Система охлаждения силовых трансформаторов: способы

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ «С»

Система охлаждения сухих трансформаторов маркируется в отечественных стандартах буквой «С». Эти устройства не предназначены для использования холодильного масла.

Температура магнитопровода и обмотки нормируется естественной циркуляцией конвекционных воздушных потоков.

Для данного типа оборудования существует несколько типов систем охлаждения:

• С — открытый вариант корпуса;
• SG: устройство герметично закрыто;
• СЗ — кузов защищен от внешних механических ударов;
• СД — возможна установка дополнительных элементов для принудительной циркуляции воздушных потоков, направленных на радиатор охлаждения корпуса.

Воздушное охлаждение отличается невысокой эффективностью, поэтому в таких устройствах устанавливаются термодатчики для контроля температуры обмоток каждой фазы. Сухие трансформаторы обладают малой мощностью, параметры большинства моделей не превышают 1600 кВА при напряжении до 15 кВ.

В соответствии с ГОСТ 11677-85 максимально допустимое превышение температуры обмотки трансформаторного оборудования разных классов серии «С» не должно превышать следующих предельных значений:

• «А» — 60 ° С;
• «Е» — 75 ° С;
• «В» — 80 ° С;
• «F» — 100 ° С;
• «Н» — 125 ° С.

Трансформаторы с сухим охлаждением имеют следующие преимущества:

1. Высокая устойчивость к ударам и переменному напряжению;
2. Возможность эксплуатации при повышенной влажности и загрязнении;
3. Высокий уровень пожарной безопасности;
4. Экологическая безопасность — отсутствует риск загрязнения окружающей среды выбросами нефти;
5. Маленький размер;
6. Низкий уровень шума;
7. Систематического обслуживания не требуется;
8. Высокая устойчивость к коротким замыканиям и длительным тепловым нагрузкам;
9. Гибкость установки: можно реализовать различные варианты использования внешних вентиляторов, что позволяет увеличить мощность некоторых моделей до 50%.

Стоимость сухих трансформаторов в 2,5-3 раза выше маслонаполненных трансформаторов с сопоставимыми техническими характеристиками.
Область применения силовых трансформаторов с системой сухого охлаждения разнообразна. В первую очередь, это системы распределения энергии в общественных, административных, бытовых и жилых зданиях и сооружениях с повышенными требованиями к пожаро- и взрывобезопасности, а также с необходимостью низкого уровня шумового загрязнения.

Чаще всего их используют в отелях, бизнес-центрах, банках, больницах, небоскребах любого типа и на электротранспорте, как наземном, так и подземном.

Рынок может предложить потребителю сухие трансформаторы, рассчитанные на особые условия эксплуатации: тропический или северный климат, регионы с повышенной сейсмической активностью.

ВОЗДУШНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Помимо естественного воздушного охлаждения возможна также система принудительного охлаждения сухих трансформаторов.

Эта технология работает за счет продувки воздухом вентиляторами и обозначена как светодиод. Такие устройства устанавливаются в тех жилых и производственных помещениях, где использование проб масла запрещено из-за горючести охладителя.

Тепловой класс изоляции напрямую влияет на допустимую разницу между температурой обмотки трансформатора и температурой окружающего охладителя. Это значение установлено ГОСТ 11677-85 и соответствует следующей таблице:

Класс термостойкости	Повышенная температура
А	около 60 С
В	около 75 C
С УЧАСТИЕМ	80 о С
Ф	100 о С
ЧАС	около 125 C

Система охлаждения силового трансформатора, осуществляемая воздушным путем, малоэффективна и применяется для трансформаторного оборудования малой и средней мощности — до 1600 кВ * А при номинальном напряжении до 15 кВ, а также при постоянной или временной пониженной температуре сайты.

Однако кремнийорганические (эпоксидные) соединения все чаще используются для создания изоляции с большей термостойкостью. Эта технология позволяет изготавливать сухие силовые трансформаторы номинальной мощностью до 15МВ * А при том же напряжении.

При достаточном обосновании такое оборудование может быть использовано на электростанциях.

Охлаждение по типу М

Представленный вид считается наиболее распространенным благодаря относительной дешевизне, длительному сроку службы и некоторым другим характеристикам. На распределительных подстанциях используются трансформаторы в масляной ванне с естественной циркуляцией масла и без дополнительной продувки. Система охлаждения трансформатора М имеет некоторые эксплуатационные нюансы:

1. Необходимость контроля уровня нефти и отбора проб газа для определения состояния техники. Обслуживающий персонал должен посещать распределительную подстанцию ​​не реже одного раза в шесть месяцев.
2. Конструкция должна быть герметичной. Следы пятен говорят о необходимости технического или капитального ремонта.

