Статья посвящена актуальному вопросу технического совершенствования элементов конструкции масляных силовых распределительных трансформаторов. На конкретных примерах рассмотрены перспективные с точки зрения автора варианты конструктивных решений всех основных частей трансформатора, а также применяемых материалов: для магнитопровода, обмоток, гофрированного бака, для системы охлаждения.
Введение
К теме эволюции основных частей конструкции силовых трансформаторов в аспекте энергоэффективности автор уже обращался в статье [1]. Однако не только энергоэффективностью «жив» трансформатор. Креативная конструкторская мысль специалистов всех ведущих российских и зарубежных трансформаторных заводов постоянно изменяет «организм» трансформатора таким образом, чтобы он становился надежнее: был более безотказным, долговечным, ремонтопригодным и сохраняемым. И в этом плане мелочей нет: любой самый простой конструктивный элемент в активной части, и в конструкции бака, и в устройстве всех видов изоляции, - может стать фактором повышения надежности или наоборот.
Однако многие ноу-хау производители предпочитают не афишировать, чтобы конкуренты не перехватили очередной элемент повышения надежности конструкции. Конечно, умолчать о самых значимых и необычных новациях невозможно (применение аморфной стали, использование овальных обмоток и т.п.), но высокое качество изделия кроется в множестве ДЕТАЛЕЙ, МЕЛОЧЕЙ, которые на взгляд непрофессионала ничего могут не значить. В качестве примера на рис. 1 на первом плане видна изоляционная прокладка между стягивающей ярмовые балки шпилькой и магнитопроводом. На фото отчетливо видно, что прокладка «съехала», открыв для пробоя минимальное расстояние между токопроводящими частями. У другого производителя аналогичная деталь сделана в размер между ярмовыми балками, и такого сдвига там быть не может.
Как видно, предела совершенствования конструкции даже такого просто на первый взгляд статического электрического устройства как трансформатор – нет.
Рис. 1. Элемент изоляции в конструкции трансформатора.
Далее рассмотрены новации в основных частях силового распределительного масляного трансформатора, обобщенные по всем основным производителям силовых масляных трансформаторов за последние несколько десятков лет. Они отразились во всех основных элементах трансформатора: Эволюция технических решений во внешних элементах конструкции масляных распределительных трансформаторов На рисунке 2 наглядно представлено, как изменилась «внешность» силового масляного трансформатор за последние 60 лет. Трубчатые радиаторы системы охлаждения сменили радиаторы с овальными трубами. Последние сейчас вытеснили штампованные радиаторы (рис. 3).
Рис. 2. Эволюция «внешности» силового масляного трансформатора
Рис. 3. Штампованные радиаторы охлаждения трансформатора
Заметным изменением «внешности» масляного трансформатора стало «исчезновение» расширительного бачка и кардинальное изменение конструкции бака. По данным различных источников [2, 3] гофрированные баки для масляных трансформаторов нашли применение уже в середине прошлого века. При этом в литературе они называются «волнистые» баки. Тонкостенная (толщина стальной стенки составляет 0,2 – 1,5 мм) конструкция стенки бака со складками высотой 50 – 400 мм, между которыми предусмотрен узкий зазор в несколько миллиметров интегрировала сразу несколько важных функционалов по повышению надежности трансформатора и улучшению его технико-экономических показателей: 1) улучшение теплоотвода при уменьшении массы обычной стали в конструкции трансформатора; 2) компенсация теплового расширения трансформаторного масла при нагреве трансформатора при работе за счет упругой деформации тонкостенных складок (гофра «дышит»), при этом отпадает необходимость в расширительном бачке, что также сокращает массу обычной стали и одновременно уменьшает габарит трансформатора по высоте; 3) результатом первых двух новаций стала герметизация трансформатора, что уменьшило расходы на эксплуатацию трансформатора (за счет герметизации масло сохраняет свои антиокислительные и диэлектрические свойства практически весь нормативный срок эксплуатации).
Недостатком конструкции бака с гофростенками считается меньшая механическая прочность, что приводит к повреждениям при транспортировке. Для разработки мероприятий по улучшению живучести тонкостенной конструкции завод «Трансформер», в частности, провел эксперименты по «взрыву» оболочки внутренним давлением, наполнив бак водой. На рис. 4 представлен «взорванный» бак, позволивший проверить адекватность теоретической расчетной модели. В свою очередь эксперимент дал возможность создать оптимальную в плане прочности конструкцию гофробака. Теперь в гофробаке выпускаются трансформаторы мощностью до 4000 кВА. а современные автомагистрали позволяют перевозить трансформаторы с гофрированными баками по всей территории России.
Рис. 4. Результаты эксперимента по исследованию прочности гофробака.
