Завтра уже сегодня. Обзор материалов и технологий рынка трансформаторов

ВТСП-трансформаторы

Трансформаторы с использованием сверхпроводящих материалов и явления высокотемпературной сверхпроводимости могут быть совместимы с существующим оборудованием электрических сетей и их защитными устройствами. Нагрузочные потери в ВТСП-трансформаторах при нормальном токе могут быть уменьшены на 80–90% по сравнению с традиционными. Замена масла жидким азотом и уменьшенные размеры позволят повысить экологическую безо­пасность и устанавливать такие трансформаторы в помещениях.

В настоящее время в ряде стран (США, Германия, Франция, Дания, Япония, Россия и Китай) освоено или подготовлено промышленное производство ВТСП-материалов, пригодных для создания и производства некоторых видов силового электротехнического оборудования, в частности силовых трансформаторов. Актуальность разработки обусловлена необходимостью снижения потерь электроэнергии при ее передаче и преобразовании. Другим побудительным фактором предлагаемой разработки являются растущие требования к уменьшению размеров электрооборудования и соответствующему уменьшению занимаемых площадей, что особенно существенно в условиях города. Кроме того, ВТСП-трансформатор будет обладать большей предельной мощностью. С учетом международного опыта ВЭИ совместно с другими научно-исследовательскими и производственными предприятиями отрасли в 2012 году разработал ВТСП-трансформатор мощностью 1000 кВА, содержащий обмотки, охлаждаемые до уровня температур жидкого азота, и магнитопровод, находящийся в тепловом контакте с окружающей средой («комнатной»). Из основных экономических, эксплуатационных и экологических преимуществ создаваемого на основе ВТСП трансформатора следует назвать: меньшие нагрузочные потери (на 70–90%), вес и размеры по сравнению с обычными трансформаторами; отсутствие теплового старения изоляции; меньшую опасность для окружающей среды благодаря замене масла экологически чистым и дешевым жидким азотом.

Трансформаторы с элегазовой изоляцией

Очевидными преимуществами элегазовых трансформаторов (ЭТ) являются их экологичность и пожаробезопасность. Однако существенно меньшая импульсная прочность и теплопередающая способность элегаза заставляют значительно увеличивать давление SF6 внутри бака трансформатора (2,5 кг/см2 и выше) что делает применение ЭТ экономически невыгодным. Лидер в этой области – Hitachi, Япония. Представляет интерес разработка ЭТ мощностью 20 МВА 154 кВ фирмой KEPCO (Южная Корея) с низким давление SF6: 1,2–1,4 кг/см2. При таком давлении изоляционные свойства при напряжении 50 Гц примерно как у масла, однако импульсная прочность сильно зависит от распределения электрического поля, что подразумевает высокие требования к конструкции изоляции и выбору материала твердой изоляции, в первую очередь в клинообразных промежутках между витками и отдельными секциями (катушками), где возникает наибольшая напряженность поля. Эта проблема была решена применением композитной изоляции из материалов с высокой и низкой диэлектрической проницаемостью, размещаемых в зонах с максимальной напряженностью поля. Эффективность системы охлаждения (газ, охлаждаемый водой), позволяющей обеспечить необходимый теплоотвод от обмоток и магнитопровода даже при столь низком давлении элегаза, была достигнута благодаря правильному выбору тепловой модели и проведению трехмерного численного анализа, в результате чего были определены типы обмоток, размеры каналов охлаждения, оптимальные потоки ввода-вывода газа. Прототип успешно прошел все диэлектрические и термические испытания. В России эти работы только начинаются.

Кабельные трансформаторы

Прорывом в области трансформаторных технологий можно назвать новый тип трансформатора – Dry Former, разработанный компанией АВВ, обмотки которого выполняются из кабеля: внутри пучок многожильного провода (медный или алюминиевый), заключенный в тонкий слой полупроводящего материала (для исключения неравномерности поля из-за многослойности). Все это заключается в полиэтилен, толщина которого выбирается из соображений электрической прочности (практически достижим уровень напряжения 220 кВ). Наружная оболочка-экран, выполненная также из полупроводящего материала, заземляется на каждом витке вдоль обмотки, то есть электрическое поле полностью заключено внутри твердого диэлектрика. Трансформатор имеет воздушное охлаждение. Отсутствие масла, снижение более чем вдвое доли горючих материалов по сравнению с обычным трансформатором устраняют риск пожара, взрыва, загрязнения воды и почвы при повреждении трансформатора. Это позволяет применять такие аппараты в зонах с большой плотностью населения, в подземных установках, в экологически охраняемых регионах. Повышается безопасность эксплуатации для персонала. Для такого трансформатора не нужны вводы ВН, просто кабель протягивается к распределительному устройству на любую длину. Принципиально Dry former снижает общие потери в сети благодаря тому, что его можно установить как угодно близко к месту нагрузки. Перегрузочная способность обычного трансформатора ограничена термостойкостью маслобумажной изоляции и сроком службы масла. Для Dry former перегрузка ограничена не старением изоляции, а снижением механической прочности обмотки, изолированной полиэтиленом при повышении температуры.

