Способы повышения энергоэффективности силовых трансформаторов

наблюдение за кинетикой выделения водорода из диэлектрической жидкости. По сравнению с хроматографическим методом анализа данный метод позволяет контролировать дорогостоящее электрооборудование в реальном масштабе времени и с более высокой точностью.

Литература

1. Аракелян В.Г., Дарьян Л.А., Лоханин А.К. Разложение изоляционных жидкостей под действием частичных разрядов, тепла и ультразвукового поля // Электричество. 1988. № 5. С. 33-38.

2. Аракелян В.Г. Газовая хроматография в диагностике высоковольтного оборудования // Электротехника. 1994. № 2. С. 8-17.

3. Михеев Ген.М., Малеев Д.И., МахневЕ.С., Могилева Т.Н. Анализ водорода в металлах и сплавах методом спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света // Журнал прикладной спектроскопии. 1994. Т. 60, № 1-2. С. 11-18.

4. РД 34.43.105-89. Методические указания по эксплуатации трансформаторных масел. М.: СПО ОРГРЭС, 1995. 86 с.

5. Михеев Ген.М., Малеев Д.И., Могилева Т.Н. Эффективный одночастотный ИАГ:К(!+3-лазер с пассивной модуляцией добротности и поляризационным выводом излучения // Квантовая электроника. 1992. Т. 19, № 1. С. 45-47.

6. Измерение количества свободного и связанного водорода в аморфном углероде / О.И. Коньков, И.Н. Капитонов, И.Н. Трапезникова и др. // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23, № 1. С. 3-8.

7. Макарова Т.В., Губернаторова Е.А. Акустика и ультразвуковая техника // Тэхника. 1991. № 26. С. 15-19.

8. Михеев Ген.М., Михеев Г.М. Применение метода лазерной спектроскопии для анализа водорода, образующегося при электрическом пробое трансформаторного масла // Электричество. 1996. № 7. С. 33-36.

МИХЕЕВ ГЕОРГИЙ МИХАЙЛОВИЧ. См. с. 207.

УДК 621.314.222.6:620.9 ББК З261.8

Г.М. МИХЕЕВ, Л.Г. ЕФРЕМОВ, Д.Е. ИВАНОВ

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Ключевые слова: силовые трансформаторы, повышение эффективности, снижение потерь, магнитопровод.

Приведены основные эволюционные изменения в конструкции силовых трансформаторов. Рассмотрены проблемы и необходимость замены изношенного парка силовых трансформаторов, представлены возможные пути изменения их конструкции, позволяющие уменьшить потери.

G.M. MIKHEEV, L.G. EFREMOV, D.E. IVANOV THE METHODS OF IMPROVEMENT OF THE POWER TRANSFORMERS ENERGY PERFORMANCE EFFECTIVENESS Key words: power transformers, effectiveness improvement, loss reduction, magnetic core.

The article presents main evolution changes in the design of power transformers. Problems and the necessity of the replacement of shopworn park of power transformers, possible methods of improvement of the power transformers design allowing reducing loss are considered.

Окружающая нас техника стремительно видоизменяется. Технический прогресс предоставляет возможности и требует применения более совершенных устройств, эффективных и способных адаптироваться к новым условиям работы. В то же время все эти новые устройства быстро устаревают. Всё это в полной мере относится и к силовым трансформаторам.

Однако в настоящее время необходимость замены существующих трансформаторов становится все более острой проблемой. Одной из основных причин является их изношенность. По некоторым данным, сегодня в России 60% силовых трансформаторов работают с просроченным сроком эксплуатации. Другая основная причина необходимости их замены заключается в том, что они уже не удовлетворяют требованиям сегодняшнего дня по причине того, что их эксплуатация связана с большими потерями. Но сегодня уже существуют технические и технологические решения для того, чтобы устранить этот недостаток.

Рассмотрим основные эволюционные пути развития силовых трансформаторов, начиная со дня их применения в электроэнергетике в масштабе не отдельно взятого государства, а мира в целом.

