. Аморфные ленты изготовляются при охлаждениирасплава со скоростью 106 ° С/с на быстровращающемся охлаждаемомбарабане (см. рисунок). Установка производительностью 10 тыс.т в год имеетразмеры 9 х16 х 9 м. Стоимость изготовления материала в 1972 г. составляла 150 долл. за I кг, к настоящему времени снижена до 3,3 долл. за 1кг.
/>
Схема установки дляполучения аморфных лент. 1 — индукционная печь для планки металла; 2 —резервуар для металла; 3 — дозировочный аппарат; 4 — вращающийся барабан; 5 — полученная и в течение 1 мс аморфная лента; 6 — контрольные приборы; 7 — намотка ленты на барабан.
ВедущимипопроизводствуаморфныхсплавовявляютсяфирмыAllied Signal (США),КгuрриVacuumschmelre (ФРГ),Hitachi Metals (Япония).Созданасовместная японо-американская фирма Nippon Amorhous Metals. Наиболее широко вмагнитопроводах трансформаторов используются две марки аморфного сплава:Metglas 2605S-2 и Metglas 2605SC.
Технические данныеТехнические данные Metglas 2605SC Metglas 2605S-2 Индукция насыщения, Тл До отжига 1,57 1,52 После отжига 1,61 1,56 Остаточная индукция, Тл До отжига 0,67 0,40 Посте отжига 1,42 1,3 Коэрцитивная сили, А/м До отжига 6,4 13,6 После отжига 3,2 2,4 Точка Кюри, ° С 370 415 Температура кристализации, °С 480 550
Плотность, кг/м2
7,32 · 103
7,18 · 103 Сопротивление, мкОм · м 1,25 1,3
Отжиг производится всреде инертного газа при воздействии магнитного ноля напряженностью 800 А/м. Всвязи с более низкой индукцией насыщения аморфного материала (не более 1,6 Тл)его рабочая индукция снижена до 1 ,3 -1,4 Тл. Однако при растущей в последнеевремя стоимости энергии (и соответственно потерь) наблюдается тенденция кснижению индукции и в обычных распределительных трансформаторах (особенно иСША, где распространены трансформаторы небольшой мощности, устанавливаемые намачтах распределительной сети). Помимо указанных свойств аморфные лентыобладают значительной твердостью (63 — 80 ед. по Роквеллу), хотя имеютдостаточную эластичность и гибкость.
В связи с малойтолщиной аморфный материал наиболее пригоден для витой конструкции магнитопровода,т.е. для трансформаторов малой мощности и распределительных. Магнитопроводы изаморфных сплавов имеют малый коэффициент заполнения сечения (0,8- 0,85) посравнению с чтим коэффициентом у обычной электротехнической стали (около 0,96),что приводит к увеличению сечения магнитопровода. При недостаточной ширинеленты можно выполнить магнитопровод со стыкованными по ширине пакетами. В табл.3 приведены прототипы трансформаторов с магнитопроводами из аморфногоматериала, изготовленные различными фирмами. Наибольшее количествотрансформаторов (партию в 1000 шt ) изготовила фирма General Еlectric. В табл.4 приведены сравнительные характеристики трансформаторов мощностью 25 кВ · А смагнитопроводами из аморфных лент и обычной электротехнической стали марки М-4.
Таблица 3Фирма-изготовитель Мощность, кВ · А Число фаз Потери холостого хода Потери короткого замыкания Вт % от обычной стали Вт % от обычной стали Osaka 10 1 8,6 22 173 102 Takaoka 20 1 18,9 24 348 94 General electric 25 1 28,0 33 - - Osaka 30 1 30,0 32 390 107 Mitsubishi 35 3 49,0 21 - - Alliend Signal 50 1 28,0 20 422 50 Toshiba 100 3 89,0 30 1780 110
Таблица 4Параметры Аморфный материал Сталь М-4 Индукция, Тл 1,4 1,6 Потери холостого хода, Вт 28(0,32 Вт/кг) 86(0,96 Вт/кг) Ток холостого хода, % 0,3 0,9 Масса магнитопровода, кг 88 90
В Институтеэлектрических машин и трансформаторов (ПНР) выполнены расчеты сериитрансформаторов мощностью 100, 250, 400 и 630 кВ · А сочетание напряжений 20 ±1/0,4 кВ, схема соединения Δ/Y 5. При проектировании использовалисьаморфные ленты из Metglas 2605, витая конструкция магнитопроводов соступенчатым сечением стержня, коэффициентом заполнения 0,85 и номинальнойиндукцией 1 ,3 Тл; данные напряжения короткого замыкания и потерь при нагрузкеиспользованы как в обычных трансформаторах равной мощности, изготовляемых вПНР. В табл 5 приведены параметры серии трансформаторов 100- 630 кВ · А смагнитопроводами из аморфного сплава Metglas 2605 и обычной ориентированнойэлектротехнической стали (ЭС). При индукции 1,3 Тл и применении АС массаактивных материалов на 30% больше, чем при использовании обычнойэлектротехнической стали. Оптимальное отношение массы магнитного материала ксумме активных материалов составляет 72 — 74%.
