Современные конструкции и особенности силовых трансформаторов распределительных электрических сетей

Наряду с обычным исполнением трансформаторов с фарфоровыми изоляторами ВН и НН зарубежные фирмы расширяют выпуск трансформаторов для подсоединения кабелей с так называемыми штекерными (втычными) контактами на стороне высшего напряжения. Эта конструкция обеспечивает быстрое и безопасное присоединение кабелей. Трансформаторы предназначены для устройств с ограниченным пространством (например, для подземных подстанций).

Технические характеристики трансформаторов зарубежных фирм

Минимальная мощность трехфазных 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 выпускают трансформаторы мощностью (50)*, (75), 100 (125), 160 (200), 250 (315), 400 (500), 630 кВ·А. Технические данные трансформаторов мощностью 250 кВ·А различных фирм приведены в табл. 1.

Таблица 1

* Трансформаторы мощностью, указанной в скобках, выпускаются но требованию потребителей

Интересен подход фирм к техническим характеристикам (потери холостого хода и короткого замыкания), который выясняется при анализе предлагаемых фирмой Trafo-Union исполнений трансформаторов мощностью 250 кВ • А (на напряжение 10 кВ) серии Tninetik (табл. 2).

Таблица 2

Из табл. 2 видно, что фирмой выпускается шесть типоисполнений трансформатора одной мощности. Изменение соотношений потерь короткого замыкания и холостого хода колеблется от 5 до 11,7. Соотношения четко показывают, что в зависимости от графика нагрузки и стоимости потерь потребитель может выбрать удовлетворяющий его с точки зрения экономики трансформатор. Анализ массовых характеристик свидетельствует о том, что трансформатор с различным соотношением потерь конструируется с различным вложением активных материалов, изменяющимся в пределах 25%,

Вложение активных материалов на 1 кВ·А установленной мощности трансформатора изменяется от 2,28 до 2,68 кг/ кВ·А , диапазон изменения потерь холостого хода 650 -380 Вт (78%), короткою замыкания 4450— 3250 Вт (36%) [4. 5, 6].

Новые направления в зарубежных разработках

Прогресс в разработках трансформаторов массовых серий в значительной степени определяется созданием новых и совершенствованием широко используемых изоляционных и магнитных материалов. Существенное улучшение характеристик магнитопроводов ожидается за счет внедрения аморфных сплавов (АС) с величиной удельных потерь, составляющих 25—30% от потерь в обычной стали. Исследования аморфных магнитных материалов начались в конце 60-х годов. Первый изготовитель аморфных лент фирма Allied Signal (США). В 70-е годы она выпускала ленты толщиной 30 50 мкм и шириной около 100 мм. В настоящее время получены ленты шириной до 300 мм. Фирма работает над увеличением толщины за счет спрессовывания тонких лент. Уже получен материал толщиной 0,25 и 0.2М мм. Аморфные ленты изготовляются при охлаждении расплава со скоростью 106 ° С/с на быстровращающемся охлаждаемом барабане (см. рисунок). Установка производительностью 10 тыс.т в год имеет размеры 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 для получения 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.

Ведущими по производству аморфных сплавов являются фирмы Allied Signal (США), Кгuрр и Vacuumschmelre (ФРГ), Hitachi Metals (Япония). Создана совместная японо-американская фирма Nippon Amorhous Metals. Наиболее широко в магнитопроводах трансформаторов используются две марки аморфного сплава: Metglas 2605S-2 и Metglas 2605SC.

Технические данные

Отжиг производится в среде инертного газа при воздействии магнитного ноля напряженностью 800 А/м. В связи 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 последнее время стоимости энергии (и соответственно потерь) наблюдается тенденция к снижению индукции и в обычных распределительных трансформаторах (особенно и США, где распространены трансформаторы небольшой мощности, устанавливаемые на мачтах распределительной сети). Помимо указанных свойств аморфные ленты обладают значительной твердостью (63 - 80 ед. по Роквеллу), хотя имеют достаточную эластичность и гибкость.

В связи с малой толщиной аморфный материал наиболее пригоден для витой конструкции магнитопровода, т.е. для трансформаторов малой мощности и распределительных. Магнитопроводы из аморфных сплавов имеют малый коэффициент заполнения сечения (0,8- 0,85) по сравнению с чтим коэффициентом у обычной электротехнической стали (около 0,96), что приводит к увеличению сечения магнитопровода. При недостаточной ширине ленты можно выполнить магнитопровод со стыкованными по ширине пакетами. В табл. 3 приведены прототипы трансформаторов с магнитопроводами из аморфного материала, изготовленные различными фирмами. Наибольшее количество трансформаторов (партию в 1000 шt ) изготовила фирма General Еlectric. В табл. 4 приведены сравнительные характеристики трансформаторов мощностью 25 кВ · А с магнитопроводами из аморфных лент и обычной электротехнической стали марки М-4.