Первые трансформаторы в мире появились в 1885 г. 80-е гг. XIX в. вошли в историю электротехники под названием «трансформаторных битв». Тонкие пластины из листовой стали, из которых состояли сердечники первых трансформаторов, характеризовались значительными потерями на гистерезис. Впоследствии потери постепенно стали снижаться (за счёт тщательного подбора стали, поставляемой различными производителями) и к 1900 г. были уменьшены вдвое. Возникла также проблема, связанная со старением материала: чем дольше эксплуатировался трансформатор, тем выше становились потери на гистерезис.

В начале 1900-х гг. английский исследователь-металлург Р.А. Хедфилд провёл серию экспериментов с целью установить, каким образом добавки других элементов влияют на свойства железа. В ряде публикаций Хедфилд и его коллеги указывали на перспективность использования кремнистой стали в качестве материала для сердечников. При добавлении кремния потери на гистерезис в железе уменьшались, магнитная проницаемость повышалась, эффект старения практически полностью исчезал, а электрическое сопротивление металла возрастало. Однако производство кремнистой стали натолкнулось на трудности, и прошло несколько лет, прежде чем компания Хедфилда поставила заказчикам свою первую тонну трансформаторной стали [3].

Следующий скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 1930-х гг., когда американский металлург Н.П. Госс, сотрудник компании Cold Metall Ргoсess Company, установил, что при комбинированном воздействии проката и нагревания у кремнистой стали появлялись незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки. Эффект, физической сущности которого Госс тогда не понимал, заключался в том, что благодаря такой обработке главные оси частиц железа выстраивались в одном направлении, что приводило к коллективному магнитному взаимодействию. Если сердечник, изготовленный из такого материала, был соответствующим образом ориентирован в трансформаторе, магнитное насыщение увеличивалось на 50%, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.

Процесс воплощения этого открытия в технологии производства листовой стали достаточно высокого качества оказался сложным и длительным. Корпорация Wes-tinghouse Electric Corporation и металлургическая компания Rolling Mill Company объединили свои усилия в попытках создания необходимой технологии. Над этой же проблемой начали работать фирмы Geпeгal Electric и металлургическая фирма Allegheny Ludlum Stee1 Company. Обмен лицензиями между этими двумя группами позволял им воспользоваться успехами, достигнутыми на каждой из фирм.

Поскольку теперь металл нужно было специальным образом ориентировать в сердечнике, технологию производства сердечников также потребовалось изменить. Уже нельзя было просто штамповать Ш-образные пластины из сплошных стальных листов. Чтобы добиться оптимальных характеристик, нужно было вырезать каждую ножку Ш отдельно. До 1941 г. открытие Госса не нашло широкого применения в производстве, но в последующий период оно сыграло важную роль в дальнейшем усовершенствовании трансформаторов [3].

Для магнитных систем трансформаторов в настоящее время применяют холоднокатаную рулонную сталь марок 3404, 3405, 3406 и др. (ГОСТ 21427.0-75) Эти ста-

ли обладают высокой магнитной индукцией и низкими удельными потерями. Например, для стали 3406 толщиной 0,28 мм допустимая индукция 1,7 Тл (горячекатаная -1,45 Тл); при намагничивании её вдоль проката и индукции 1,6-1,65 Тл (частоте 50 Гц) удельные потери этой стали составляют 1,25-1,3 Вт/кг, а при намагничивании под углом 90° к направлению проката - почти в 3 раза больше.

Эффективность работы силового трансформатора зависит также от систем электрической изоляции и охлаждения. Функции этих двух составляющих тесно взаимосвязаны, поскольку энергия, выделяемая в виде тепла в сердечнике и проводниках, влияет на долговечность изоляции. В то время как сама изоляция - будь она твёрдая, жидкая или газообразная - служит также для того, чтобы отводить определённое количество тепла. Температура жидкой изоляции внутри трансформатора, обычно близка к точке кипения воды. В таких условиях ухудшение свойств изоляционного материала может ограничивать долговечность трансформатора.

