Энергосберегающие трансформаторы: специфика и направления развития

Повышение энергоэффективности и энергосбережение Президент РФ называет одним из пяти ключевых направлений модернизации отечественной экономики. Рациональное использование энергоресурсов становится задачей первостепенной важности, поскольку потенциальная выгода от экономии исчисляется в триллионах рублей в год.

Энергосбережение и повышение энергетической эффективности способствуют более рациональному использованию топливно-энергетических ресурсов и помогают предотвратить глобальное потепление. Кроме того, эти приемы и методы призваны максимально снизить потери электроэнергии при доставке конечному потребителю.

Потери энергии – это денежные средства, потраченные впустую. Рост таких потерь наносит серьезный ущерб электросетевым компаниям, на плечи которых ложится тяжкое бремя потерь в распределительных сетях.

Степень надежности электрических сетей наглядно демонстрирует анализ парка трансформаторных устройств электросетевых организаций. Например, по оценкам экспертов, на долю потерь в трансформаторах 6-10 кВ в зоне операционной деятельности филиала ПАО «Россети-Центр» –«Орёлэнерго» приходится более 12% от всех технологических потерь электроэнергии.

Устранению этой проблемы, в значительной степени, способствует замена устаревшего оборудования и использование энергоэффективных трансформаторов, в которых потери холостого хода и короткого замыкания находятся в пределах заданных значений.

Кроме того, энергосберегающее оборудование всё чаще внедряют электросетевые компании, заботящиеся о своем имидже. Ведь обеспечение качественного, надежного энергоснабжения по минимальным ценам – достойная и при этом вполне решаемая задача.

Многообразие выбора

В электроэнергетике России остро стоит вопрос модернизации электросетевой инфраструктуры, поскольку оборудование, которое эксплуатируется на протяжении 20-30 лет, уже практически полностью выработало свой ресурс. Как правило, его работоспособность сохраняется только за счет многократного запаса прочности.

Практически все центры питания, введенные в эксплуатацию в ХХ веке, не были оснащены системами централизованного управления. Такие подстанции отличались большими размерами и нуждались в постоянном присутствии персонала.

Кроме того, процесс обслуживания ПС был достаточно трудоемким, что увеличивало общую продолжительность простоя оборудования. Однако одним из наиболее существенных недостатков старых трансформаторных подстанций специалисты называют большие потери электрической энергии.

В настоящее время сетевые компании производят замену изношенного и морально устаревшего оборудования на новое или же на месте старых энергообъектов строят современные, которые оснащают энергоэффективным электрооборудованием. 

Список основных видов подстанционного оборудования возглавляют трансформаторы. Среди разнообразия ассортимента, представленного на рынке электротехники, чаще всего встречаются установки трех типов:

• Измерительные;
• Специальные;
• Силовые.

Измерительные трансформаторы – группа электротехнических устройств, которые используются для измерения основных параметров в бытовых и промышленных сетях с частотой 50-60 Гц.

Измерительные устройства создаются с высоким классом точности. Бывают двух основных типов: тока и напряжения. В зависимости от принадлежности к одной из категорий принцип работы и конструкция трансформаторов существенно отличаются.

В процессе эксплуатации метрологические характеристики изделий подлежат периодической поверке на правильность измерения как величин, так и углов отклонения тока и напряжения.

Одна из функций трансформаторных установок этого вида состоит в уменьшении первичных параметров тока и напряжения в электрической сети до значений, наиболее удобных для обеспечения подключения автоматических устройств, контрольно-измерительных приборов и систем защиты.

Включение в сеть такой установки дает возможность разделить цепи высшего и низшего напряжения, что обеспечивает дополнительную безопасность для работников профильных специальностей.