Кража нефти считается негативным фактором эксплуатации. Это обычная практика, когда происходит поломка и утечка технической жидкости из бака трансформатора. Из-за варварских действий происходит перегрев и замыкание оборудования с последующим выгоранием.

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ «М»

В оборудовании для трансформаторов средней мощности используется более эффективное жидкостное охлаждение. Чаще всего используется трансформаторное масло. Самая простая схема предусматривает естественную циркуляцию теплоносителя — тип «М».

Тепло, выделяемое обмотками и магнитопроводом, передается через масло в окружающую среду. Внешний теплообменник представляет собой набор трубок, радиаторов и резервуара для хранения масла.

Для увеличения эффекта отвода тепла можно выбрать множество схем с разным количеством радиаторов, труб и / или дополнительных ребер на бак.

Максимальная температура теплоносителя в верхней части теплообменника (наиболее нагретые слои) не должна превышать + 95 ° С.

Для трансформаторов типа «М» не предусмотрено использование дополнительных охлаждающих устройств, таких как принудительный обдув. Такое оборудование используется в устройствах мощностью не более 16 МВА.

Отсутствие движущихся частей и аксессуаров значительно упрощает использование трансформаторного оборудования. Техническое обслуживание ограничивается контролем температуры масла.

Системы охлаждения с направленной циркуляцией масла в обмотках НДЦ и НЦ.

улучшить охлаждение обмоток и обеспечить более равномерное распределение температуры в них можно за счет создания принудительной (прямой) циркуляции масла в каналах охлаждения обмоток с необходимой скоростью, обеспечивая требуемый температурный режим. Возможны два варианта исполнения — с одноконтурной и двухконтурной схемами циркуляции масла. В первом варианте масло, взятое из верхней части бака, проходит через масляно-воздушный или водомасляный теплообменники и направляется на обмотки. Во втором варианте помимо контуров охлаждения масла, аналогичных системам DC или C, имеются независимые контуры охлаждения обмоток, и масло, забираемое от насоса из верхней части бака, подается, минуя радиаторы, в систему нижняя часть бака, а затем к контурам охлаждения обмоток. Второй вариант системы охлаждения немного сложнее и дороже. Данная система охлаждения позволяет при необходимости (например, в трансформаторах-ограничителях мощности) увеличивать электромагнитные нагрузки, но усложняет конструкцию изоляции и обмоток, а также технологию сборки и испытаний трансформаторов (гидравлические испытания контуров циркуляции масла в обмотке).). Поэтому такие системы используются в отечественной трансформаторной промышленности для трансформаторов мощностью от 400 МБ-А и более.

Описание и конструкция тягового масляного трансформатора

Трансформатор снижает входное электрическое напряжение контактной цепи до заданных параметров. В его функции входит питание двигателей и электрооборудования поезда. Ключевым отличием тягового трансформатора от других типов трансформаторов является широкий диапазон выходного напряжения, которое можно регулировать в соответствии с требованиями поставляемых устройств.

Требования к материалам и качеству сборки тяговых трансформаторов намного строже, чем к другим типам трансформаторов, что обуславливает высокую надежность и максимальный КПД этих устройств.

В конструкцию масляного трансформатора входят:

• Активная часть;
• ввод обмоток;
• бак;
• система охлаждения масла.

Активной частью называют обмотки и систему изоляции, магнитопровод, отводы. Для оптимизации работы его погружают в специальное масло, охлаждающее магнитопровод и обмотки системы. В обмотках каждая последующая снабжена специальной изолирующей прокладкой, исключающей контакт с нижней или верхней частью. В этом случае обмотка промывается маслом со всех четырех сторон, что обеспечивает максимальные охлаждающие свойства.

В тяговых системах первичная обмотка, которая является единственной, принимает напряжение. Часто вторичных обмоток несколько, и они могут работать параллельно или отдельно друг от друга. Каждый из них обеспечивает напряжение, необходимое конкретному пользователю, будь то двигатель электровоза или освещение поезда.

Когда напряжение подается на первичную обмотку, через ее витки начинает течь ток, создавая переменный магнитный поток, который замыкается вдоль сердечника. Изменение напряжения выходного тока происходит за счет выбора соотношения между количеством витков обмотки высокого и низкого напряжения.

