Силови трансформатори СрН/НН

Технически тенденции в развитието на сухи и маслени силови трансформатори

   Добре известно е, че диагностиката играе изключително важна роля в поддръжката на машините и съоръженията. Нейна заслуга са повишаването на надеждността, намаляването на загубите от обслужване, предотвратяването на аварии и удължаването на междуремонтния период. Сред най-широко използваните методи за диагностика на трансформаторите са измерване на изолационното и омичното съпротивление на намотките, анализ - според импеданса на късо съединение, измерване на тангенс делта, газхроматографски анализ на маслото и др.

Методи за диагностика на трансформатори
Най-общо методите за диагностика са електромагнитен, химически, топлофизичен, шумодиагностика, вибродиагностика и др. Счита се безконтактната диагностика е сред методите, даващи възможност за най-ранно откриване на влошаването на якостните свойства на конструкционните материали. Това е така, тъй като съществува зависимост между изменението на вътрешните сили и енергийното, респективно термичното състояние на материалите, което фактически се използва при диагностициране на обекта. Важно е да се подчертае, че при прилагането на съвременните безконтактни методи на диагностика не е необходимо изключване на съоръжението.
Знае се, че повишеното средно ниво на шум при работата на трансформатор от един тип в сравнение с друг тип трансформатор е показател за несъвършенство на конструкцията му. Върху тази база са разработени методите за шумодиагностика. Предимствата на методите за вибродиагностика на трансформатори са добре известни. Понастоящем се прилага метод за откриване на повреди, базиран на анализ на разтворените в маслото газове. Все по-широко се използват възможностите на съвременните термовизионни камери, отличаващи се с висока разрешаваща способност. Нарушаването на геометрията на намотките, вследствие на къси съединения, се определя и от измереното съпротивление при периодичните изпитания. Недостатък на метода е необходимостта от изключване на трансформатора.

Основните положения на методиката за вибродиагностика
на трансформаторите могат да се обобщят в следните направления:
l Определяне на контурните вибрационни характеристики на празен ход (характеристика на магнитопровода);
l Определяне на скоростната резонансна характеристика на трансформатора на празен ход (ПХ);
l Пофазно определяне на вибрациите;
l Определяне зависимостта на вибрациите от работата на вентилаторите;
l Определяне на вибрациите, съпътстващи функционирането на циркулационните маслени помпи;
l Определяне на вибрациите от реактивна мощност;
l Определяне на вибрациите в зависимост от температурата;
l Определяне на виброхарактеристиките в състояние на късо съединение.

Топлинната диагностика
е отдавна известен метод с голямо практическо приложение. Технически се реализира със специални средства, измерващи инфрачервеното излъчване от повърхността на обекта. Топлинното излъчване се наблюдава във вид на топлинна снимка, характеризираща се с по-силно и по-слабо нагрети места. Друга възможност е да се представи във вид на цифрова индикация на температурата на изследваната повърхност на обекта.
Съвременните термовизионни системи не само сканират топлинния фон на изследвания обект, но разполагат и с комуникационни възможности, позволяващи изображението да се прехвърли на компютър с цел допълнителен анализ.

Повреди при маслени трансформатори
При възникване на вътрешна повреда в маслонапълнен трансформатор, под въздействието на дъгата се образува голям обем газове, продукти на маслоразлагането. Резултатът е покачване на налягането в резервоара. В случай на тежка повреда защитните устройства не са в състояние да понижат ефективно налягането. Възможно следствие от ситуацията е спукване на резервоара. Ако това се случи, може да доведе до възникване на пожар, при голямо количество на маслото. Причината е контактът на горещите газове с кислорода от въздуха. Опасността от пожар е още по-голяма и поради понижената диелектрична якост, причинена от отсъствието на достатъчно масло в казана.
Количеството на газовете, генерирани от дъгата, зависи и от скоростта на изключване на защитната апаратура. При мощни трансформатори се монтира и газово реле (реле на Бухолц). В много случаи то сработва преди диференциалната защита на трансформатора, ако е изградена такава. Напрежението на дъгата слабо зависи от тока. Изменя се в зависимост от дължината на дъгата, формата на електродите, налягането и др.
Количеството на газа може да си изчисли на базата на химическата енергия на свързване между маслото и образуващите се газове, при предполагаем състав на газовете: водород (Н2 ) - 60%, ацетилен (С2Н2) - 30%, метан (СН4) - 5% и етилен (С2Н4) - 5%.

