Особенности конструкции трансформаторов с элегазовой изоляцией

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.311

Т. В. Лопухова, Ю. Н. Зацаринная, Р. Н. Балобанов ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ЭЛЕГАЗОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ

Ключевые слова: элегазовые трансформаторы, элегаз, система охлаждения, изоляция, конструкция.

В статье рассмотрены трансформаторы с элегазовой изоляцией и их конструкционные особенности. В заключение статье приводится вывод о преимуществах и недостатках элегазовых трансформаторов.

Keywords: gas-insulated transformers, insulating gas, cooling, insulation, construction.

The article describes the gas-insulated transformers and their design features. In conclusion, the paper presents conclusions about the advantages and disadvantages of gas-insulated transformers.

Трансформаторы с элегазовой изоляцией впервые были разработаны в США фирмой Вестин-гауз в конце 50-х годов. Силовые трансформаторы напряжением до 138 кВ и мощностью до 40 МВ - А были разработаны в 60-х годах [1]. В Европе элегазовые трансформаторы появились в середине 60-х годов. Однако дальнейшего развития ни в США, ни в Европе они не получили. В Японии первый трансформатор с элегазовой изоляцией напряжением 69 кВ и мощностью 3 МВ • А был изготовлен в 1969 г. Возрастающие требования пожаробезопасного оборудования и запрет применения негорючих изоляционных жидкостей на основе трихлордифенила в 1972 г., стимулировали развитие элегазовых трансформаторов (ЭТ). Их производство постоянно увеличивалось с началом поставок элегазовых трансформаторов напряжением 69 кВ мощностью 3 и 10 МВ-А для комплектных элегазовых подстанций в 1979 г. В 1991 г. элегазовые трансформаторы составляли свыше 8 % в общем производстве силовых трансформаторов.

Требования пожаробезопасности мощных высоковольтных подстанций, расположенных в жилых районах могут быть выполнены с установкой элегазовых трансформаторов. Такой трансформатор напряжением 275 кВ мощностью 300 МВ - А впервые был изготовлен в 1990 г.

Применение силовых трансформаторов с элегазовой изоляцией в России началось в 2012 г., компания ЗАО «ИСК «Союз-Сети» завершила работы по монтажу двух элегазовых трансформаторов 220/20 кВ мощностью по 63 МВА производства ТоБЫЬа (Япония) на строящейся подземной подстанции 220 кВ «Сколково»[2]. Работы были осуществлены под руководством представителей шеф-инженеров от фирмы ТоБЫЬа. Эти трансформаторы специально разработаны для использования на подземных энергообъектах. Ранее подобные автотрансформаторы в России не применялись.

Конструктивные особенности элегазовых трансформаторов можно описать следующим образом [3]. Система охлаждения

В таблице 1 приведены основные физические характеристики элегаза, воздуха и масла. Основным значимым для трансформатора различием элегаза,

Таблица 1- Физические свойства элегаза, воздуха и масла

Характерис- тики Элегаз Воз- дух о л сЗ S

0 кгс/см 1,2 кгс/см 0 кгс/см

Плотность, кг/см3 6,15 13,48 1,205 866

Вязкость, м3/с 0,153- 10"4 0,157- 10—4 0,188- 10"4 0,0314

Динамическая вязкость, м3/с 0,024910—4 0,0116 - 10"4 0,156- 10"4 0,363- 10—4

Тепловая проводимость, ккалДм-ч-0С 0,0115 0,0126 0,0221 0,106

Удельная теплоемкость, ккалДм-ч-0С 0,144 0,145 0,246 0,452

Число Прандт-ля 0,669 0,669 0,735 482

Диэлектрическая постоянная 1 1 1 2,3

Электрическая прочность (относительно масла) Около 1/2 Около 1 Около 1/4 1

Отношение теплоемкостей равных объёмов Около 1/440 Около 1/200 Около 1/140 1

Отношение теплопроводности для потоков с одинаковой скоростью Около 1/15 Около 1/7,5 Около 1/33 1

Горючесть негорючее горю- чее

Разлагаемость Не разлагается в присутствии кислорода Окис- ляется

воздуха и масла является теплопередающая способность на единицу объема. Например, при рабочем давлении газа 1,2 кгс/см2теплопередающая способность элегаза составляет 1 /200 от масла (плотность 1/65, удельная теплоемкость 1/3). Для обеспечения требуемого отвода тепла в элегазовых трансформаторах должна быть более совершенная система охлаждения. Например, охлаждающие каналы в обмотках должны увеличить циркуляцию газа, а изоляция провода должна быть выполнена из высокотемпературного изоляционного материала, такого как PET (полиэтилен терефталат) или PPS (полиэтилен сульфид).