В этом случае конструкция трансформатора может включать в себя несколько низковольтных обмоток, переключаемых на требуемые значения.

Есть стержневые и бронированные трансформаторы, разница между ними заключается в конструкции используемого сердечника. Линейные трансформаторы могут упростить конструкцию обмоток и, таким образом, облегчить техническое обслуживание и ремонт. Но при этом увеличиваются зазоры между сердечником и баком, что приводит к увеличению всей конструкции.

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ «Д»

Принудительный отвод тепла от обмоток и магнитопровода трансформатора реализуется несколькими способами:

Тип «D»

— естественная циркуляция масла и обдув радиаторов вентиляторами. Принудительный обдув включается автоматически при достижении предельной температуры + 55 ° C в верхних слоях масла или при переходе оборудования в рабочий режим с номинальной нагрузкой на обмотки более 100%. Применяется для оборудования мощностью 16-80 МВА.

Тип CC

— помимо продувки предусмотрена принудительная циркуляция масла.

Масляные насосы встроены в резервуар. Быстрое движение жидкости имеет следующие преимущества:

• значительное повышение эффективности температурного контроля и нормализации;
• компактный размер теплообменника;
• возможность размещения радиаторов отдельно от основного корпуса;
• увеличение номинальной мощности трансформатора до 65-160 МВА.

Системы охлаждения трансформаторов типа «Д» с продувкой и циркуляцией масла должны работать непрерывно. Отказ или отказ хотя бы одной подсистемы приводит к немедленному отключению всего оборудования

Типа «НДЦ»

— фактически повторяет конструкцию трансформаторного оборудования постоянного тока с той разницей, что поток масла имеет строгое направление. Это делает охлаждение обмоток еще более эффективным.

МАРКИРОВКА СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ПО МЕЖДУНАРОДНОЙ КЛАССИФИКАЦИИ

В международных стандартах принята четырехбуквенная маркировка систем охлаждения трансформаторов:

1. Первый символ — это обозначение типа охлаждающей жидкости, которая непосредственно контактирует с обмотками электрических подшипников:

• «О» — минеральные масла или синтетические хладагенты с температурой вспышки примерно 300 o;
• «К» — синтетические охлаждающие и изоляционные жидкости с температурой воспламенения выше 300 o;
• «L» — изоляционные жидкости и масла с неопределяемой температурой вспышки.

2. Второй символ — режим циркуляции теплоносителя:

• «N» — конечно обязательно;
• «Д» — принудительный;
• «F» — вдавлен в систему охлаждения и радиатор в обмотки.

3. Третий символ — это тип внешнего хладагента;

• «А» — воздух;
• «W» — вода.

4. Четвертый символ — это путь циркуляции внешних хладагентов;

• «Н» — натуральный;
• «F» принудительно.

МАСЛЯНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Этот тип охлаждения подходит для силовых трансформаторов с номинальной мощностью до 16 МВ * А и имеет маркировку M.

Работа систем охлаждения трансформаторного масла имеет некоторые особенности. Например, обслуживающий персонал этого агрегата должен регулярно его посещать и заправлять газом, а также следить за уровнем масла. Эти действия позволяют определить техническое состояние трансформатора.

Кроме того, немаловажным фактором является герметичность конструкции. Любые протечки должны привести к ремонту устройства.

Большие подстанции, помимо естественной конвекции масла, объединены автоматической продувкой воздуха, которая активируется, когда температура достигает заданного значения.

Здесь вентиляторы размещены в навесных радиаторах и обдуваются сверху радиатора. Такие устройства могут работать без обдува при малых нагрузках, если температура охладителя не превышает 55 o C.

При высоких нагрузках улучшенная конструкция трансформатора MD обеспечивает более высокий уровень надежности системы. Мощность устройств, оснащенных таким охлаждением, достигает 80 МВт * А.

Такие устройства оснащены электронасосами, встроенными в маслопровод и обеспечивающими непрерывную циркуляцию теплоносителя по трубкам радиатора. Последние обдуваются воздухом с помощью внешних вентиляторов.

Трансформаторы постоянного тока отличаются компактными размерами при повышенной мощности. Это связано со скоростью циркуляции масла, интенсивным и непрерывным обдувом вентиляторов, а также с большей площадью охлаждаемой поверхности, что увеличивает теплоотдачу кулера.