Конструкция силовых трансформаторов, как масляных, так и сухих, уже более многих десятилетий является практически неизменной: магнитопровод, обмотки, бак (для масляных трансформаторов). На рисунке представлена упрощенная, но в то же время наглядная схема устройства современного силового трансформатора.

Высоковольтные вводы

Основные элементы силового трансформатора с РПН погружного типа (например, РС-4, РНОА, ББУ, БЛУ, БОУ): 1-9 - ответвления регулировочной обмотки ВН; 10 - предохранительный клапан; 11 - магнитопровод; 12 - переключатель; 13 - контактор; 14 - поворотный редуктор; 15 - горизонтальный карданный вал; 16 - угловой редуктор;

17 - вертикальный вал; 18 - датчик положения; 19 - нониусная муфта;

20 - датчик температуры; 21 - привод РПН; 22 - бак трансформатора;

23- встроенные трансформаторы тока; 24 - расширитель; 25 - термосифонный фильтр;

26 - газовое реле бака трансформатора; 27 - указатель уровня масла;

28 - газовое реле РПН;Шосн, Шрег - соответственно, основная и регулировочная обмотки ВН,

- обмотка НН

Изменения, происшедшие в последние годы в силовых трансформаторах, обычно не глобальные, а эволюционные. Действительно, на смену маркам горячекатаной электротехнической стали пришли холоднокатаные. Вместо меди для обмоток стали часто использовать алюминий, способ шихтовки магнитопровода с «прямого стыка» изменился на «косой стык». Толстостенный бак с расширительным бачком уступает место герметичному тонкостенному гофробаку и т.д. Для определения состояния мощных силовых трансформаторов на них начали устанавливать устройства мониторинга, такие, как, например, хроматографы, всевозможные датчики давления и температуры и т.д.

Но сегодня энергоэффективность коммерческого или личного хозяйства - уже не благое пожелание. Потери энергии - это потерянные финансовые средства. Сокращение потерь энергии, наоборот, - это тренд, ведущий к росту, расцвету и благосостоянию предприятия. Сокращения потерь электроэнергии в большей степени можно добиться за счет изменений в конструкции трансформатора и материалов, в нём используемых.

Возможными способами повышения энергоэффективности силового трансформатора являются: оптимальный коэффициент нагрузки (отношение потребляемой мощности к номинальной мощности трансформатора); увеличение коэффициента мощности (соотношение активной и реактивной мощности потребителя); уменьшение мощности потерь холостого хода (мощность потерь в магнитопроводе трансформатора); уменьшение мощности потерь короткого замыкания (мощность потерь в обмотках трансформатора).

Оптимальный коэффициент нагрузки - отсутствие колебаний напряжений в сети, как в первичной, так и во вторичной. Высокий коэффициент мощности - это компенсация реактивной мощности.

Чтобы скомпенсировать колебания напряжения, необходимо переключаться с одного ответвления первичной обмотки на другое, с отличающимся числом витков. Сегодня эта процедура выполняется с помощью так называемых переключающих устройств, именуемых регуляторами напряжения под нагрузкой (РПН), работающих как программно-механические коммутаторы. Чтобы не произошёл быстрый износ контактов в подобных устройствах, переключение ответвления обмотки с одного положения на другое должно длиться не более одной секунды, а длительность работы контактов контактора ещё меньше - около 40 мс. В зависимости от класса напряжения и мощности на силовых трансформаторах энергосистемы России и на промышленных предприятиях в настоящее время используются такие РПН, как РС (производства Болгарии), РНОА (производства Украины), ББУ, 8АУ, БС¥ (производства Германии), РНТА (производства России) и т.д.

Как показывает статистика, 30% повреждений силовых трансформаторов происходит именно из-за отказа РПН. Данную проблему может решить отказом от электромеханических переключателей и переходом к твёрдотельным, использующим свойства полупроводникового перехода. Надёжность таких переключателей гораздо выше. Однако управлять ими существенно сложнее. Но и это вполне достижимо. Реализация проекта повысит качество электрической энергии, что означает не только стабильность напряжения, но и более надёжную топологию электроэнергетической сети.