Таблица 5 Параметр 100 кВ ·А 250 кВ ·А 400 кВ ·А 630Кв·А АС В=1,3Тл ЭС АС В=1,285Тл ЭС АС В=135 Тл ЭС АС В=1,31Тл ЭС Потери, Вт Холостого хода 64 300 128 580 161 830 238 1200 Короткого замыкания 1617 1700 3129 3100 4457 4400 6353 6200 Напряжения короткого замыкания, % 4,42 4,5 4,37 4,5 4,5 4,5 6,06 6,0 Масса, кг: Стали (сплава) 0,0398 0,0295 0,0796 0,0519 0,1000 0,0725 0,147 0,100 Меди 0,0158 0,011 0,263 0,0225 0,0367 0,0292 0,0514 0,0414 Ток холостого хода, % 0,2 2,5 0,093 1,9 0,078 1,6 0,074 1,3 Коэффициент мощности 0,529 0,12 0,0547 0,122 0,523 0,129 0,509 0,146
При изготовлениишихтованных магнитопроводов аморфный сплав нарезается на ленты определеннойдлины специальными резаками. Современный режущий инструмент позволяет сделать 2тыс. резов аморфной ленты и 2 млн. резов обычной стали. В шихтованныхмагнитопроводах из аморфной ленты наблюдается значительное ухудшение магнитныххарактеристик при прессовании. В табл. 6 приведены магнитные характеристикишихтованных магнитопроводов из пластин с углами в стыках 90 и 45° итороидальных магнитонроводов и аморфных сплавов при индукции 1,4 Тл. Вшихтованной конструкции мощность намагничивания значительно выше. В ближайшембудущем использование аморфных сплавов предполагается в трансформаторахнебольшой мощности [7].
Пожаробезопасныетрансформаторы с нетоксичным жидким диэлектриком.
При созданиитрансформаторов I — III габаритов, устанавливаемых в непосредственной близостиот потребителя, одной из основных проблем является обеспечение пожаро- ивзрывобезопасности, а в последнее время и санитарной, и экологическойбезвредности. Широко распространенные в мире негорючие полихлордифенилы (ПХД)были запрещены к применению с 1979 г в США, Японии и некоторых европейскихcтранах в связи с их высокой токсичностью и устойчивостью к процессамбиоразложении.
Поиски альтернативныхвариантов жидких диэлектриков привели к созданию таких веществ, каккремнийорганические жидкости, синтетические сложные эфиры, углеводородныежидкости, парафииы. Фторуглеводороды. Их характеристики приведены в табл. 7|25, 26].
Все жидкие диэлектрикизаменители ПХД должны удовлетворять следующим требованиям: температуравоспламенения выше 200 °С, рабочий диапазон температур от 65 до +155 °С,диэлектрическая проницаемость 4 — 6 на частотах 50 — 10000 Гц, tg δ менее0,02 при и частотах 50 – 10000 Гц, удельное сопротивление более 2 · 1010Ом· см при 90 °C. Они должны быть самогасящимися, нетоксичными,биоразлагаемыми, иметь низкий коэффициент объемного расширения при нагреве.
Таблица 6 Параметры Тороидальный магнитопровод Шихтованный магнитопровод, стыки под углом 90° 45° Потери, Вт 0,114-0,123 0,137 0,128 Потребляемая намагничивающая мощность, В ·А 0,145-0,135 2,55 1,73
В большей степени этимтребованиям отвечают синтетические кремний — органические жидкости (КОЖ), вчастности полидиметилсилоксаны, которые обладают достаточно низкой вязкостью,свойствами самогашения и хорошими охлаждающими свойствами, но уступают ПХД понегорючести. КОЖ более гигроскопичны, чем ПХД: уже при относительной влажностивоздуха 30% происходит резкое ухудшение их электроизоляционных свойств. Крометого, они имеют повышенный коэффициент объемного рствоваться. Они производятсяфирмами Don Corning Ltd, General Electric, Stauflfer Chemical (США).Особенностью жидкости является образование при пожаре большого количествакремнийсодержащей золы, которая в виде koрkи покрывает поверхность горящейжидкости, предотвращая тем самым распространение огня. При этом мощностьвыделяемого теплового потока в 10-18 раз меньше, чем при пожаре втрансформаторном масле.
Свойства КОЖ позволяютиспользовать их при повышенной по сравнению с трансформаторным маслом рабочейтемпературе. Так, в Японии разработаны тяговые трансформаторы для электровозов,работающие при 150 °С и имеющие хорошие массогабаритные показатели. Исследованияпоказали, что основные и изоляционные свойства КОЖ снижаются при повышениитемпературы значительно медленнее, чем у трансформаторного масла, что иопределяет большой срок их службы. Однако длительное превышение предельнойтемпературы (свыше 200°С) вызывает увеличение вязкости вследствие начинающихсяпроцессов полимеризации. Оптимальными физико-химическими характеристикамиобладают КОЖ с вязкостью 50 мм2 /с при 20 °С. При рабочихтемпературах вязкость КОЖ больше, а при низких меньше, чем у ПХД и масла [8,11].
При доступе воздуха, аследовательно, при повышенном влагопоглощении вязкость КОЖ увеличивается. Длямарки КОЖ Grade 50 было установлено, что при 140°С и хорошем доступе воздухавязкость увеличивается вдвое через 30 лет. В условиях эксплуатации трансформаторавязкость будет возрастать медленнее, однако при температуре выше 140°Снеобходима герметизация.