Кроме того, конструктивные особенности трансформаторов постоянного тока позволяют изменить традиционную конструкцию агрегата: масляный бак и охлаждающий агрегат могут быть установлены отдельно, соединены масляной линией.

Направленный поток охлаждающей жидкости — масла — увеличивает эффективность системы охлаждения, тем самым увеличивая номинальную мощность силового трансформатора без изменения его размера. Обозначение этих устройств — NDC.

Общие определения

Максимальный нагрев деталей трансформатора ограничен изоляцией, продолжительность которой зависит от температуры нагрева. Чем больше мощность трансформатора, тем интенсивнее должна быть система охлаждения.

Естественное воздушное охлаждение трансформаторов осуществляется за счет естественной конвекции воздуха и частичного излучения в воздухе. Такие трансформаторы называют «сухими». Принято обозначать естественное охлаждение открытым вариантом С, защитным вариантом — СЗ, герметичным вариантом СГ, с принудительной циркуляцией воздуха (обдувом) — СД.

Допустимое превышение температуры обмотки сухого трансформатора относительно температуры окружающей среды зависит от класса теплостойкости изоляции и по ГОСТ 11677-85 больше не должно быть

• 60 место для класса А,
• 75 ° С — для класса Е,
• 80 ° С — для класса В,
• 100 ° С — для класса F,
• 125 ° С — для класса H

Такая система охлаждения малоэффективна, поэтому применяется для трансформаторов мощностью до 1600 кВА с напряжением до 15 кВ.
Естественное масляное охлаждение (M) доступно для трансформаторов мощностью до 16 000 кВА. В таких трансформаторах тепло, выделяющееся в обмотках и магнитопроводе, передается маслу, циркулирующему через бак и радиаторы, а затем в окружающий воздух. При номинальной нагрузке трансформатора в соответствии с Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) температура масла в верхнем и наиболее нагретом слоях не должна превышать + 95 ° С.

Для лучшей передачи тепла в окружающую среду корпус трансформатора оснащается ребрами, охлаждающими трубками или радиаторами, в зависимости от мощности.

Масляное охлаждение с обдувом и естественной циркуляцией масла (Д) применяется для самых мощных трансформаторов. В этом случае вентиляторы размещаются в охладителях, установленных на патрубках радиатора. Вентилятор всасывает воздух снизу и отводит нагретую верхнюю часть труб. Вентиляторы автоматически запускаются и останавливаются в зависимости от нагрузки и температуры нагрева масла. Трансформаторы с таким охлаждением могут работать с полностью потухшим взрывом, если нагрузка не превышает 100% от номинала и температура верхних слоев масла не выше 55 ° С, а также независимо от нагрузки при отрицательных температурах окружающей среды и температура масла не выше 45 ° C (PTE). Максимально допустимая температура масла в верхних слоях при работе трансформатора с номинальной нагрузкой 95 ° С.

Принудительный обдув труб радиатора улучшает условия охлаждения масла, а следовательно, обмоток и магнитопровода трансформатора, что позволяет изготавливать такие трансформаторы мощностью до 80 000 кВА.
Система охлаждения со взрывом и циркуляцией природного масла: 1 — корпус трансформатора; 2 — радиаторы кулера; 3 — вентилятор
Охлаждение масла с обдувом и принудительной циркуляцией масла через воздухоохладители (ДЦ) применяется для трансформаторов мощностью 63000 кВА и выше. Охладители состоят из тонких оребренных трубок, обдуваемых снаружи вентилятором. Электрические насосы, встроенные в маслопроводы, создают постоянную принудительную циркуляцию масла через радиаторы. Благодаря высокой скорости циркуляции масла, большой поверхности охлаждения и интенсивному обдува охладители обладают высокой теплопередачей и компактностью. Такая система охлаждения позволяет значительно уменьшить габариты трансформаторов. Чиллеры могут быть установлены вместе с трансформатором на одном фундаменте или на отдельных фундаментах рядом с корпусом трансформатора.
Схема охлаждения масла с обдувом и принудительной циркуляцией масла через воздухоохладители: 1 — бак трансформатора; 2 — электрический масляный насос; 3 — адсорбционный фильтр; 4 — охладитель; 5 — вентилятор
Масляно-водяное охлаждение трансформаторов с принудительной циркуляцией масла (C) в основном организовано так же, как охлаждение постоянного тока, но в отличие от последнего, чиллеры в этой системе состоят из труб, по которым циркулирует вода, а масло движется между трубами. Температура масла на входе в маслоохладитель не должна превышать 70 ° С. Чтобы вода не попала в масляную систему трансформатора, давление масла в маслоохладителях в этом случае должно превышать давление циркулирующей в них воды не менее чем на 0,02 МПа (2 Н / см2). Данная система охлаждения эффективна, но имеет довольно сложную конструкцию и поэтому применяется для трансформаторов большой мощности (160 МВА и выше).