Изоляция

В элегазовом трансформаторе для витковой изоляции пленочный материал является более подходящим, чем бумага по соображениям импульсной прочности. Наиболее подходящим материалом являются PET и PPS, в виде пленки, которая имеет отличные теплопередающие свойства. Что касается типа обмоток, то переплетенная обмотка применяется при напряжении 66 кВ и выше. В равномерном поле при давлении элегаза 1,2 кгс/см2 его электрическая прочность почти такая же как и трансформаторного масла. Однако пробивное напряжение газовой изоляции зависит от максимальной напряженности поля. Максимальная напряженность, которая может быть допущена в масле, недопустима в элега-зе. Поэтому изоляция в элегазовом трансформаторе требует определенного усовершенствования но сравнению с масляными трансформаторами. Чтобы уменьшить напряжение на газовых промежутках в системе газ — твердая изоляция применяются материалы с малой диэлектрической постоянной, а в некоторых случаях применяются полые дистанцирующие детали для уменьшения их диэлектрической постоянной [4].

Давление газа. Для повышения электрической прочности и улучшения охлаждения желательно высокое давление элегаза. Однако большинство трансформаторов имеют бак не простой цилиндрической формы, а иной формы, и поэтому экономически невыгодно изготавливать их рассчитанными на высокое давление. Поэтому в большинстве элега-зовых трансформаторов применяется давление 2 кгс/см2 при максимальной рабочей температуре. И все же, элегазовые трансформаторы напряжением 275 кВ имеют максимальное рабочее давление несколько выше. Это сделано для повышения электрической прочности, что дало возможность иметь трансформатор в пределах транспортных габаритов. Переключающее устройство РПН

В контакторе переключающего устройства применены вакуумные камеры во избежание попадания в элегаз продуктов горения дуги. В элегазовых трансформаторах отсутствует очистка элегаза, и его электрическая прочность может быть снижена металлическими частицами, образующимися при механическом износе контактов. Поэтому в избирателе вместо скользящих контактов применены контакты катящегося типа. Кроме того, сочленения движущихся частей имеют безмасляную структуру со специальной обработкой поверхностей. Таким

образом, в элегазовых трансформаторах применяется совершенно иное переключающее устройство, нежели в масляных трансформаторах.

В Японии многие подстанции сверхвысокого напряжения расположены в густонаселенных городских районах. Чтобы удовлетворить очень жестким требованиям, предъявляемым к трансформаторам для таких подстанций были разработаны три варианта элегазовых трансформаторов напряжением 275 кВ и мощностью 300 МВ-А, показанные на рис. 1 и в таблице 2. С увеличением мощности решить вопросы охлаждения только элегазом стало практически невозможным. Было принято охлаждение с помощью жидкости перфторуглерод (PFC) для всех трех типов трансформаторов [5].

В варианте А броневого типа поток перфто-руглерода направлен сверху обмотки вдоль катушек. Конструкция обмоток, включая изоляцию, почти такая же как в масляном трансформаторе.

9 г

а 6 в

Рис. 1 - Эскизы строения элегазовых трансформаторов большой мощности в Японии. Тип А (а): 1 — охладитель; 2 — распределитель охлаждающей жидкости; 3 — смесь элегаза и паров охлаждающей жидкости; 4 — компрессор; 5 — баллон с газом; 6 — магнитопровод; 7— обмотка; 8 — охлаждающая жидкость (PFC); 9— насос. Тип В (б): 1 — элегаз; 2 — магнитопровод; 3 — охлаждающая панель; 4 — регулятор давления; 5 — листовая обмотка; 6 — насос; 7— теплообменник; 8 — возврат охладителя; 9 — бак. Тип С (в): 1 — бак; 2— элегаз; 3— распределительная мембрана; 4— охлаждающая жидкость (PFC); 5 — охладитель; 6— обмотка; 7— изоляционный цилиндр (стенка сосуда); 8— магнитопровод; 9— насос

При смешивании элегаза и паров перфторуг-лерода вариации давления смеси с изменением температуры увеличиваются. Регулятор давления поддерживает величину давления на уровне 2 кгс/см2 во всем диапазоне температур. Форма бака почти та же, как для маслонаполненного трансформатора броневого типа.