Таблица 3

Таблица 4

В Институте электрических машин и трансформаторов (ПНР) выполнены расчеты серии трансформаторов мощностью 100, 250, 400 и 630 кВ · А сочетание напряжений 20 ± 1/0,4 кВ, схема соединения Δ/Y 5. При проектировании использовались аморфные ленты из Metglas 2605, витая конструкция магнитопроводов со ступенчатым сечением стержня, коэффициентом заполнения 0,85 и номинальной индукцией 1 ,3 Тл; данные напряжения короткого замыкания и потерь при нагрузке использованы как в обычных трансформаторах равной мощности, изготовляемых в ПНР. В табл 5 приведены параметры серии трансформаторов 100- 630 кВ · А с магнитопроводами из аморфного сплава Metglas 2605 и обычной ориентированной электротехнической стали (ЭС). При индукции 1,3 Тл и применении АС масса активных материалов на 30% больше, чем при использовании обычной электротехнической стали. Оптимальное отношение массы магнитного материала к сумме активных материалов составляет 72 - 74% .

Таблица 5

При изготовлении шихтованных магнитопроводов аморфный сплав нарезается на ленты определенной длины специальными резаками. Современный режущий инструмент позволяет сделать 2 тыс. резов аморфной ленты и 2 млн. резов обычной стали. В шихтованных магнитопроводах из аморфной ленты наблюдается значительное ухудшение магнитных характеристик при прессовании. В табл. 6 приведены магнитные характеристики шихтованных магнитопроводов из пластин с углами в стыках 90 и 45° и тороидальных магнитонроводов и аморфных сплавов при индукции 1,4 Тл. В шихтованной конструкции мощность намагничивания значительно выше. В ближайшем будущем использование аморфных сплавов предполагается в трансформаторах небольшой мощности [7] .

Пожаробезопасные трансформаторы с нетоксичным жидким диэлектриком.

При создании трансформаторов I - III габаритов, устанавливаемых в непосредственной близости от потребителя, одной из основных проблем является обеспечение пожаро- и взрывобезопасности , а в последнее время и санитарной, и экологической безвредности. Широко распространенные в мире негорючие полихлордифенилы (ПХД) были запрещены к применению с 1979 г в США, Японии и некоторых европейских cтранах в связи с их высокой токсичностью и устойчивостью к процессам биоразложении.

Поиски альтернативных вариантов жидких диэлектриков привели к созданию таких веществ, как кремнийорганические жидкости, синтетические сложные эфиры, углеводородные жидкости, парафииы. Фторуглеводороды. Их характеристики приведены в табл. 7 |25, 26].

Все жидкие диэлектрики заменители ПХД должны удовлетворять следующим требованиям: температура воспламенения выше 200 °С, рабочий диапазон температур от 65 до +155 °С, диэлектрическая проницаемость 4 - 6 на частотах 50 - 10000 Гц, tg δ менее 0,02 при и частотах 50 – 10000 Гц, удельное сопротивление более 2 · 1010 Ом· см при 90 °C . Они должны быть самогасящимися, нетоксичными, биоразлагаемыми, иметь низкий коэффициент объемного расширения при нагреве.

Таблица 6

В большей степени этим требованиям отвечают синтетические кремний - органические жидкости (КОЖ), в частности полидиметилсилоксаны, которые обладают достаточно низкой вязкостью, свойствами самогашения и хорошими охлаждающими свойствами, но уступают ПХД по негорючести. КОЖ более гигроскопичны, чем ПХД: уже при относительной влажности воздуха 30% происходит резкое ухудшение их электроизоляционных свойств. Кроме того, они имеют повышенный коэффициент объемного рствоваться. Они производятся фирмами Don Corning Ltd, General Electric, Stauflfer Chemical (США). Особенностью жидкости является образование при пожаре большого количества кремнийсодержащей золы, которая в виде koрkи покрывает поверхность горящей жидкости, предотвращая тем самым распространение огня. При этом мощность выделяемого теплового потока в 10-18 раз меньше, чем при пожаре в трансформаторном масле.

Свойства КОЖ позволяют использовать их при повышенной по сравнению с трансформаторным маслом рабочей температуре. Так, в Японии разработаны тяговые трансформаторы для электровозов, работающие при 150 °С и имеющие хорошие массогабаритные показатели. Исследования показали, что основные и изоляционные свойства КОЖ снижаются при повышении температуры значительно медленнее, чем у трансформаторного масла, что и определяет большой срок их службы. Однако длительное превышение предельной температуры (свыше 200°С) вызывает увеличение вязкости вследствие начинающихся процессов полимеризации. Оптимальными физико-химическими характеристиками обладают КОЖ с вязкостью 50 мм2 /с при 20 °С. При рабочих температурах вязкость КОЖ больше, а при низких меньше, чем у ПХД и масла [8, 11].

При доступе воздуха, а следовательно, при повышенном влагопоглощении вязкость КОЖ увеличивается. Для марки КОЖ Grade 50 было установлено, что при 140°С и хорошем доступе воздуха вязкость увеличивается вдвое через 30 лет. В условиях эксплуатации трансформатора вязкость будет возрастать медленнее, однако при температуре выше 140°С необходима герметизация.

Кремнийорганические жидкости имеют преимущества перед трансформа горными маслами при использовании их при низких температурах окружающей среды. Фирма Bayer Chemical разработала силиконовую жидкость марки Baysilone М50EL с жидкой фазой до - 60°С. Для отрицательных температур число Прандтля этой жидкости ниже, чем у трансформаторного масла, что необходимо учитывал, при тепловых расчетах [8, 12].

Страницы: 1, 2, 3