Измерительные трансформаторы классифицируются с учетом целого ряда параметров. В зависимости от того или иного критерия специалисты выделяют несколько видов трансформаторных устройств:

• По типу измеряемого значения. Такое оборудование предназначено для работы на линиях с постоянным или переменным током;
• По конструкции изделия делятся на втулочные, встроенные, разъемные, опорные и проходные;
• По коэффициенту трансформации. Существуют однодиапазонные (одноступенчатые) и многодиапазонные (каскадные) трансформаторы;
• По способу установки выделяются внутренние, внешние, встраиваемые, накладные и переносные устройства;
• По числу и назначению вторичных обмоток;
• По типу диэлектриков. В зависимости от конструкции производители используют масляные, газовые или сухие диэлектрики.

Приведенная классификация позволяет описать все виды измерительных трансформаторных установок и правильно классифицировать их с учетом основных критериев. На практике чаще других изделия классифицируют по типу измеряемого значения. Для маркировки используются буквенные значения:

5. Т – трансформатор тока;
5. Ф – наличие фарфоровой изоляции;
5. Н – для наружной установки;
5. К – каскадный, катушечный или оснащенный конденсаторной изоляцией;
6. П – проходной;
5. О – стержневой одновитковый;
5. Ш – шинный одновитковый;
5. В – встроенный, с воздушной изоляцией. Кроме того, буква «В» может свидетельствовать о водяном охлаждении устройства;
5. Л – литая изоляция;
5. М – малогабаритный, маслонаполненный или модернизированный;
5. Р – предназначен для релейной защиты;
5. Д – предназначен для дифференциальной защиты;
5. З – для защиты замыканий на землю.

Трансформаторы, предназначенные для использования на линиях с переменным током, преобразовывают ток в цепи до заданных значений. Такое оборудование широко применяется в реле защиты как неотъемлемая часть энергосистем в первичных цепях энергогенерирующих объектов, где ток достигает отметки в сотни киловольт.

Особенностью такого трансформатора специалисты называют то, что вторичная обмотка замыкается на контрольном измерительном приборе или защитной автоматике, а ток подается на первичную обмотку. В зависимости от типа первичной обмотки измерительные трансформаторные устройства могут быть стержневые, катушечные и шинные.

В случаях, когда роль ключевого критерия для классификации электрооборудования выполняет рабочее напряжение, трансформаторы делятся на две группы: установки, работающие в диапазоне до 1 000 В и те, что работают выше этого значения.

Измерительные трансформаторные устройства постоянного тока используются для снятия значений основных показателей в высоковольтных цепях. По конструкции и принципу действия эти изделия практически идентичны магнитным усилителям.

Принцип работы измерительного трансформатора основан на нелинейных магнитных свойствах ферромагнетиков. Конструкция установки состоит из специального сердечника, выполненного из ферромагнитного материала, и обмоток двух видов, которые предназначены для переменных и постоянных токов.

Трансформаторы тока. Это специальные устройства, которые используются для изменения характеристик переменного тока и его преобразования до заданных значений, удобных для измерений. Первичная обмотка агрегата подключается к источнику тока, а во вторичную включаются измерительные или защитные приборы, характеризующиеся малым внутренним сопротивлением.

Ключевой особенностью трансформаторов тока является постоянная эксплуатация в режиме короткого замыкания. У них вторичная обмотка полностью закорочена на малое сопротивление, а остальная конструкция приспособлена для работы в таких условиях.

С целью исключения аварийного режима входная мощность ограничивается с помощью специального устройства первичной обмотки. Для этого в ней создан всего один виток. При протекании по нему тока не создается большое падение напряжения на обмотке. Такой виток не может передавать в магнитопровод высокую мощность.

Виток врезается непосредственно в силовую цепь, что обеспечивает его последовательное подключение. В конструкции некоторых моделей предусмотрено сквозное отверстие в сердечнике, через которое проходит провод с первичным током.

Нагрузку вторичных цепей трансформаторной установки, которая находится под напряжением, разрывать нельзя. В случае разрыва на концах возникает высоковольтное напряжение, которое способно причинить вред вторичным цепям. Поэтому все провода и соединительные клеммы изготавливаются с повышенной механической прочностью.

Использование трансформаторов тока позволяет обеспечивать постоянный контроль и анализ нагрузок, протекающих в электрической системе, что особенно актуально для высоковольтного электрооборудования.

