Современное состояние, тенденции развития трансформаторостроения

В электрических сетях России эксплуатируются трансформаторы напряжением от 6 до 1150 кВ и номинальной мощностью от 5 кВ · А до 1200 MB · А; общая мощность установленных силовых трансформаторов к 2007 г. составила более 580 ГВ · А. Основная часть силовых трансформаторов имеет маслобумажную изоляцию с естественной или направленной циркуляцией масла. В пожароопасных зонах используются трансформаторы с сухой (полимерной) изоляцией и воздушным охлаждением, а также с элегазовой изоляцией. В последнее время разработаны трансформаторы с обмотками кабельного типа, имеющие полиэтиленовую изоляцию. Большие мощности трансформаторов и их выполнение на сверхвысокие напряжения определяют значительные напряженности электрического и магнитного полей при использовании активных материалов, а также значительные механические воздействия при коротких замыканиях в сети. Поэтому при эксплуатации трансформаторного оборудования необходимыми являются жесткий контроль за тепловым режимом работы (для предупреждения износа изоляции вследствие старения при повышенных нагревах), периодическая подпрессовка обмоток, тщательная защита масла от увлажнения.

Направления совершенствования силовых трансформаторов характеризуются изменением ряда технических показателей и совершенствованием элементов конструкции.

Одна из существенных задач — уменьшение потерь энергии в трансформаторах, т.е. потерь холостого хода и короткого замыкания.

Уменьшение потерь холостого хода (магнитных потерь) может быть достигнуто при использовании холоднокатаной электротехнической стали с содержанием кремния 3 % и выше, имеющей изотропию магнитных свойств (т.е. одинаковые свойства независимо от направления проката) и сниженные удельные потери при толщине листа 0,23; 0,18 и 0,15 мм.

Сокращение расхода изоляционных материалов, трансформаторного масла, массы обмоток и металла, используемого на изготовление баков и систем охлаждения трансформаторов, может быть достигнуто уменьшением изоляционных расстояний на основе новых технологий и применения новых средств защиты от перенапряжений. Значительный эффект для экономии конструктивных материалов дает применение форсированного охлаждения с направленной циркуляцией масла в каналах обмоток и эффективных охладителях.

Для обеспечения экономичной работы сетей и надлежащего качества энергии, отпускаемой потребителям, т.е. для поддержания постоянства напряжения, возникает необходимость в расширении выпуска трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН).

Разработанные в трансформаторостроении методы исследования поля рассеяния трансформаторов и создание точных методов анализа распределения поля рассеяния и вызываемых ими электродинамических сил, действующих на обмотки при коротком замыкании, позволяют обеспечить электродинамическую стойкость и надежность силовых трансформаторов мощностью 250—1000 MB · А и более.

Исследование поля рассеяния трансформаторов имеет целью также обеспечить определенную организацию и локализацию этого поля за счет рационального размещения обмоток и применения магнитных экранов, что позволяет существенно уменьшить добавочные потери в обмотках и конструктивных деталях трансформатора — стенках бака, прессованных деталях обмоток и остова.

Создание программ расчета электрического поля обмоток позволяет разрабатывать конструкцию изоляции обмоток трансформаторов напряжением 35—1150 кВ с учетом воздействия импульсных перенапряжений, не обращаясь к достаточно дорогим методам исследования натуральных моделей.

В будущем потребуется разработка и выпуск трансформаторного оборудования повышенной надежности на базе самых современных техноло­гий - блочные трансформаторы мощностью 1000 MB -А для ТЭС и до 1500 MB • А для АЭС. Потребуются сетевые автотрансформаторы мощно­стью до 3000 MB • А в группе, трансформаторы с надежными устройствами РПН, допускающими многократные переключения в течение суток, фазоповоротные трансформаторы с проходной мощностью до 3000 MB • А.

Большие перспективы имеются у трансформаторов, обмотки которых выполняются по кабельному типу. Пучок многожильного провода (мед­ный или алюминиевый) заключен у них в тонкий слой полупроводящего материала. Наружная оболочка — экран заземляется на каждом витке вдоль обмотки. 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 трансформаторов. Это позволяет приме­нять их в зонах с большой плотностью населения, в подземных установ­ках, в экологически охраняемых регионах. Для таких трансформаторов не нужны вводы высокого напряжения, просто кабели протягиваются к рас­пределительному устройству на любую длину.

Реакторы

В качестве источников реактивной мощности в электрических сетях используются реакторы. В простейшем виде реактор — это катушка индуктивности, потребляющая реактивный ток индуктивного характера.

Однофазные заземляющие реакторы служат для компенсации токов замыкания линий электропередач на землю. Токи замыкания имеют емко­стный характер, поэтому реактор, обладающий индуктивностью, компен­сирует емкостный ток. Реакторы такого рода называют шунтирующими. Реакторы также служат для ограничения токов короткого замыкания, что дает возможность ограничить ток отключения линейных выключателей и обеспечить термостойкость отходящих кабелей. Такие реакторы называ­ются токоограничивающими.

Управление реакторами может осуществляться выключателями или тиристорными ключами. В случае выполнения реакторов на стальных сердечниках подобно трансформаторам регулирование их индуктивного сопротивления может осуществляться подмагничиванием постоянным током.

В России разработана серия управляемых шунтирующих реакторов для электрических сетей 35—500 кВ. Они представляют собой уникаль­ный комплекс стабилизации напряжения, снижения потерь и повышения надежности линий электропередачи и распределительных сетей.

Контрольные вопросы:

1. Объясните назначение главных элементов трансформатора.

2. На каком физическом явлении основано действие трансформатора? Что такое коэф­фициент трансформации?

3. Назовите варианты схем соединений трансформатора.

4. Объясните понятия групп трансформатора.

5. В чем преимущества и недостатки автотрансформаторов?

6. Опишите конструкцию трансформатора.

7. Объясните природу волновых явлений в трансформаторе.

8. Каковы виды потерь мощности в трансформаторе? Что такое КПД трансформатора?

9. Назовите главные способы охлаждения трансформатора.

10. Каково назначение и конструкции трансформаторов тока и напряжения?

11. Объясните назначение и виды реакторов.

Литература для самостоятельного изучения

8.1. Сергеенков Б.Н., Киселев В.М., Акимова Н.А. Электрические машины. Трансфор­маторы: учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1989.

8.2. Электротехнический справочник. Т.2. Электротехнические изделия и устройства. М.: Издательство МЭИ, 2003.

8.3. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Т. 1,2: учебник для вузов. М.: Издательство МЭИ, 2004.

8.4. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы: Сб. статей / под ред. A.M. Брянцева. М.: Знак, 2004.

Глава девятая