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ «Ц»

Трансформаторное оборудование мощностью более 160 МВА оснащено системой водомасляного отвода тепла. Водяной контур расположен между ребрами радиатора, что помогает более эффективно рассеивать тепло.

Маслопроводы находятся в непосредственном контакте с водопроводными трубами. Это увеличивает коэффициент теплопередачи. Практикуется использование как однотрубных, так и двухтрубных схем.

Устанавливаются такие конструкции, как правило, в помещениях, оборудованных системой обогрева, чтобы при отрицательных температурах вода не замерзала. В сферу деятельности входят сталелитейные заводы, обогатительные фабрики и другие отрасли с агрессивной средой.

Гибридные масляно-водяные радиаторы компактны. Используются как трубчатые или радиаторные, так и плоские (мембранные) схемы. Максимальная рабочая температура в верхних слоях масла не должна превышать + 70 ° С. Оба контура охлаждения работают непрерывно и включаются автоматически при подаче питания на обмотку.

Основные проблемы при эксплуатации этого типа оборудования — коррозия труб контура водяного охлаждения.

Утечки воды из маслопровода могут повредить все электрическое оборудование. Поэтому давление в масляном контуре немного выше, чем в водяном.

Тип «NC» — для систем этого типа характерно использование направленного движения теплоносителей.

Системы охлаждения силовых трансформаторов

Во время работы трансформатора обмотки и магнитопровод нагреваются из-за потерь в них энергии. Максимальный нагрев деталей трансформатора ограничен изоляцией, продолжительность которой зависит от температуры нагрева. Чем больше мощность трансформатора, тем интенсивнее должна быть система охлаждения.

Ниже приводится краткое описание систем охлаждения трансформатора.

Естественное воздушное охлаждение

Естественное воздушное охлаждение трансформаторов осуществляется за счет естественной конвекции воздуха и частично за счет излучения в воздухе. Такие трансформаторы называются «сухими» и условно естественное воздушное охлаждение принято обозначать открытой конструкцией С; с защищенным исполнением СЗ, с герметичным исполнением СГ, с принудительной циркуляцией воздуха СД.

Допустимое превышение температуры обмотки сухого трансформатора над температурой охлаждающей среды зависит от класса термостойкости изоляции и по ГОСТ 11677-85 не должно превышать: 60 ° С (класс А). ; 75 ° C (класс E); 80 ° С (класс В); 100 ° С (класс F); 125 ° C (класс H).

Такая система охлаждения малоэффективна, поэтому применяется для трансформаторов мощностью до 1600 кВА с напряжением до 15 кВ.

Естественное масляное охлаждение

Охлаждение естественным маслом (М) выполняется для трансформаторов мощностью до 16000 кВА включительно. В этих трансформаторах тепло, выделяющееся в обмотках и в магнитопроводе, передается окружающему маслу, которое, циркулируя по резервуару и трубам радиатора, отдает его в окружающий воздух. При номинальной нагрузке трансформатора температура масла в верхнем и наиболее нагретом слоях не должна превышать + 95 ° С.

Для лучшей передачи тепла в окружающую среду корпус трансформатора оснащается ребрами, охлаждающими трубками или радиаторами, в зависимости от мощности.

Масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла

Масляное охлаждение с обдувом и естественной циркуляцией масла (Д) применяется для самых мощных трансформаторов. В этом случае вентиляторы размещаются в радиаторах, закрепленных на патрубках радиатора (рис. 1). Вентилятор всасывает воздух снизу и отводит нагретую верхнюю часть труб. Вентиляторы могут запускаться и останавливаться автоматически в зависимости от нагрузки и температуры нагрева масла. Трансформаторы с таким охлаждением могут работать с полностью тушенным взрывом, если нагрузка не превышает 100% от номинальной, а температура верхних слоев масла не выше + 55 ° С даже при минусовых температурах окружающей среды и одном масле температура не выше + 45 ° С, независимо от нагрузки… Максимально допустимая температура масла в верхних слоях при работе с номинальной нагрузкой + 95 ° С.