Кремнийорганическиежидкости имеют преимущества перед трансформа горными маслами при использованииих при низких температурах окружающей среды. Фирма Bayer Chemical разработаласиликоновую жидкость марки Baysilone М50EL с жидкой фазой до — 60°С. Дляотрицательных температур число Прандтля этой жидкости ниже, чем утрансформаторного масла, что необходимо учитывал, при тепловых расчетах [8,12]. Пара-метры Крем- ний- органи-ческие жидкости Сложные эфиры Смесь насыщенных и ненасы-щенных углево-дородов Арома-тические углево-дороды Ненасы- щенные алифати- ческие углево- дороды Насы- щенные алифати- ческие углево- дороды Трансфор-маторное масло DC-561 SF97(50) Midel 7131 Formel NF Ugilec T(T4) Wecosol Хладон RTEmp PAO-13CE - - Поли-диметилсилоксаны Синтети-ческий эфир Перхлорэтилен + тетрахлорди-фторэтан + трихлортри-фторэтан
Тетрахлор-диарил-метан-60% + трихлор
бензол-40% Перхлор-этилен Фтор-углево-дород Парафины - Пробив-ное напряжение, Кв 50 50-55 70-75 60 45-60 31-32 43 - 60-80 Диэлектрическая проницаемость при 20° 2,7 3,2 2,4 4,6 2,2 2,4-2,5 2,2-2,4 - 2,2-2,3 Tg угла диэлектрических потерь при 90° 0,005 0,01 0,007 0,03 0,01 0,001-0,002 0,001 - 0,005-0,15 Удельное электрическое сопротивление, Ом·см 1·1015 — 2·1013 2·1013 1·1014 0,6·1010 1·1014 1014-1012 8·1012 -5·1014 - 1·1014 Устойчивость к искрению Плохая Отличная Плохая плохая плохая Хорошая - хорошая Плотность при 20°С, г/см3 0,96 0,96-0,98 1,62 1,42 1,62 1,56-1,65 0,85-0,99 0,837 0,85-0,88 Вязкость, мм2/с : При 25°С 50 90 0,884 13 - 4 350 200 18-20 При 100°С 15 6 - 2,5 0,5 - 15-16 14 1,5-2,5 Влагосодержание при 90°С, мг/л 30·10-6 80 30 - - - 35 - 30 Удельная теплоемкость, кДж/кг К 1,45-1,54 1,81-2,1 - - - 0,9 0,46 - 1,93-2,09 Коэффициент теплового расширения, 1/К 0,001-0,00104 0,00069 0,0107 0,00102 - - - - 0,0074 Температура °С: Застывания -55 — -65 -48 — -52 -33 -35 -22 -35 -30 — -40 - -40 — -48 Горения 350-360 310 - 130-140 - - 310-285 307 150-172 Вспышки паров 277-300 257 - - - - 312 - 170 Самовоспламенения 316-395 310 - - - - 540 - 280 Давление паров при 20°С, Па 10-6 — 10-4 10-7 — 10-5 - - 10-10 - 10-2 — 10 - 10-1 – 10-2 Теплопроводность, Вт/м К 0,151 0,00155 - - 0,00125 0,07 15-16 - 0,1 Содержание кислот, мг КОН/л 0,01 0,03 0,01 - - - 0,05 - 0,03 Теплостойкость Высокая Высокая - - - - Высокая - Малая Индекс воспламенения 4-5 100 - - - - - - 10-12 Степень биодегра-дации Медленный фотолиз Полностью биораз-лагаемые Поддается биораз-ложению - Поддается биораз-ложению Поддается биораз-ложению Разру-шаются на 50% в течении недели при 20°С - Поддается биораз-ложению Токсичность 30 г/кг массы (крысы) 105 мг/л массы (рыбы) - Слабая токсичность - - 40г/кг массы (крысы) - - /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
КОЖ совместима сцеллюлозной и полиамидной бумагой и картоном, полиэфирной, полиимидной,полипропиленовой и полиэтиленовыми пленками, ПТФЭ, фторсиликоном, амидным,амидно-имидным и полиэфирным лаками, кремнийорганическими эпоксидными смолами,полиэфирными смолами и металлами. Однако обычно применяемые в масляныхтрансформаторах уплотнения при контакте с КОЖ набухают. Свинец, олово, селен ителлур отрицательно влияют на стабильность КОЖ при высоких температурах вокислительных условиях и могут вызвать ее желатинизацию. Каучуки, погруженные вКОЖ, теряют в массе и набухают. Но некоторые каучуки (натуральный,бутадиенстирольный, хлорпреновып, изобутиленовый, фторсиликоновый,этилеппропиленовый. бутадиеннитрильный и др.) можно использовать и контакте с КОЖ.
В Японии запатентованаэлектроизоляционная охлаждающая жидкость для трансформаторов на основе КОЖ с0,1-10 мас.ч фторированного алкила в частности фтористых дипропила и моноэтилаи т.д. Добавка фторированного aлкина в КОЖ в указанных пределах увеличиваетпробивное напряжение, уменьшает tgδ и увеличивает нагревостойкостьполученной смеси. Новый состав электроизоляционной жидкости особенно эффективноможно использовать для пропитки бумаги или в сочетании с другими изоляционнымиматериалами.
КОЖ с высокоймолекулярной массой не способны аккумулироваться в живых организмах иливступать в процессы метаболизма. Они устойчивы к действию микроорганизмов,однако при попадании на поверхность почвы расплываются в виде гонкой пленки ипод действием солнечного света бысгро разлагаются, превращаясь в вещества,обычные для окружающей среды ( CO2, SiO2, H2O).КОЖ не токсичны, но с полидиметилсилоксанами низкой вязкости следуетобращаться, как с обычными органическими растворителями. Доза КОЖ вызывающаягибель животных, составляет 10 — 30 г/кг массы животных [13|.