Специфики при конструирането и експлоатацията
Съществуват редица мерки, които следва да се отчетат в процеса на конструиране и експлоатация на силовите трансформатори. Сред по-важните от тях са:
Разширение на резервоара. Налягането в казана вследствие на повреда ще е толкова по-малко, колкото е по-голям коефициентът му на разширение (КР). Именно по тази причини, КР е много важен за предпазване на резервоара от спукване, особено в случай на тежка повреда, когато трудно би могло да се разчита на защитно устройство. Известно е, че по-голямата част от защитната апаратура се стреми да ограничи повредата, а не да не я допусне. За надеждността на оборудването допринасят професионално направени планови проверки. Коефициентът на разширение зависи от конструкцията и размерите на казана. В процеса на конструиране е необходимо да се вземе предвид, че увеличаването на якостта обикновено води до намаляване на разширението. Затова се изисква специално внимание, за да се запази еластичността на съда. Като ефективно се приема усилването на снадките на резервоара с помощта на допълнителни елементи, например стяги. Така здравината му би могла да надхвърли 5 кg/cm2. Коефициентът на разширение, характерен за добре конструиран казан, е 1,3. При това положение, ако защитната апаратура успее да изключи трансформатора за не повече от 60 - 80 ms при повреда в него, спукването на казана е възможно да се предотврати;
Филтриране на висшите хармоници. За да се намалят загубите в трансформаторите, е необходимо да се ограничат до минимум висшите хармоници. За целта се поставят дросели, пасивни или активни филтри, хибридни филтри, линейни дросели и др.;
Използване на възможностите, които предлага инфрачервената термография за мониторинг на състоянието на трансформатора, включително ранно откриване на възможни прегрявания на намотките му, предизвикани от хармониците.
Анализ на възможностите за използване на различни устройства, като електронен компенсатор, динамичен електронен регулатор на напрежение, увеличаване мощността на късо съединение, за да се уравновесят товарите и да се предотврати възникването на обратен двигателен момент или прегряването на асинхронните машини.
Замяна на старите трансформатори с нови високоефективни модели и намаляване на загубите на празен ход с 15 до 20%.
За специални производства, например металургията, ефективността на филтрите за висши хармоници би могла да се окаже недостатъчно задоволителна. В подобни приложения е нужен друг подход, свързан със сериозен анализ на електроснабдяването.
Осигуряване на добри възможности за пожарогасене. За момента като ефективно се приема използването на халон 1301 (CBrF3). Концентрация от 3-6% на халона във въздуха е достатъчна за предотвратяване на пожар.
Отвеждане на топлината. Наложило се практическо решение включва използването на топлината, отделена от трансформатора, за отоплителни цели.

Сред основните насоки в усъвършенстването на силовите трансформатори е намаляване на загубите
Все по-масово се използват навити и разрязани магнитопроводи от студено валцована стомана, с дебелина 0,25 mm, които са със стъклокерамично покритие, с дебелина 0,005 mm. По този начин се осъществява плавен преход от ядрото към ярема по крива, съвпадаща с направлението на магнитния поток. Работната индукция достига до 1,65 - 1,8 Т, благодарение на което се намалява размерът и теглото на трансформатора. За съжаление, вследствие на редица технологични трудности, мощностният диапазон, в който се използват все още, е доста нисък - 300 kVA. Характерно за тях е, че загубите в стоманата не надвишават 0,1% от номиналната мощност на трансформатора.
Новаторски подход в развитието на трансформаторите включва увеличаване на броя на ядрата на магнитопровода, нетрадиционно разположение на намотките, използване на транспониран проводник. Друга насока е усъвършенстване на главната, надлъжната и бариерната изолация.
Също така се работи в посока усъвършенстване на технологията на изработване на различните части от трансформатора, например на шихтованите магнитопроводи. Използването на специална програма за нарязване на пластините позволява да се получи изключително кръгло сечение на ядрата, което води до намаляване на дължината на намотъчния проводник. При традиционния подход неравномерното разпределение на магнитната индукция увеличава загубите и тока на празен ход. Необходимо е и от 5 до 10% по-голямо сечение.
Продължава и развоят в областта на производството на специална трансформаторна стомана. Инвестира се в изследване на кристалографската структура на стоманата. По отношение на топловалцованата стомана стремежът е насочен към намаляване на вредните примеси, тъй като е достигнат пределът в съдържанието на силиций 3,5 - 4,5%.
Друга, напълно логична насока в развитието на силовите трансформатори е понижаване на размерите и масата им.

Използвани материали
В началото на 1900 г. английският изследовател-металург Роберт Хедфилд провел серия експерименти за установяване влиянието на добавките към желязото върху неговите свойства. След няколкогодишен труд успял да добие тънка стоманена ламарина с повишени магнитни свойства, легирана със силиций (Si). Следващото голямо постижение в областта е в началото на 30-те години на миналия век, когато американецът Норман П. Гросс установил, че студено валцованата ламарина има различни магнитни свойства по посоката на валцоването и срещуположно на нея. В резултат на откритието, магнитното насищане е увеличено с 50%, загубите от хистирезис са четири пъти по-малки, а магнитната проницаемост се увеличава пет пъти. Известно е, че в идеалния трансформатор всички силови линии минават през намотките. В съвременните модели се използват кобалт, манган, молибден, силиций, бор, кобалт, никел, мед, хром и ниобий.
Друг използван материал - медта, дълго време се считаше за незаменим, но напоследък бе изместен от алуминия. При прехода към алуминиеви намотки се решават редица задачи от технологичен характер, например намотаване, заварка и др. Понастоящем всички новопроектирани трансформатори са с алуминиеви намотки.

Полупроводниковите материали откриват нови перспективи
Откриването през 80-те години на миналия век на полупроводниковите материали, имащи високотемпературна свръхпроводимост, даде нови перспективи пред техническото усъвършенстване на трансформаторите. Те са основно в посока създаване на модели с малки габарити и органичени загуби. Преодоляно бе главното препятствие пред практическото приложение на свръхпроводимостта, а именно използването на големи криогенни системи за получаване на течен хелий. Тези системи бяха заменени с елементарни устройства за получаване на течен азот при атмосферно налягане.
Друга техническа насока е свързана с приложението на серен хексафлуорид като изолатор. Той е известен още като елегаз и представлява неорганично химично съединение на флуора и сярата, с формула SF6. При нормални условия представлява безцветен, неотровен, незапалим газ без мирис. Серният хексафлуорид е около 5,1 пъти по-плътен от въздуха (плътност 6,13 g/L на морското равнище), но един тон SF6 натоварва атмосферата в размер, който съответства на около 23 900 тона въглероден двуокис.