Принудительный обдув труб радиатора улучшает условия охлаждения масла, а следовательно, обмоток и магнитопровода трансформатора, что позволяет изготавливать такие трансформаторы мощностью до 80 000 кВА.

Масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла через воздушные охладители

Охлаждение масла с обдувом и принудительной циркуляцией масла через воздухоохладители (ДЦ) применяется для трансформаторов мощностью 63000 кВА и выше.

Чиллеры состоят из системы тонких оребренных труб, обдуваемых снаружи вентилятором. Встроенные в маслопроводы электронасосы создают непрерывную принудительную циркуляцию масла через радиаторы (рис. 2).

Благодаря высокой скорости циркуляции масла, развитой охлаждающей поверхности и интенсивному обдува чиллеры обладают высокой теплоотдачей и компактностью. Переход на такую ​​систему охлаждения позволяет значительно уменьшить габариты трансформаторов.

Чиллеры могут быть установлены вместе с трансформатором на одном фундаменте или на отдельных фундаментах рядом с корпусом трансформатора.

На рисунке 3 показан однофазный автотрансформатор с системой охлаждения постоянного тока с внешними охладителями, подключенными к резервуару через масляные линии. Бак в форме колокола с донным штуцером.

Направленный поток масла (НДЦ)

В трансформаторах с направленным потоком масла (NDC) интенсивность охлаждения увеличена, что позволяет увеличить допустимые температуры обмоток.

Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла (Ц)

Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла (C) в основном организовано так же, как и система постоянного тока, но в отличие от последней, чиллеры состоят из труб, по которым циркулируют вода и масло, перемещаются между трубами.

Температура масла на входе в маслоохладитель не должна превышать + 70 ° С.

Чтобы вода не попала в масляную систему трансформатора, давление масла в маслоохладителях должно превышать давление циркулирующей в них воды не менее чем на 0,02 МПа (2 Н / см 2). Эта система охлаждения эффективна, но имеет более сложную конструкцию и применяется на мощных трансформаторах (160 МВА и выше).

Масляно-водяное охлаждение с направленным потоком масла (НЦ)

Масло-водяное охлаждение с направленным потоком масла (DC) используется для трансформаторов мощностью 630 МВА и выше.

На трансформаторах с системами охлаждения DC и C устройства принудительной циркуляции масла должны автоматически включаться одновременно с включением трансформатора и работать непрерывно независимо от нагрузки трансформаторов. При этом количество включаемых в работу охлаждающих устройств определяется нагрузкой трансформатора. Такие трансформаторы должны быть оборудованы индикацией прекращения циркуляции масла, охлаждающей воды или отключения вентилятора.

Следует отметить, что в настоящее время разрабатываются новые конструкции трансформаторов с обмотками, охлаждаемыми до очень низких температур. Металл при низких температурах обладает сверхпроводимостью, что позволяет резко уменьшить сечение обмоток. Трансформаторы, работающие по принципу сверхпроводимости (криогенные трансформаторы), будут иметь небольшую грузоподъемность с мощностью 1000 МВА и более.

Каждый трансформатор имеет условное буквенное обозначение, которое содержит следующие данные в указанном ниже порядке:

Буквенное обозначение указывает номинальную мощность, кВА; класс напряжения обмотки (ВН); климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70.

Сборка трансформаторов — Способы охлаждения

§ 11. СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА Во время работы трансформатора, как указывалось выше, часть электроэнергии расходуется в виде потерь, преобразуется в тепло и рассеивается в окружающей среде. Основным источником тепла являются обмотки (потери в них составляют около 80% всех потерь), магнитная система и элементы металлических конструкций. При выделении тепла трансформатор нагревается, и температура отдельных его частей может значительно превышать температуру окружающей среды. Нагрев трансформатора — основная причина ограничения его мощности под нагрузкой. Ведь элементы металлоконструкций трансформатора могут без повреждений выдерживать довольно высокие температуры, в отличие от изоляции, особенно бумажной (класс А), которая широко применяется в трансформаторах. Бумажная изоляция, подвергаясь длительному воздействию высоких температур, теряет эластичность, становится хрупкой, а также разрушается из-за незначительных механических усилий, возникающих при эксплуатации, что приводит к потере электрического сопротивления и выходу трансформатора из строя. Чем выше температура обмоток, тем сильнее стареет их изоляция. Повышение температуры обмотки на 8 ° C сокращает срок службы изоляции примерно вдвое. Если при длительной температуре обмоток 95 ° С срок службы трансформатора составляет 20-25 лет, то при температуре 95 ° + 8 ° = 103 ° С — всего 10-12 лет, а при 105 ° С. ° C им около 8 лет. Пределы нагрева отдельных элементов трансформатора, обеспечивающие срок их службы, определены ГОСТ 11677-85 и составляют (для трансформатора в масле при температуре воздуха + 40 ° С): 105 ° С для обмоток с изоляцией бумага; 100 ° С для масла (в верхних слоях); 115 ° для поверхностей магнитной системы и элементов металлических конструкций. В термическом отношении трансформатор представляет собой неоднородный корпус: стальные пластины магнитной системы, обладающие высокой теплопроводностью, чередуются с изоляционными слоями, теплопроводность которых невысока. Точно так же обмотка трансформатора представляет собой сложную комбинацию материала с высокой проводимостью (меди и алюминия) с изолирующим материалом, который действует как электрическая, так и тепловая изоляция.