Фирма Dow Corning Ltd(США) разработала метод перезаливки КОЖ в ПХД-содержащий трансформатор без егодемонтажа. При этом остаточное количество ПХД может быть снижено с 1-8% (чтообычно при подобных операциях) до 0,05%, т.е. совершенно безопасного уровня.
Весь процессперезаливки занимает 10 ч; его стоимость составляет 50—75% от стоимости новоготрансформатора с КОЖ.
Технология перезаливкипредусматривает следующие операции:
· сливПХД;
· промывкарастворителем, который потом пропускается через адсорбер для удаления остатковПХД. По мере исчерпания адсорбционной емкости адсорбентов они заменяются насвежие и затем уничтожаются;
· послепромывки трансформаторы заполняются КОЖ, причем остаточная концентрация ПХДпроверяется через три месяца [10].
К недостаткам КОЖотносятся их низкая смазочная способность и недостаточная дугостойкость.
Трансформаторы с КОЖприменяются в качестве тяговых на транспорте, в авиации. Наиболее важнаяобласть применения КОЖ — распределительные трансформаторы. Большинство из нихотносится к классу напряжения от 11 до 33 кВ и имеют мощность от 150 до 2500 кВ·А. Всего в настоящее время установлено и эксплуатируется около 20 тыс.трансформаторов с КОЖ мощностью до 10 МВ ·А в единице и напряжением до 35 кВ[22].
Трансформаторы с КОЖимеют обычные конструкции — с расширителем, герметичные с газовой подушкой ибез нее. В связи с повышенной гигроскопичностью КОЖ предпочтение отдаетсягерметичным конструкциям. Повышенная по сравнению с маслом вязкость иувеличенный коэффициент объемною расширения требуют несколько большие высотубака и поверхность охлаждения.
Результаты тепловыхизмерений трансформаторов (400 кВ ·А, 18/0,4 кВ. Uk = 4%),заполненных маслом и КОЖ и изготовленных одной из швейцарских фирм, приведены втабл. 8.
Таблица 8 Параметры Трансформаторное масло КОЖ Нормы 3156 Повышение температуры, °С Верхних слоев масла над воздухом 33,5 37,8 55 Обмотки ВН над воздухом 49,8 59,3 65 Обмотки НН над воздухом 49,3 55,8 65 Температура в канале между обмотками, °С Минимальная 50,5 53,5 - Средняя 58,0 71,5 - максимальная 65,0 76,5 -
Фирма ВВС (ЗападныйБерлин) освоила выпуск трансформаторов в герметичном исполнении. Бакгофрированный с газовой подушкой. Трансформаторы успешно эксплуатируются притемпературе окружающей среды от 20 до +60°С. Однако для сохранения конструкциипри внешнем пожаре, когда окружающая температура многократно возрастает и объемКОЖ значительно увеличивается в связи с высоким коэффициентом расширения, бакнад гофрированной частью снабжается надставкой с гладкими стенками,обеспечивающей газовую подушку (сухой воздух). Высота газовой подушкивыбирается в соответствии с нормированными длительностями пожара (0,5 — 1 ч).Повышенное внутреннее давление в баке снижается с помощью предохранительногоклапана, который срабатывает при давлении 35 кПа. После гашения трансформаторподвергают ревизии и сушке.
Наиболее приемлемымидля использования в трансформаторах МЭК считает кремнийорганические жидкости.Постоянная секция МЭК разработала серию стандартов на КОЖ, которые имеют статусдокумента центрального бюро и согласуются с ДКЕ ИК 832.2. Методы испытаний КОЖв большинстве случаев те же, что и для минеральных масел. Метод определения содержанияводы вызывал затруднения в связи с использованием при этом вредногорастворителя для устранения побочных реакций. В настоящее время используетсякулонометрический метод, не имеющий этих недостатков. Другой особенностьюиспытания электрической прочности является образование на электродах мелкихчастиц, искажающих результаты последующих пробоев. Предложенный секцией МЭКметод использования нескольких электродов требует больших затрат времени иколичества материала проб. Были разработаны системы, в которых не образуетсяналет на электродах в связи с ограничением тока.
Трансформаторы,заполненные КОЖ, изготовляются и испытываются в большинстве стран по тем жестандартам, что и масляные трансформаторы равного напряжения и номинальноймощности. Так, фирма ВВС изготовляет трансформаторы по стандартам DIN 42532 иVDE 0532, а фирма США по стандартам (ANSI /IEEE C57.12...) на распределительныетрансформаторы с масляным заполнением.
При эксплуатациитрансформаторов с КОЖ необходимо ежегодно повторять проверку таких параметровКОЖ, как пробивное напряжение, температура вспышки, влагосодержание и вязкость.
Трансформаторы с КОЖоценивались не только с точки зрения пожаробезопасности, но ивзрывобезопасности. Испытания, проведенные, в частности, фирмой Dow Corning Ltdпоказали, что в трансформаторах с КОЖ не исключена опасность взрыва, однако онанамного меньше, чем при заполнении другими диэлектриками, поскольку КОЖ неподдерживает горения.