Уменьшение мощности потерь холостого хода связано с изменением конструкции и материала магнитопровода. Наиболее перспективный путь снижения затрат на производство и эксплуатацию силовых распределительных трансформаторов - применение маг-нитопроводов из аморфных (нанокристаллических) сплавов (АС). В этом случае обеспечивается более чем пятикратное снижение потерь холостого хода трансформаторов по сравнению с магнитопроводами из холоднокатаной электротехнической стали [4].

Сегодня силовые распределительные трансформаторы с сердечником из аморфной стали серийно выпускаются в США, Канаде, Японии, Индии, Словакии. Всего в мире уже изготовлено 60-70 тыс. ед. трансформаторов мощностью 25-100 кВ-А, примерно 1000 ед. прошли успешные многолетние испытания в различных энергосистемах. Наибольших успехов добились США и Япония. Японская фирма «НШсЫ» в со-

трудничестве с американской «Allied Signal» выпустила группу силовых трансформаторов мощностью от 500 до 1 тыс. кВ-А. Сердечники этих трансформаторов изготовлены из аморфного сплава. Испытания показали, что потери энергии в сердечнике таких трансформаторов на 80% меньше по сравнению с таковыми в стальных аналогах [4].

Недостатком сердечников из аморфных материалов является их более высокая стоимость по сравнению с традиционными материалами. У японской фирмы эта разница достигает 15-20% [4].

Компания «Allied Signal» производит аморфный сплав для трансформаторов на заводе в г. Конуэй (США). Его цена не превышает стоимости кремнистой стали -2-2,5 долл./кг. Тем не менее, руководство фирмы утверждает, что производство таких сердечников обходится дороже из-за большего потребления металла и несовершенства технологического процесса. Еще одной проблемой является усложнение процесса изготовления сердечника по мере увеличения его размеров. Японской фирме с этой целью пришлось освоить специальную технологию. «Allied Signal» имеет два завода по выпуску сердечников из аморфных сплавов: один в Индии (с 1993 г.) и другой в КНР (в г. Шанхай с 1996 г.). Годовая мощность последнего составляет 450 т, в ближайшее время предполагается её увеличение в три раза. Фирмы-партнёры рассчитывают на сбыт силовых трансформаторов с сердечником из аморфных металлов на рынках стран, где стоимость электроэнергии значительно выше по сравнению с таковой в других странах [4].

Особенности АС потребовали изменения конструкции магнитопровода. В связи с малой толщиной аморфный материал наиболее пригоден для витой конструкции магни-топровода, т.е. для трансформаторов I-II габарита (до 1000 кВ-А). К условно витой конструкции магнитопровода можно отнести технологию производства магнитопроводов UNICORE, разработанную и запатентованную австралийской компанией A.E.M. Cores.

Технология UNICORE является очень гибкой, высокоточной и надежной. Одним из основных её преимуществ является получение минимальных потерь в сердечнике. Магнитный поток не преодолевает препятствие в виде воздушного зазора, а минует его, используя соседние несущие ленты (дорожки), которые, в свою очередь, таких препятствий в этом месте не имеют.

Другим важным путём уменьшения потерь холостого хода является соблюдения режима загрузки трансформаторов. Не секрет, что в этом направлении на предприятиях энергосистем мало что изменилось, хотя эту тему будут обсуждать ещё долго.

Уменьшение мощности потерь короткого замыкания (потери в обмотках) - это инновации в конструкции обмоток силового трансформатора. В этой области наиболее интересны два направления.