Во время работы трансформатора магнитная система и обмотки нагреваются и происходит постоянная передача тепла от внутренних, более нагретых поверхностей, к внешним (менее нагретым). Для трансформаторов мощностью в несколько киловольт-ампер внешней поверхности обмоток и магнитной цепи достаточно для отвода того небольшого количества тепла, которое выделяется во время их работы. Трансформаторы охлаждаются более холодным окружающим воздухом за счет естественного излучения тепла. Для их охлаждения обычно не требуется никаких специальных устройств. Трансформаторы, в которых атмосферный воздух является основным средством охлаждения и изоляции, называются воздушными трансформаторами. С увеличением мощности потери в трансформаторе растут пропорционально его массе, т.е примерно пропорционально кубу его линейных размеров. Охлаждающая поверхность увеличивается пропорционально квадрату линейных размеров, т.е потери в трансформаторе растут быстрее, чем поверхность, отводящая тепло. Начиная с определенной мощности, этой поверхности недостаточно и для ее увеличения между витками обмоток и самими обмотками делают каналы, открывающие свободный доступ охлаждающему воздуху. Однако этих мер достаточно только для трансформаторов мощностью до 2500 кВ-А. Более эффективным средством отвода тепла является использование минерального (трансформаторного) масла, сочетающего в себе свойства изоляционных и теплоотводящих материалов. Трансформатор, в котором трансформаторное масло служит основной изолирующей средой и теплоносителем, называется маслом. Частицы масла, заполняющие трансформатор, соприкасаются с горячими поверхностями, нагреваются, поднимаются и передают свое тепло окружающему воздуху через стенки и крышку бака. Охлаждаясь на стенках, частицы масла движутся вниз, уступая место другим, более теплым. Такой способ передачи тепла называется естественной конвекцией. Температура отдельных элементов трансформатора не одинакова; его изменение по высоте бака и в поперечном сечении трансформатора показано на рис. 9, а, б. Очень эффективно использование трансформаторного масла в качестве теплоносителя. Поверхностная теплоотдача агрегата с масляным охлаждением в 6-8 раз выше, чем с воздушным охлаждением, поэтому поверхности обмоток и магнитопровода, необходимые для охлаждения в маслонаполненных трансформаторах, намного меньше, чем у маслонаполненных трансформаторов воздух такой же силы. Однако поверхность бака должна быть такой, чтобы температура масла не превышала допустимого значения.

Рис. 9. Измерение температуры по высоте (а) и в поперечном сечении (б) трансформатора: 1 — стержень, 2, 3 — обмотки НН и ВН, 4 — масло, 5 — стенка бака; / -IV — температурные кривые соответственно стенок резервуара, масла, обмоток и магнитной системы, V — кривая максимальной температуры воздуха

Самый простой способ увеличить охлаждающую поверхность — увеличить размер бака, но это недешево, поэтому поверхность увеличивается за счет установленных на баке трубчатых теплообменников (радиаторов). Передача тепла от поверхности резервуара происходит как за счет нагретых частиц воздуха (конвекция), так и за счет излучения. Охлаждение масляного трансформатора естественной конвекцией масла и воздушным охлаждением внешней поверхности бака с установленными на нем охлаждающими устройствами называется натуральным маслом и применяется для трансформаторов мощностью до 6300 кВ-А. В более крупных трансформаторах используются системы с принудительным ускорением масла и охлаждающего воздуха или воды.