В варианте В применены листовые обмотки из алюминия с использованием барьеров из листов PET. Обмотки охлаждаются жидкостью перфторуг-лерода, циркулирующей в панелях цилиндрической формы листовой обмотки. Жидкость перфторугле-рода полностью изолирована от элегаза. Цилиндрической формы бак рассчитан на максимальное давление 4 кгс/см2.

Таблица 2 - Элегазовые трансформаторы большой мощности в Японии

Тип А В С

С потоком охлаждающей жидкости сверху вниз

Тип Броневой Стержневой Стержне-

транс- с листовы- вой с дис-

форма- ми обмот- ковыми

тора и обмотки ками обмотка- ми

Изоля- Элегаз + Элегаз Элегаз

ция перфторуг- (4 кгс/см2). (3,52

лерод Витковая кгс/см2).

(2 кгс/см2). изоляция — Изоляция

Витковая синтетиче- обмотки

изоляция — синтетическая пленка ская пленка — PFC. Витковая изоляция — синтетическая пленка

Охлаж- Принуди- Принуди- Принуди-

дение тельная тельная тельная

циркуляция циркуляция циркуля-

жидкости жидкости ция жид-

пер- перфторуг- кости

фторугле- лерода в перфто-

рода в ох- охлади- руглерода

ладитель- тельных в изоля-

ных кана- панелях в ционном

лах между катушками обмотке отсеке

Пара- Трехфазный Трехфаз- Трехфаз-

метры 275 кВ, 300 ный, 275 ный, 275

транс- МВ-А с кВ, 300 МВ кВ, 250

форма- РПН • А, с регу- MB-А с

тора лировоч-ным трансформатором в нейтрали РПН

варианте является как изолятором, так и теплоносителем. Вся активная часть и жидкость находятся в изоляционном цилиндрическом баке. Пространство между стенками этого бака и стенками стального бака заполнено элегазом с максимальным давлением 3 кгс/см2. Сверху изоляционный бак закрыт выравнивающей давление разделительной мембраной.

В заключение можно сделать выводы о следующих преимуществах и недостатке элегазовых трансформаторов. Первым и основным преимуществом элегазовых трансформаторов является их полная пожаробезопасность. Кроме того, они имеют следующие преимущества, но сравнению с маслонаполненными трансформаторами, устанавливаемыми в закрытых помещениях и под землей:

1. Отпадает необходимость в противопожарном оборудовании и аварийной емкости для масла.

2. Отпадает необходимость в защитном ограждении (стенках) для защиты другого оборудования.

3. Охладители могут быть установлены значительно выше самого трансформатора.

4. Уменьшенный вес благодаря отсутствию масла

5. Сниженный уровень шума по сравнению с маслонаполненными трансформаторами.

Эти преимущества позволяют уменьшить размеры подстанции или помещения и снизить стоимость.

Недостатком является меньшее значение тепловой постоянной времени по сравнению с маслонаполненными трансформаторами. Поэтому допустимая длительность перегрузок меньше.

Литература

1. Аракелян В.Г. «Физическая химия элегазового электротехнического оборудования». — М.: Издательство МЭИ, 2001. — 300 с

2.

3. (http://forca.ru/stati/podstancii/transformator-s-elegazovoy-izolyaciey-toshiba.html).

4. Балобанов Р.Н., Лопухова Т.В., Зацаринная Ю.Н. Влияние времени эксплуатации элегазового оборудования на состояние изоляции/ Р.Н. Балобанов, Т.В. Лопухова, Ю.Н. Зацаринная// Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - N»16 - С. 122— 124.

5. Макаров В.Г. Выбор трансформатора в трехфазном магнито-транзисторном инверторе/ В.Г Макаров // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - №17 - С. 50-54.

В варианте С обмотки и магнитопровод залиты жидкостью перфторуглерода. Жидкость в этом

© Т. В. Лопухова - канд. пед. наук, проф. каф. электрических станций КГЭУ, lopuhovatv@mail.ru; Ю. Н. Зацаринная — канд. тех. наук, доц. той же кафедры, доц. каф. автоматизированных систем сбора и обработки информации КНИТУ, zac_jul@mail.ru; Р. Н. Балобанов - магистрант КГЭУ.