Трансформаторы напряжения (ТН) являются одной из разновидностей понижающих трансформаторных установок. Эти изделия предназначены для безопасного измерения напряжения в высоковольтных сетях. Благодаря своей многофункциональности, простоте конструкции, высокому КПД и долговечности устройства этой категории широко используются в электроэнергетике, электронике и радиотехнике. 

Ток с высоким напряжением, поступающий от источника генерации, не может быть использован потребителем. Для его понижения на входе устанавливаются понижающие трансформаторы, обеспечивающие возможность работы электроприборов и оборудования на расчетном напряжении.

Использование трансформаторных установок создает благоприятные условия для работы типовых измерительных приборов. Трансформаторы изолируют их от высокого сетевого напряжения, что необходимо для их безопасной эксплуатации и технического обслуживания.

В зависимости от назначения ТН делятся на два основных вида: понижающие и повышающие. Наряду с функцией преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения они могут выполнять роль источника питания для автоматики, сигнализации, релейной защиты линий от замыканий и т.д. Кроме того, эти приборы используются в качестве измерителей напряжения и мощности.

На рынке представлено достаточно много вариантов трансформаторов напряжения. Друг от друга они отличаются конструкцией, которая определяет особенности эксплуатации. К тому или иному виду ТН относятся по определенным критериям:

• По числу фаз. Существуют одно- и трехфазные устройства;
• По количеству обмоток (2 или 3);
• По классу точности. Функцию критерия классификации выполняет диапазон допустимых параметров погрешности;
• По типу охлаждения. Трансформаторы могут быть масляные и сухие (с воздушным охлаждением);
• По способу размещения устройства делятся на внешние и внутренние.

Кроме того, в зависимости от сферы применения и особенностей эксплуатации ТН делятся на группы:

• Заземляемые. О принадлежности устройства к этой группе свидетельствует буква «З» в маркировке трансформатора. Этот вариант представляет собой одно- или трехфазный аппарат, один из концов которого должен быть заземлен;
• Наземляемые. Устройства этой группы не требуют заземления. Все уровни, зажимы должны быть изолированы. Трансформатор устанавливается на определенной высоте, которая непосредственно зависит от уровня напряжения;
• Каскадные. Первичная обмотка устройств, относящихся к этой группе, состоит из нескольких секций, расположенных на разном расстоянии от земли в виде каскада. Все части ТН соединяются между собой с помощью дополнительных обмоток. Особенность этих изделий состоит в том, что с увеличением численности элементов возрастает количество погрешностей в работе системы;
• Емкостные. Приборы из этой группы оснащены емкостным делителем. Они относятся к категории пассивных, поскольку не добавляют мощности. Однако при этом такие ТН характеризуются высоким КПД и хорошо справляются с контролем электроэнергии, проходящей по сети;
• Двухобмоточные могут преобразовывать одно напряжение в другое;
•  Трехобмоточные. Кроме первичной обмотки трансформаторы этой группы оснащены двумя вторичными. Устройства могут заменить два двухобмоточных ТН, что позволяет более рационально использовать средства, выделяемые на приобретение оборудования.

Специальные трансформаторы – это особый тип устройств, предназначенных для решения определённых задач. В их число входят:

• Разделительные трансформаторы. Коэффициент трансформации таких аппаратов равен 1. Это означает, что число витков в первичной обмотке равно количеству витков во вторичной, поэтому из 220 В 50 Гц на входе получается такое же напряжение на выходе.

Устройства предназначены для безопасной подачи сетевого питания к потребителям. Эта функция реализуется за счет изоляции цепи первичной обмотки от вторичных цепей. При этом вторичная цепь не заземляется, что исключает возможность замыкания вторичного тока в направлении заземления.

Первичная и вторичная обмотки трансформаторов этого типа гальванически развязаны друг от друга с использованием двойной или усиленной изоляции. В некоторых случаях между обмотками устанавливается защитный экран.

Как правило, обмотки располагаются в разных частях магнитопровода, а провода, которыми они намотаны, обладают приблизительно равными или полностью одинаковыми характеристиками.