Первое связано с использованием высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) материалов. Отметим следующие преимущества трансформаторов с обмотками из ВТСП-материалов [1, 2]: 1) снижение нагрузочных потерь при номинальном токе почти в два раза, что значительно увеличивает КПД трансформатора; 2) уменьшение массы и габаритов трансформатора до 40%, что, в свою очередь, позволяет применять такие трансформаторы в уже существующих подстанциях без их конструкционных изменений со значительным увеличением мощности; 3) свойство ограничения токов короткого замыкания, что в аварийных режимах защищает электрооборудование сети; 4) значительное уменьшение реактивного сопротивления, что позволяет обеспечить стабилизацию напряжения, не прибегая к его регулированию; 5) большая перегрузочная способность без повреждения изоляции и старения трансформатора; 6) уменьшение уровня шума; 7) пожаробезопасность; 8) экологичность; 9) увеличение срока службы; 10) облегчение транспортировки.

Второе направление уменьшения мощности потерь короткого замыкания - это новый тип трансформатора DryFormer (фирма АВВ Tranformatoren), обмотки которого выполняются из специального кабеля. Этот кабель имеет многопроволочную медную или алюминиевую токопроводящую жилу, поверх которой наложен тонкий слой полупрово-дящего материала, что позволяет устранить неравномерность электрического поля, вы-

званного многопроволочностью жилы. Изоляция такой жилы изготавливается из полиэтилена, её толщина выбирается из соображений электрической прочности (практически достижим уровень напряжения 220 кВ). Поверх изоляции наложен экран, выполненный также из полупроводящего материала, который заземляется, что обеспечивает рациональное распределение электрического поля. Отсутствие масла, снижение более чем вдвое доли горючих материалов по сравнению с обычным трансформатором устраняют риск пожара, взрыва, загрязнения воды и почвы в случае повреждения трансформатора. Это позволяет применять такие аппараты в зонах с большой плотностью населения, в подземных установках, в экологически охраняемых регионах. Для такого трансформатора не нужны вводы высокого напряжения, так как кабель, из которого выполнена обмотка, протягивается к распределительному устройству на любую длину.

Перечисленные выше направления совершенствования конструкции силовых трансформаторов в энергоэффективном тренде в России пока не нашли воплощения в серийно выпускаемых моделях. И дело здесь не только в затратах на исследования, производство и многоплановые испытания опытных образцов. Одной из причин является отсутствие экономических стимулов производителя и покупателя.

Силовые распределительные трансформаторы мощностью 25-630 кВ-А напряжением 6-10 кВ - самая массовая серия производимых и эксплуатируемых силовых трансформаторов как в нашей стране, так и за рубежом. Общее количество распределительных трансформаторов, находящихся в эксплуатации, в России составляет более чем 4 млн ед.

Ежегодное потребление электроэнергии в России находится на уровне 9001000 млрд кВт-ч, при этом общие потери электроэнергии в распределительных трансформаторах оцениваются в 7,5 млрд кВт-ч и примерно 50% - это потери в маг-нитопроводах трансформаторов [4].

Ежегодные затраты на обслуживание одного распределительного трансформатора с магнитопроводом из холоднокатаной электротехнической стали составляют примерно 8% от его первоначальной стоимости.

Наиболее перспективный путь снижения затрат на производство и эксплуатацию силовых распределительных трансформаторов - это применение магнитопрово-дов из аморфных (нанокристаллических) сплавов, при этом обеспечивается более чем пятикратное снижение потерь холостого хода трансформаторов по сравнению с традиционными магнитопроводами из электротехнической стали.

Выводы. 1. Для создания эффективных силовых трансформаторов необходимо использование высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) материалов.

2. Для уменьшения потерь короткого замыкания необходимо применять обмотки из специального кабеля.

Литература

1. ВТСП трансформатор [Электронный ресурс] // ОАО «Русский сверхпроводник»: сайт. URL: http://russuperconductor.ru/produkciya/prototipy-vtsp-izdeliy-1/transformator.

2. Елагин П. Высокотемпературные сверхпроводниковые трансформаторы. Новое поколение подстанционного оборудования [Электронный ресурс] // Новости электротехники. 2005. № 1(31). URL: http://www.news.elteh.ru/arh/2005/31/04.php.