Синтетические сложныеэфиры типа Midel двух модификаций впервые были разработаны фирмой Micanite& Insulators (Великобритания). Midel 7131 применяется в распределительныхтрансформаторах с 1978 г. Midel 7221 разработан для конденсаторов. Эфиры неоказывают неблагоприятного влияния на уплотняющие материалы, обладают большей,чем КОЖ, смазочной способностью. Замена трансформаторного масла эфиром возможнабез изменения конструкции трансформатора и снижения его мощности. Midel 71.31может быть применен в выключателях, кабелях и устройствах РПН трансформаторов.Он имеет такую же электрическую прочность, как и трансформаторное масло, хотя уэфира она несколько ниже при неоднородных нолях и больших зазорах междуэлектродами. Испытания также показали, что Midel 7131 может успешно заменятьтрансформаторное масло для пропитки целлюлозной и полиамидной бумаги Nomeх. Припоглощении влаги Midel 7131 ухудшает свои электроизоляционные свойства, но вменьшей степени, чем трансформаторное масло |9|. Все материалы, применяемые вмасло- и ПХД-заполненных трансформаторах, пригодны для работы с Midel.Термическое разложение Midel протекает с выделением СО2. Испытанияна огнестойкость дали вполне удовлетворительные результаты. Кратковременноэфиры могут работать при 90°С, в течение 50 лет — при 60°С. Эфиры трудновоспламеняются. При пробных испытаниях было отмечено, что при горении эфирыдают небольшое пламя при минимальном количестве образующихся продуктов горения.Midel 7131 предназначен для трансформаторов, работающих в тяжелых условиях,обладает достаточно хорошими смазочными свойствами для работы ввысокоскоростных и высоконапорных насосах, подобных применяемым вмаслоциркуляционных охладительных системах или защитных механизмах (14).Токсикологические испытания эфиров дали лучшие результаты, чем нефтяные масла.Эфиры полностью биоразлагаемы. Опыт их использования в течение ряда лет невыявил отрицательного влияния на здоровье людей. В Великобритании с 1978 г. эфиром Midel 7131 заполнено свыше 1000 трансформаторов. Лицензии на изготовление и применениеMidel 7131 приобретены некоторыми фирмами США, Канады и ФРГ. Процедураперезаливки в трансформатор Midel 7131 вместо ПХД должна предусматриватьмногократную промывку, при которой добиваются остаточной концентрации ПХД менее0,1%. Перезаливка трансформатора выгоднее, чем его замена на новый [21, 23].Электроизоляционные жидкости с торговой маркой Formel NF разработаны фирмой ISCChemicals Ltd (Великобритания) и по своему составу являются смесью несколькихуглеводородов, главным образом перхлорэтилена, тетрафтордихлорэтана итрихлортрифторэтана, т.е. компонентов, уже свыше 20 лет применяющихся вразличных областях промышленности. По своим диэлектрическим свойствам этотжидкий диэлектрик не уступает трансформаторному маслу. В связи с меньшей вязкостьюи хорошими теплопередаюшими свойствами системы охлаждения с их использованиеммогут иметь уменьшенный по крайней мере на 50% объем охлаждающей жидкости.Поэтому Formel NF нецелесообразно использовать для перезаливки трансформаторов.Formel NF является взрывобезопасной жидкостью, так как в ее состав не входятатомы водорода. Вследствие низкой точки кипения (103,5°С) и высокого давленияпаров Formel NF требует герметичного исполнения трансформаторов. Имеютсясведения, что Formel NF вступает в реакцию с алюминием и цинком. Стоимостьнового диэлектрика на 20% выше, чем трансформаторных масел, но меньше, чем КОЖи эфиров |27|.
Фирмы South WalesSwitchgear и Lindley Thompson (Великобритания) изготовили трансформаторы сFormel NF мощностью 500 кВ · А. напряжением 11 кВ, которые успешноэксплуатируются с 1983 г.
Фирма BabcockTransformers (Великобритания) изготовила 200 трансформаторов с Formel NFмощностью 1,5 МВ · А, напряжением 11/0,4 кВ. Фирма Lindlev Thompson имеетзаказы на 100 распределительных трансформаторов мощностью 100 4000 кВ · А,напряжением 24 кВ. В Японии прошли успешные испытания трансформатора,заполненного Formel NF, мощностью 500 кВ · А, напряжением 11/0,43 кВ. Бак,заполненный Formel NF, не имеет специальной газовой подушки. Она создается засчет воздуха, содержащегося в жидкости, а главным образом за счет интенсивноговыделения паров Formel NF, не при нагреве. В связи с высоким давлением паровбак заполняется под вакуумом 15 кПа с установлением вакуума 40 кПа послевыделения содержащегося в жидкости воздуха. При 100%-ной нагрузке избыточноедавление составляет 110 кПа, при 12о%-ной 1,6 и при кратковременной 150%-нойнагрузке 200 кПа. Перегрузочная способность трансформа гора с Formel NFзначительно выше, чем при заполнении другими жидкостями, включая масло. Длязашиты бака от перегрузок не используется спускной клапан, а применяется реледавления с двумя уставками с выходом на систему сигнализации и отключениятрансформатора, заполненного Formel NF.
Сравнительные данные поперегревам в масляном трансформаторе и трансформаторе, заполненном Formel NF.приведены в табл. 9.
Таблица 9 Параметры Маслянные трансформаторы Трансформаторы с Formel NF 100%-ая нагрузка по стандарту СР10110 100%-ная нагрузка 120-%-ная нагрузка 100%-ная нагрузка 120%-ная нагрузка Температура окружающей среды, ° С 20 19 20 20 20 Наибольшее превышение темпер-ты масла в баке,°С 55 53 73 53 66 Превышение средней темпер-ры, ° С Масла в обмотке 44 42 58 48 59 Обмотки над температурой среды 65 62 86 58 71 Осевой перепад темпер-р в обмотке, ° С 21 20 28 10 12 Темпер-ра наиболее нагретой точки обмотки, ° С 98 95 124 84 100 Давление пара, кПА - 100 100 110 160 Обьем жидкости, % - 100 100 86 86
Исследования показали,что под воздействием электрической дуги Formel NF разлагается с образованиемсвободных радикалов, которые после рекомбинации образуют хлорфторуглеводородынизкой токсичности. Токсикологические исследования показали, что Formel N1Fподдается процессам биоразложения [15|.