Есть несколько методов принудительного охлаждения трансформаторов. Первый способ — обдув (Д) с увеличением скорости движения воздуха, охлаждение бачка и радиаторов вентиляторами. Вентиляторы создают принудительную циркуляцию («дуть») воздуха по наружным поверхностям радиаторов, увеличивая их теплоотдачу в 1,5-2 раза. Система быстрого шокового охлаждения эффективна и имеет важное преимущество: при выключенных вентиляторах трансформатор может длительное время работать с нагрузкой до 50-60% от погребальной при естественном масляном охлаждении. Второй способ — циркуляция (DC) с принудительным увеличением скорости движения как масла, так и воздуха. Обычно для системы постоянного тока используются специальные чиллеры (теплообменники), в которых тепло передается от масла к воздуху, при этом масло перегоняется электронасосом, а воздух — вентиляторами. Система постоянного тока значительно увеличивает теплопередачу (по сравнению с D) и имеет еще одно преимущество: благодаря компактной конструкции чиллеров размер трансформатора уменьшается. Однако охладители постоянного тока эффективны только тогда, когда насосы и вентиляторы работают одновременно; когда необходимо уменьшить охлаждение (например, при уменьшении нагрузки), обычно один (или несколько) чиллеров отключаются. Третий метод — масло-водяной (C) с принудительной циркуляцией масла через чиллеры с водяным охлаждением. Для этой системы используются специальные теплообменники-охладители, по трубам которых принудительно перекачивается нагретое масло; трубы находятся в полости, в которой циркулирует охлаждающая вода. Водяно-масляное охлаждение более эффективно, чем другие виды охлаждения, из-за повышенной теплопередачи от масла к воде. Поэтому чиллеры системы C даже компактнее, чем постоянного тока, и в то же время имеют большую тепловую мощность. Особенно эффективным является охлаждение с направленной циркуляцией, при котором масло течет прямо в каналы внутри обмоток, между обмотками и в магнитную систему. Для обеспечения направленного движения масла в конструкции предусмотрены специальные экраны, перегородки и другие устройства. Задача разработчика трансформатора — создать экономичную и надежную систему охлаждения. Сборщик не может сделать охлаждение более эффективным, чем ожидалось. Однако ему необходимо знать, какие ошибки сборки способствуют плохому охлаждению и как их можно избежать. Перед упаковкой необходимо тщательно проверить горизонтальные каналы в обертках, чтобы не допустить их усадки или закрытия; нельзя произвольно устанавливать перегородки, щитки и другие детали, мешающие движению масла; необходимо проложить ярмо и уравнивающую изоляцию так, чтобы каналы для потока масла в магнитопроводе оставались свободными. Неосторожная установка проставок оси («клиньев») между обмотками или опорными кольцами обмоток может заблокировать масляные пути и ухудшить охлаждение. На этапе сборки необходимо изолировать места соединения отводов и концов обмоток, а также восстановить (или интегрировать) изоляцию на несущих элементах конструкции, тщательно соблюдая указания на чертежах. Часто коллектор, выполняющий изоляцию, накладывает излишнюю изоляцию и не предполагает, что вокруг проводников имеется дополнительная тепловая «рубашка» и их теплопередача резко ухудшается. Температура внутри «рубашки» повышается и может достигнуть опасного уровня, что приведет к термическому разрушению изоляции, электрическому отказу и отказу трансформатора. Во время сборки системы охлаждения необходимо проверить наличие инородных тел или отходов внутри радиаторов, труб и охладителей, а также проверить работу задвижек, электронасосов, кранов и клапанов.

ОХЛАЖДЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ В ПОМЕЩЕНИИ

Независимо от специфики использования и типа системы охлаждения масляного трансформатора внутри здания, помещение нуждается в вентиляции, так как отсутствие интенсивной циркуляции воздуха может вызвать снижение номинальной мощности.

Как правило, на предприятиях помещения для трансформаторного и вспомогательного оборудования предусматриваются заранее и имеют вентиляционные отверстия: в нижней части для притока холодного воздуха, а в верхней — для отвода горячего воздуха.

Если помещение для трансформаторной подстанции находится в отдельном здании, естественной циркуляции воздуха достаточно в большинстве режимов работы.

Принудительная циркуляция требуется в следующих случаях:

1. Помещение имеет небольшую площадь;
2. Работа оборудования характеризуется частыми перегрузками;
3. Расположение оборудования в помещении приводит к нарушению естественной циркуляции воздушных потоков;
4. Температура окружающей среды превышает 20 ° C;
5. Трансформаторы типа С находятся в эксплуатации.