Эволюция технических решений во внутренних элементах конструкции масляных распределительных трансформаторов
В отличие от внешних элементов конструкции, изменения в конструкции активной части трансформатора, скрытой в баке, большей части потребителей неизвестны, так как просто не видны.
Здесь, прежде всего нужно отметить изменения в конструкции магнитопроводов трансформаторов и изменения в конструкции обмоток ВН и НН.
Рис. 5. Конструкция магнитопровода Step-Lap
Рис. 6. Конструкция магнитопровода «прямой стык»
Рис. 7. Овальные обмотки
На рисунках 5 и 6 представлены новый и старые способы шихтовки («складывания») магнитопроводов. Благодаря косому срезу и ступенчатому перекрытию на четверть снизились потери холостого трансформатора.
На рисунке 7 показана овальная обмотка трансформатора. По утверждению конструкторов, она сокращает один из габаритных размеров трансформатора. Правда, по утверждению оппонентов, такая конструкция обмоток делает ее ремонтоНЕпригодной и ухудшает ее стойкость к электродинамическим нагрузкам.
Еще одной новацией в части обмоток стала намотка обмотки НН алюминиевой (медной) лентой (фольгой) толщиной 0,5 – 1 мм. При этом, безусловно, сокращается и время намотки, и улучшаются механические свойства обмотки. Хотя такие обмотки требуют более дорогих намоточных станков.
Ближайшие инновационные технические решения в конструкции масляных распределительных трансформаторов
Изоляция в силовом трансформаторе – это обеспечение его надежной работы в любых форс-мажорных обстоятельствах и гарантия сохранности самого трансформатора при сверхнормативных воздействиях. В масляном трансформаторе изоляция, - это трансформаторное масло, фарфоровые изоляторы на вводах/выводах ВН и НН, и изоляционный материал обмоточного провода.
На смену трансформаторному маслу сегодня уверенно идут жидкие негорючие диэлектрики. По данным, полученным при испытании опытного образца на одном из российских трансформаторных заводов, при использовании такой изоляционной и теплоотводящей жидкости, в габариты (внешние) трансформатора 630 кВА «вписывается» активная часть мощностью 800 кВА, и при этом соблюдаются нормативы превышения температуры охлаждающей жидкости над температурой окружающей среды. Предлагаются также и другие диэлектрические жидкости [4]
На смену фарфоровым изоляторам на вводах/выводах распределительных трансформаторов по словам специалиста одной из профильных фирм [5] в ближайшее время придут полимерные изоляторы. Проблемы трэкинга, герметичности, атмосферной стойкости успешно решены.
Заключение
Таким образом, за последние 60 лет, при сохранении принципиальной компоновки и основных частей силового трансформатора, его внешний вид изменился также, как изменился вид современных мобильных телефонов по сравнению с внешним видом первых мобильных телефонов. И есть обоснованные предположения, что требования энергоэффективности, а также тренд цифровизации всей системы электроснабжения будут и дальше изменять привычный облик гудящего устройства, который называется силовой трансформатор.
Выражаю искреннюю благодарность сотрудникам ГК «Трансформер» за информацию о тенденциях в трансформаторостроении и полезные дискуссии по различным конструктивным новациям.
Список литературы.
1. Савинцев Ю.М. Особенности конструкции масляных энергоэффективных трансформаторов. [Электронный ресурс]. URL: http://электротехнический- портал.рф/statya-obzor/item/664-особенности-конструкции-масляных- энергоэффективных-трансформаторов.html (Дата обращения 28.10.2021).
2. Герметичные трансформаторы с гофрированными баками. [Электронный ресурс]. URL: https://leg.co.ua/info/transformatory/germetichnye-transformatory-sgofrirovannymi- bakami.html (Дата обращения 28.10.2021).
3. Охлаждающие устройства масляных трансформаторов - Волнистые баки. [Электронный ресурс]. URL: https://forca.ru/knigi/arhivy/ohlazhdayuschie-ustroystvamaslyanyh- transformatorov-8.html (Дата обращения 28.10.2021).
4. MIDEL 7131 — полиэфирный диэлектрик вместо минерального трансформаторного масла. [Электронный ресурс]. URL https://www.elec.ru/publications/promyshlennoe-oborudovanie/5810/ (Дата обращения 28.10.2021).
5. Полимерные изоляторы. Опыт и перспективы. [Электронный ресурс]. URL: http://www.insulators.ru/press/Composite.htm (Дата обращения 28.10.2021).
Автор статьи: Ю.М. Соколов-Савинцев, к.т.н., независимый эксперт
По любым вопросам можно связаться с автором по адресу: sokolov-savintsev@yandex.ru