Другой, близкой поклассу, является разработанная фирмами Prodelec и General Electric изоляционнаяжидкость Ugilec T(T4), представляющая собой смесь 60%тетрахлордиарилметана с 40% трихлорбензола. предотвращающего интенсивныепроцессы старения. По своим электроизоляционным свойствам Т4 близкак аскарелям, но уступает им по показателю горючести. Жидкость Т4 вотличие от ПХД поддается биоразложению. Работа с Т4 не представляеттоксикологической опасности для персонала при соблюдении элементарных правилтехники безопасности. Отмечается слабая токсичность при попадании в желудок ислабое раздражающее действие при соприкосновении с кожей.
В 1980 г. распределительный трансформатор, заполненный t4, мощностью 160 кВ · А, напряжением20/0,4 кВ был подвергнут испытаниям, успешно их выдержал и был введен в опытнуюэксплуатацию. Вероятность интенсивно развивающихся процессов старения Т4требует тщательного контроля в эксплуатации |24|.
Фирма WestinghouseElectric разработала новый жидкий диэлектрик перхлорэтилен (C2 Cl4) с торговым названием Wecosol. С 1982 г. изготовлено около 1000 трансформаторов в герметичном исполнении, заполненных этой жидкостью. Эксплуатацияподтвердила их взрыво- и пожаробезопасность, большую надежность, чем масляныхтрансформаторов. В ФРГ аналогичная жидкость под названием тетрахлорэтанразработана фирмой Wacher Trafo-Рег. У перхлорэтиленов высокаятеплопроводность, 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 долженприменяться только в закрытых системах. Исследования показали, что промышленныйперхлорэтилен вызывает сильную коррозию меди и разрушает органическиеполимерные материалы. Для устранения этого недостатка в Wecosol вводят 40 500мг/кг стабилизатора Фирма Westinghonse, выпускающая трансформаторы с Wecosolмощностью 500 — 5000 кВ • А, напряжением до 35 кВ, применяет в обмотках толькоалюминиевый провод, в то время как с КОЖ могут использоваться алюминиевые имедные проводники. Герметичный бак трансформаторов рассчитан на давление вдвоебольшее, 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 снижениятемпературы застывания предложена электроизоляционная жидкость, представляющаясмесь 75% перхлорэтилена и 25% трансформаторного масла. Трансформаторы имеютазотную подушку. Фирма Westinghouse разработала серию таких трансформаторовмощностью 112,5-10000 кВ · А и напряжением 15 кВ [16, 19, 20].
Для замены ПХД могутбыть использованы парафины. Наиболее часто применяемые парафины марок RTEmpи РАО-13СЕ. Жидкость RTEmp производится фирмой RTF Corp. (США) ипредставляет собой высокоочищенный парафин с высокой молекулярной массой, ссодержанием в структурной цепочке свыше 26 атомов углерода. RTEmpполучается путем гидрогенизации нефтяных фракций, он малоароматичен, носодержит добавки антиоксидантов. Анализ RTFmp производится методомвысокотемпературной газожидкостной хроматографии.
Парафин РАО-13СЕ,выпускаемый фирмой Uniroyal (США), является полиальфаолеином, со среднеймолекулярной массой около 600. Обе марки парафинов имеют удовлетворительныеэлектроизоляционные свойства однако выделяют повышенное количество тепла пригорении. Кроме того, они подвержены быстрому старению и должны тщательноконтролироваться в процессе эксплуатации. Парафины РТЕmр разрушаются на 50%бактериями в течение недели при 20 °С. Парафин РАО-13СЕ имеет болееразветвленную структуру и разлагается медленнее. При определении степенитоксичности парафинов было установлено, что летальная доза РАО-13СЕ для крыссоставляет при приеме с нишей более 40 г/кг массы (для ПХД эта доза 4-11 г/кг)|13|.
В трансформаторах сиспарительным охлаждением используются жидкости на основе фторуглеводородов(фреоны). Применяются два способа охлаждения — погружной и пленочный. Примощностяхдо 2500 кВ·А выгоднее использовать погружное охлаждение. Фирма GeneralElectric 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 конструкциинасосы не используются. Мощность можно повысить за счет обдува вентиляторами.
Фирма Westinghouseразработала трансформаторы с пленочным охлаждением мощностью 7000 кВ·А. Помимофреона использован элегаз для придания электрической прочности в холодномсостоянии.
Под воздействиемэлектрической дуги фреоны разлагаются с выделением низкомолекулярпыхфторуглеводородов, углекислого и угарного газов, фторангидридов. Последниемогут вызвать коррозию металлов или разрушение твердых электроизоляционныхматериалов. Продукты, образующиеся при пробое фреонов, мало влияют на снижениеих электрической прочности, в связи с чем такими жидкостями могут заполняться высоковольтныеконтакторы и выключатели.
Фторуглеводороды малогигроскопичны, но при продолжительной выдержке в атмосфере с повышеннойвлажностью их электрическая прочность снижается.