Первый в мире силовой трансформатор без масла с обмоткой кабельного типа, разработанный для установки в помещении, имеет мощность 20 МВА и напряжение 140/6,6 кВ. За последние годы ABB Transformatoren получила значительное количество заказов на поставку трансформаторов данного типа в разные части мира.

Трансформаторы с гибридной изоляцией

Хотя подход к проектированию трансформаторов со смешанной изоляцией известен с 80-х годов, последний опыт передовых зарубежных фирм доказывает, что появление новых высокотемпературных изоляционных материалов создает новые возможности. Обычно силовые трансформаторы имеют комбинированную изоляцию: твердая – целлюлозная, жидкая – минеральное масло. Нагрузочная способность трансформатора может быть существенно повышена, а процесс старения изоляции снижен за счет применения так называемой гибридной изоляции, когда в наиболее нагретых частях обмоток целлюлозная изоляция заменяется на высокотемпературную арамидную изоляцию. Для двух элементов, работающих при одинаковой температуре, изоляция отвода из обычной бумаги старится в два раза быстрее высокотемпературной. При этом благодаря тому, что дорогостоящая высокотемпературная изоляция применяется в очень ограниченных объемах (для изоляции проводов отдельных частей обмотки, емкостных колец, дистанцирующих прокладок, формирующих охлаждающие каналы), стоимость трансформатора повышается незначительно. Применение гибридной изоляции позволяет не только уменьшить вес и габариты трансформатора, но и снизить расходы на его обслуживание (уменьшение выделения газов из твердой изоляции в масло требует меньшего объема работ по очистке масла). Существенным преимуществом является незначительная усадка арамидных материалов под воздействием сил сжатия: исследования показали, что эти материалы почти безусадочны при температурах до 150°C, что практически гарантирует сохранение начального уровня запрессовки обмоток – важный фактор в обеспечении стойкости трансформатора при КЗ. Один из примеров гибридной изоляции – транспонированный провод с изоляцией типа «сетки» – позволяет существенно улучшить охлаждение провода и снизить материалоемкость и потери.

Последним примером успешного применения новой технологии с использованием гибридной изоляции является трансформатор 300 МВА 230 кВ, спроектированный недавно в Бразилии.

Вариантом применения гибридной изоляции следует считать кремнийорганическую изоляцию для многожильного провода, например провода типа ПАЭРТ (Россия), широко используемого для производства «сухих» электрических реакторов.

ООО «Сименс Трансформаторы»: качество – это философия существования

– Технические параметры современного трансформатора – это, как правило, микс компромиссов между заказчиками и производителями, где главным критерием или узким местом переговоров является бюджет заказчика. Производители трансформаторного оборудования постоянно  должны балансировать между желанием внедрить самые современные решения и материалы и изготовить недорогой, конкурентный трансформатор, – говорит Андрей Мозуль, технический директор ООО «Сименс Трансформаторы».

По его мнению, технологического прорыва и импульса развития производства силовых трансформаторов можно ожидать, в первую очередь, в связи с развитием интеллектуальных сетей.

– Там, где есть «умная» сеть, нужен и «умный» трансформатор, – говорит он. – Тенденция дает толчок развитию инновационных систем мониторинга и повышению надежности силовых трансформаторов. Кроме того, есть большая надежда на прорыв в освоении аморфной стали и начало производства трансформаторов высокого напряжения с применением этой стали, что существенно снизит потери в эксплуатации.

В целом физика процесса и теория производства силовых трансформаторов остаются неизменными независимо от завода-производителя, однако принципиальные подходы имеют отличия. Они ощутимы как в принципах построения проектных циклов, так и в принципах организации производственного процесса. Продукция «Сименс» имеет преимущества в первую очередь в массогабаритных характеристиках трансформаторов за счет высокой технологичности и качества продукции, которые позволяют находить экономичные решения.