Силови трансформатори СрН/НН

Специфики в конструкцията и експлоатацията на трансформаторите

Както е известно, трансформаторите са статични устройства, предназначени да преобразуват едно напрежение в друго в системите за променлив ток, чрез електромагнитна индукция, при неизменна честота и без съществени загуби. Експлоатационният им живот може да достигне 25-30 години при оптимална поддръжка и нормално натоварване. Сред останалите им предимства са елементарната конструкция, високият КПД и отсъствието на подвижни части.
В настоящата публикация ще ви запознаем с основните технически характеристики на силовите трансформатори средно и ниско напрежение и новаторските подходи при конструирането им.

Номинална мощност и напрежение
Номиналната мощност на трансформатора се дефинира като възможната продължителна мощност, която той може да отдаде, без да се превиши температурата му за съответния топлинен клас. Номиналната мощност се пресмята по зависимостта:
Pгаб=(P1 + P2)/2=(U1I1 + U2I2)/2,
където индексите означават 1 - първична намотка, а 2 - вторична намотка.
Номиналните напрежения на електроразпределителната мрежа съответстват на БДС IEC 60038. Известно е, че за мрежа ниско напрежение стойностите са - 230/400 V; а за мрежа средно напрежение - 6,3; 10,5 и 21 kV. Най-високите напрежения на съоръженията в мрежа средно напрежение са съответно - 7,2; 12 и 24 kV.
Съгласно БДС HD 472 S1:1989:2004/A1:2004, номиналните напрежения на силовите трансформатори СрН/НН са:
n За високата страна - най-разпространените стойности са 6, 10, 20 кV. Обикновено имат превключване ±5% или 4х± 2,5%. Много рядко се използва и 3 кV.
n За ниската страна - 127/220 V, 220/380 V. Най-разпространената стойност е 380/660 V.
Определянето на съответни регулаторни стъпала на трансформаторите СрН/НН в трансформаторните постове се извършва от районните подразделения на разпределителното предприятие, съгласувано с оператора на електроразпределителната мрежа.

Измерване на КПД на трансформаторите
Коефициентът на полезно действие h е равен на отношението на мощността, подадена на входа на трансформатора към мощността, получена на изхода му. Това се вижда и от заместващата схема (фиг. 1) h =Р2/Р1. При номинални стойности на токовете и напреженията и cosj>0.8, получената стойност е много висока и превишава 99%. Именно затова не се използва за пряко определяне на КПД. Да се измерят входната и изходната мощности с висока точност е много трудно. По тази причина се използват косвени методи, при които се работи с DР = Р1 - Р2. Следователно h = Р2/( Р2+ DP).
От всички загуби постоянни са само тези в магнитопровода. Те се дължат на хистирезис, вихрови токове и разсейване. Променливи са загубите в намотките и те се описват с уравнението rk(I2`)2 = k23 rk(I2` ном)2 = k23Pkном, където k3 = I2/I2ном. е коефициент на натоварване на трансформатора, а Ркном. са загубите в намотката при номинален ток. Максимумът на КПД при максимален товар се получава при равенство на загубите в намотката и магнитопровода. При произволен товар е възможно да се пресметне по зависимостта h=U2I2k3cosj2/(U2I2k3cosj2+Pxx+ k32Pkz), където Pxx и Pkz са загубите при празен ход и късо съединение.

Връзка между температурата и живота на изолацията
Известно е, че греенето е неизбежен процес, съпровождащ работата на електрическите машини. Дължи се на топлинното действие на тока и на вихровите токове, индуцирани в магнитните системи на електрическите машини. Счита се за нормално една машина да грее само в допустимите граници, изчислени от конструкторите, потвърдени от практиката и регламентирани от съответните стандартизационни документи.
Особено уязвима при недопустимо греене е изолацията на намотките. Установено е, че повишаване на работната температура с 8 °С над допустимата, за съответния топлинен клас, съкращава срока на работа приблизително два пъти. Някои автори посочват т.нар. 6-градусово правило като показател за топлинно износване на изолацията. Според него в диапазона от 80 до 140 °С степента на износване на изолацията се удвоява на всяко повишение с 6 °С.
Съществуват различни възможности за температурен контрол посредством измерване на температурата на маслото с живачни, мембранни и други видове термометри, но те не са подходящи за трансформатори в режим на експлоатация. Водещи фирми в производството им използват устройства, вградени в трансформаторите. Прилагат се специални топлинни модели, които имитират термичното състояние на намотката в реални условия на работа, както и термосонди (лимборометри), които измерват температурата на маслото, засмуквано от канал непосредствено до намотката. Използват се и предаватели на температура, монтирани в самата намотка и предаващи чрез определен канал данни за температурното състояние.