Для фреонов характернахорошая совместимость с большинством материалов, применяемых втрансформаторостроении. однако наблюдается значительное набухание во фреонахсиликоновых резин, натурального каучука, бутилкаучука. Непригодными являютсятакже лаки на масляной основе.
Смесь паров фреонов своздухом взрывобезопасна. Фреоны относятся к малоактивным соединениям в силу иххимической инертности, малой растворимости и разрушаемости в биологическихсредах. Есть сведения об их сродстве с биологическими мембранами. Они способнынакапливаться и живых организмах и приводить к серьезным нарушениям. Привысокой 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 3000мг/м3. Защитное средство противогаз марки А |1б|.
При разработкеальтернативных ПХД жидких диэлектрике» основное внимание уделяется подборужидкостей с удовлетворительными электрическими и токсикологическимихарактеристиками, тогда как вопросы обезвреживания их при попадании вокружающую среду разработаны очень слабо. Вместе с тем проблема обезвреживанияили уничтожения этих веществ при попадании их в окружающую среду в случаеаварийных разливов. пожаров, с отработавшими свой срок электротехническимиизделиями является весьма актуальной. Опыт предыдущих исследований показывает,что при разработке подобных технологий обезвреживания особое внимание должнобыть уделено не только обеспечению экономической целесообразности процесса, нои оптимизации, не допускающей образования более токсичных веществ, чем исходныепродукты распада.
С этой точки зренияпоказателен опыт проведения исследований и разработки промышленных образцовустановок по обезвреживанию ПХД. В связи с крайне неблагоприятнымимедико-биологическими показателями ПХД и их высокой устойчивостью к процессамбиодеградации при попадании в окружающую среду в настоящее время разработаныдевять различных способов их обезвреживания: реагентный, экстракционный,сорбционный, электролитический, ультра фиолетового облучения, биологический,понтирующим излучением, микроволнового плазменного пиролиза, сжиганием. Не всеони разработаны в достаточной мере полно, с доведением до промышленнойустановки, не все имеют равную эффективность. Наиболее распространен методсжигания (эффективность до 99,99998%), хотя он дорог. При использовании этогометода было установлено, что процесс сжигания ПХД, равно как и другиххлорсодержащих органических материалов, должен предусматривать использованиетемператур не ниже 1000°С во избежание образования еще более токсичных, чемПХД, диоксинов и фуранов.
Анализ и сравнениеразличных жидкостей — заменителей токсичных ПХД показывают, что на сегодняшнийдень 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 ктрадиционной. В большинстве случаев требуется герметизированное исполнение всвязи с повышенным влагопоглощением, интенсивным выделением паров, жидкости,либо по другим соображениям.
С точки зрениясовместимости с материалами, обычно используемыми в масляных трансформаторах итрансформаторах, заполненных ПХД, наиболее приемлемыми являются КОЖ, эфиры,парафины и жидкость Ugilec Т. Жидкости Wecosol (перхлорэтилен), Formel NF ифторуглеводороды разрушают целлюлозную и кремнийорганическую изоляцию. Wecosolвызывает еще и коррозию меди, a Formel NF алюминия и цинка.
Наиболее эффективной сточки зрения теплопередающих и изолирующих свойств является жидкость Formel NF.Трансформаторы с ее использованием имеют объем жидкости на 50% меньше, чемтрансформаторы, заполненные маслом и ПХД.
Для работытрансформаторов в условиях холодного климата наиболее приемлемой считаетсякремнийорганическая жидкость в связи с низкой температурой замерзания (55—-65°С).
Целесообразнаперезаливка трансформаторов, заполненных полихлордифенилами. новыми жидкостями,кроме Formel NF в связи со значительно меньшим объемом.
Стоимость всехразработанных жидкостей превышает стоимость масла и ПХД. КОЖ на 35% дорожемасла, Wecosol и Formel NF — на 25- 35%. Но с учетом того, что трансформаторы сновыми жидкостями являются в большей степени пожаробезонасными, чем масляные, ине требуют специальных противопожарных сооружений, их эксплуатация экономическицелесообразна.
Все разработанныежидкие диэлектрики по уровню токсичности намного безопаснее, чем ПХД. Крометого, в отличие от ПХД они подвержены процессам биодеградации.
В связи с появившимисясведениями об обнаруженных специалистами ЕРА (C1L1A) канцерогенных (в отношениичеловека) свойствах нерхлорэтилена считать этот диэлектрик в качестве реальнойальтернативы ПХД для широкого применения, по-видимому, нельзя.
Фреоны и хладоны немогут рассматриваться как диэлектрики широкого спектра применения не толькоиз-за специфических свойств, но и в связи с их резко отрицательным влиянием наозоновый слой атмосферы земли.
Как показал анализзарубежных материалов, при разработке жидких диэлектриков заменителей ПХД основноевнимание уделяется их диэлектрическим и токсикологическим свойствам. Технологияи методы процессов обезвреживания или уничтожения этих веществ при попадании ихв окружающую среду практически не разработаны, как эго выполнено для ПХД.
Поиск и исследованияразличных жидкостей продолжаются. Наиболее подходящей должна быть признана та,которая наиболее оптимально удовлетворяет требованиям конкретной конструкции.
Выводы
При разработкетрансформаторов массовых серий основной задачей является снижение затрат напроизводство и эксплуатацию трансформаторов. Решаются вопросы снижения расходаактивных и конструкционных материалов, повышения надежности и исследованияреальных условий эксплуатации.