3. КолтменДж.У. Трансформатор // В мире науки. 1988. № 3. С. 68-76.

4. Савинцев Ю.М. Анализ состояния производства в РФ силовых масляных трансформаторов I-III габаритов // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2012. № 1. С. 43-53.

МИХЕЕВ ГЕОРГИЙ МИХАЙЛОВИЧ. См. с. 207.

ЕФРЕМОВ ЛЕОНИД ГЕОРГИЕВИЧ - доктор экономических наук, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (efremov1@chuvsu.ru).

EFREMOV LEONID GEORGIEVICH - doctor of economics sciences, professor of Electric Power Industry Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

ИВАНОВ ДЕНИС ЕВГЕНЬЕВИЧ - инженер-технолог, ООО «КомплектЭнерго», Россия, Чебоксары.

IVANOV DENIS EVGENEVICH - engineer-technologist of LLC «KomplectEnergo», Russia, Cheboksary.

УДК 621.314.222.6 ББК 3261.883

Г.М. МИХЕЕВ, Х.У. КАЛАНДАРОВ

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ И АЛГОРИТМ РАБОТЫ РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ ПОД НАГРУЗКОЙ СЕРИИ РС

Ключевые слова: переключающее устройство, диагностирование, регулятор напряжения под нагрузкой, алгоритм, контактная система, постоянная времени, осциллографирование.

Рассмотрено диагностирование напряжения под нагрузкой силовых трансформаторов без вскрытия бака контактора и слива из него трансформаторного масла. Приведён алгоритм автоматизированного определения работоспособности РПН типа РС.

G.M. MIKHEEV, KhU. KALANDAROV TAP ON-LOAD SERIES «PC» DIAGNOSTICS AND IT’S WORKING ALGORITHM

Key words: tap-changer, diagnostics, tap on-load, algorithm, contact system, reaction time, oscillography.

The voltage diagnostics of power transformers on-load without opening the contactor’s tank and discharging the transformer oil is considered. The algorithm of automated performance measurement the tap on-load of series «РС».

Известно применение переключающих устройств (ПУ) для регулирования напряжения на шинах подстанций. Широкое применение нашли схемы со ступенчатым регулированием напряжения с помощью ПУ силовых трансформаторах (СТ). Простейшая схема регулирования напряжения предусматривает изменение напряжения трансформатора путём изменения числа витков одной из обмоток при помощи специального регулирующего устройства. Различают два вида устройства: переключения при полностью отключённом трансформаторе типа ПБВ и регулятор напряжения под нагрузкой (РПН). В первом случае схема позволяет решить вопрос регулирования напряжения наиболее просто, так как имеется лишь избиратель, и в этом её достоинство. Но в этом случае не выполняется требование бесперебойного электроснабжения потребителя, что является существенным недостатком схемы.

Одна из наиболее распространённых схем трансформатора с РПН - это трансформатор со встроенным регулированием напряжения. Такой СТ имеет регулировочные ответвления, переключаемые под нагрузкой с помощью специальных аппаратов. На выводах такого трансформатора непосредственно получается отрегулированное напряжение.

В системе энергетики самое большое распространение получили ПУ с токоограничивающими резисторами (ТР) серии РС. Количество подобных РПН превалирует над ПУ реакторного типа, которые имеют существенный недостаток - громоздкость.

Устройство РПН серии РС применяется для регулирования напряжения под нагрузкой в СТ напряжением до 220 кВ мощностью до 100 МВ-А [2].

Основными элементами ПУ являются механизм переключения, состоящий из контактора, избирателя и предызбирателя, и приводной механизм. Наличие ТР в РПН серии РС, рассчитанных на кратковременную работу, мощных аккумулирующих пружин, большие скорости подвижных частей и связанные с этим механические удары заставляют предъявлять весьма жёсткие требования к надёжности конструкции, качеству материалов и точности изготовления.

У ПУ реакторного типа для проверки последовательности действий контактов снимается круговая диаграмма, у быстродействующих устройств типа РС осцилло-