Допустими нива на генерирания шум
Генерираният от трансформатора шум се дължи на електромагнитните сили, възникващи от полетата на магнитна утечка на навивките. Източници на този шум са: вибрациите на стените на резервоара, магнитните екрани и самите навивки. Той се дефинира като допълнителен шум, излъчван от трансформатора в сравнение с шумовите нива, характерни за ненатоварено състояние. Шумът е пропорционален на квадрата на тока. В добре проектиран и произведен в заводски условия силов трансформатор отсъстват резонансни колебания на елементите при честота 100 Hz (основната честота на принудителните колебания, свързани с електродинамичните процеси).
Трансформаторът може да се разглежда като пространствена система с разпределени параметри, в която главни колебателни подсистеми са магнитопроводът, както и намотките високо и ниско напрежение, имащи собствени механични резонансни честоти. Допустимото ниво на колебания не се регламентира. Единствено ограничаващо условие е допустимото ниво на шум. Следва да се има предвид, че вибрацията, явяваща се постоянно действащ фактор, води до отслабване на закрепването на магнитопровода, намотките, както и претриване на изолацията и в крайна сметка повреждане на трансформатора. Късите съединения на електропроводите представляват допълнителни върхови натоварвания, ускоряващи процеса на стареенето и повреждането му. В ролята на външни средства за намаляване на шума от трансформатори се използват: звукопоглъщащи стени (панели); двуслойни леки панели и тухлени или бетонни стени.

Коефициент на разширение на резервоара
Коефициентът на разширение 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. Налягането в резервоара вследствие на повреда ще е толкова по-малко, колкото по-голям е коефициентът му на разширение (КР). 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 резервоара. 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 резервоар, 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 резервоара е възможно да се предотврати.

Филтриране на висшите хармоници
Сред мерките, които следва да се отчетат в процеса на конструиране и експлоатация на силовите трансформатори са и филтрирането на висшите хармоници, осигуряването на добри възможности за пожарогасене и отвеждане на топлината и други. 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.
Използват се и възможностите, които предлага инфрачервената термография за мониторинг на състоянието на трансформатора, включително ранно откриване на възможни прегрявания на намотките му, предизвикани от хармоници. По отношение осигуряването 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. Наложило се практическо решение за отвеждане на топлината, отделена от трансформатора е използването й за отоплителни цели.

Намаляване на загубите
Сред основните насоки в усъвършенстването на конструкцията на силовите трансформатори е намаляването 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, което има 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 все още се използват трансформаторите, е доста нисък - 300 kVA. Характерно за тях е, че загубите в стоманата не надвишават 0,1% от номиналната мощност на трансформатора.

Новаторски подходи в конструкцията
Технологичното развитие на трансформаторите включва различни подходи, сред които увеличаване на броя на ядрата на магнитопровода, нетрадиционно разположение на намотките и използване на транспониран проводник. Друга насока е усъвършенстването на главната, надлъжната и бариерната изолация.
Също така се работи в посока усъвършенстване на технологията на изработване на различните части на 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. 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.

Полупроводниковите материали
Откриването през 80-те години на миналия век на полупроводниковите материали, имащи високотемпературна свръхпроводимост, създава 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, но един тон SF6 натоварва атмосферата в размер, който съответства на около 23 900 тона въглероден двуокис.

Съвременни методи за диагностика на трансформаторите
Добре известно е, че диагностиката играе изключително важна роля за осигуряване на оптимална поддръжка на машините и съоръженията. Нейна заслуга са повишаване на надеждността, намаляване на загубите от обслужване, предотвратяване на аварии и удължаване 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, газхроматографски анализ на маслото и др. Счита се, че 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.
Известно е, 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. Добре известни са предимствата на методите за вибродиагностика на трансформатори. Понастоящем се прилага метод за откриване на повреди, базиран на анализ на разтворените в маслото газове. 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. Все по-широко се използват възможностите на съвременните термовизионни камери, отличаващи се с висока разделителна способност.

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%.

Из историята на трансформатора
Физическото явление, стоящо в основата на действие на електрическия трансформатор, е открито от английския физик Майкъл Фарадей в 1831 г. За “рожден ден” на трансформатора се счита 30 ноември 1876 г., когато е издаден френски патент на Павел Николаевич Яблочков, описваш принципа на действие и начина на използване на трансформатора. Впоследствие значителна роля в усъвършенстването му изиграли англичанинът Феранти, американецът Дж. Уестинхауз, както и сърбинът Никола Тесла.