Выбор оптимальныхвариантов конструкции производится по минимуму народнохозяйственных затрат.Основными варьируемыми параметрами являются: диаметр стержня, плотность тока вобмотках и др.
Проектированиебазируется на применении высококачественных материалов, современныхконструкторских и технологических решениях и оптимизационных расчетах сприменением ЭВМ. В новой серии выбран витой пространственный магнитопровод изстали марки 3407 с удельными потерями 1.2 Вт/кг (при индукции 1,7 Тл).гофрированный бак герметизированной конструкции с применением глубокою вакуумапри заливке активной части.
К перспективнымнаправлениям в разработке новых серий относят создание витых разрезныхмагнитопроводов, благодаря которым конструкция трансформатора становитсяремонтопригодной, а также применение аморфных материалов и другие мероприятия
За рубежомтрансформаторы класса 10 кВ мощностью до 630 кВ·А выпускают многие фирмы странЗападной Европы, Японии, США. Наиболее высокие технические характеристики имеютраспределительные трансформаторы фирм Trafo-Union (ФРГ), Brush (Великобритания),и др. В трансформаторах западноевропейских фирм используются планарныемагнитопроводы с полным косым стыком из стали Hi-B, с удельными потерями0,8-0.9 Вт/кг при индукции 1,5 Тл. За счет использования прямоугольного сечениястержня удалось, не изменяя технических параметров, снизить трудоемкость на 25- 30% при изготовлении трансформатора и на 3-6% массу магнитопровода за счетуменьшения межосевого расстояния. Фирмы General Electric и Westingliouse (США),Matsushita (Япония) используют витые разрезные планарные магнитопроводы сразличным исполнением зоны стыка. Т-образная зона стыка, запатентованная фирмойWestinghouse. снижает потери холостого хода на 10-15%. Трансформаторысобираются из двух однофазных броневых трансформаторов. Фирмы Японии применяютразрезные витые магнитопроводы с травлением и полировкой зоны стыка.
За рубежом ужеизготовлены 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 поувеличению толщины аморфного материала за счет спрессовывания и увеличенияширины листа до 300 мм. Изготовлен опытный образец трансформатора 500 кВ·А.
За рубежом вбольшинстве развитых капиталистических стран ведутся работы по созданиюпожаробезопасных трансформаторов с нетоксичными жидкими диэлектриками (кремнийорганическимижидкостями, эфирами. углеводородными маслами, парафинами и другими жидкостями)- заменителями хлордифенилов.
Список литературы
1. Пространственныеконструкции магнитопроводов трансформаторов 250...6,10 кВ·А, 6-10 кВ: Отчет оНИР/ВНИИКЭ; № ГР 02860002610. М… 1986.
2. Технико-экономическиетребования к массовым сериям трансформаторов: Отчет о НИР/ВИТ; № ГР 02850051107. М… 1986.
3. САПРтрансформаторов: Отчет о НИР/СКБ Минского электротехнического завода; № ГР 028500055160. М., 1986.
4. Bulletin desSchweizerischenElektrotechnischenVereins. 1985. Bd 76, № 9. S. 503 508.
5. Electronics and Power. 1985. Vd: 31, №2. P. 133—136.
6. Каталогфирмы Trafo-Union (ФРГ). Фонд ВНИИПМ. № ГР ПК 18002 ^8.
7. Bulletin SEV/VSE. 1987. Bd 78, № 19. S.1201—1204.
8. ElectricalReview, 1982. Vol. 210. № 8. P. 27—28.
9. BeckIsoliertechn. 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. Bd104. № I. S. 20.
13. Environmental Science & Technology.1983. Vol. 17, № 10. P. 486 494.
14. Transmission& Distribution. 1984. Vol. 91, № 6. P. 26.
15. ElectricalReview. 1984. Vol. 214. № 8. P. 8, 17, 24-25.
16. J HPRI. 1984 Vol. 9. № 8 A. P. 16-19.
17. AsianElectricity. 1986. Vol. 4, № 8. P. 19, 21.
18. ElectricalReview. 1986. Vol. 218, № 4. P. 9.
19. Пат4424147 США, МКИ Н01В 3/24.
20. Каталогфирмы Westinghouse (США). Фонд Информэлектро. Инв. № 288. М… 1985. 12 с.
21. OZE.1987. Bd 40, № 5. S. 166-189.
22. ElectricalReview. 1981. Vol. 209, № 19. P. 37, 39.
23. ElectricalReview. 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. ФадееваГ.А., Федин В.Т. Проектирование распределительных электрических сетей. – Мн.:Вышэйшая школа, 2009.
29. КороткевичМ.А. Эксплуатация электрических сетей. – Мн.: Вышэйшая школа, 2005.
30. КороткевичМ.А. Основные направления совершенствования эксплуатации электрических сетей. –Мн.: Техноперспектива, 2003.
31. ГерасименкоА.А., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии. – Ростов наДону: Феникс, 2006.
32. ПоспеловГ.Е., Русан В.И. Надежность электроустановок сельскохозяйственного назначения.– Мн.: Ураджай, 1982.
33. ЛещинскаяТ.Б. Электроснабжение сельского хозяйства. – М.:, 2006.
34. КерногоВ.В., Поспелов Г.Е., Федин В.Т. Местные электрические сети. – Мн.: Вышэйшаяшкола, 1972.
35. КороткевичМ.А. Оптимизация эксплуатационного обслуживания электрических сетей. – Мн.:Наука и техника, 1984.