По оценкам специалистов, КПД разделительных трансформаторов составляет около 85%. Этого показателя достаточно для обеспечения безопасности.

Устройствами такого типа оснащаются любые помещения особой опасности, с повышенной влажностью, а также места, где проведение работ с электроинструментом требует принятия дополнительных мер безопасности. Также они используются в медицинских учреждениях, где допускается непосредственный контакт электроаппаратуры с телом человека.

• Высокочастотные трансформаторы – это электрические устройства, предназначенные для передачи энергии высокой частоты между двумя и более цепями посредством магнитной индукции.

Поскольку высокочастотное переменное электромагнитное поле создает более высокие значения напряжения при тех же показателях напряженности поля, то трансформаторы этого типа отличаются компактными габаритными размерами и в большинстве случаев выполняют функцию элементов сложных электрических контуров в радиопередающих системах и в импульсных источниках энергии.

Принцип работы устройства достаточно прост: переменный ток в первичной обмотке аппарата создает переменный магнитный поток в сердечнике и переменное магнитное поле, воздействующее на вторичную обмотку. Магнитное поле, изменяющееся как по времени, так и по амплитуде, приводит к изменению электродвижущей силы или напряжения во вторичной обмотке.

Действие трансформатора зависит от плотности намотки витков и материала, из которого изготовлен сердечник. Эксперты отмечают, что при сравнительно невысокой эффективности аппарат не передает электромагнитную энергию, а накапливает ее. В свою очередь это способствует росту температурных показателей и приводит к магнитным потерям.

Производители высокочастотных трансформаторов придают огромное значение выбору материала для изготовления сердечника. Этот материал должен обладать следующими свойствами:

         - высокая диэлектрическая проницаемость;

- линейность характеристики передачи энергии;

         - локализация образующихся помех;

         - минимальное значение рассеяния индуктивности обмоток.

• Согласующие трансформаторы. В эту группу входят устройства, обеспечивающие передачу или преобразование полезного гармонического сигнала разной частоты с минимальными искажениями и потерей мощности.

Свести к минимуму потери электрических сигналов при передаче можно только при условии, что его полное сопротивление соответствует внутреннему сопротивлению источника.

Основная функция трансформаторов этого типа неразрывно связана с необходимостью масштабирования сопротивления источника и нагрузки. При этом само изменение показателей силы тока и напряжения значения не имеет.

Эти устройства используются в тех случаях, когда необходимо подключить нагрузку, которая не соответствует по сопротивлению допустимым значениям для источника сигнала.

При подключении к первичной обмотке источника переменного тока возникает магнитный поток, который охватывает и вторичную обмотку. В этот момент индуцируется движущая сила, обеспечивающая появление тока в цепи при подключении нагрузки. Это обеспечивает передачу энергии или сигнала без непосредственной электрической связи между обмотками.

Согласующие трансформаторы применяются в антенных устройствах и конструкциях усилителей на электронных лампах звуковых частот.

• Сварочные трансформаторы и трансформаторные устройства другого типа, предназначенные для решения специальных задач. Например, сварочные устройства применяются в промышленном строительстве во время монтажа технических или строительных конструкций из металла, а также при изготовлении деталей, сварке арматуры, труб и узлов.

Силовые трансформаторы. Эти устройства являются одним из основных видов электрооборудования, устанавливаемого на питающих центрах. Они предназначены для преобразования переменного напряжения и силы тока до необходимой величины.

Их работа основана на эффекте электромагнитной индукции, который появляется в обмотках. В результате параметры тока увеличиваются или уменьшаются в зависимости от конфигурации устройства.

Как правило, передача электроэнергии на большие расстояния от объекта генерации до конечного потребителя связана с большими энергетическими потерями. Такая передача нуждается в неоднократной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах.

Для этого электричество от электростанции изначально направляют на трансформаторную подстанцию, где увеличивается амплитуда напряжения. Далее по высоковольтным линиям электроэнергия передаётся на удаленную подстанцию, где с помощью силового трансформатора напряжение понижается до необходимого уровня и электричество распределяется между потребителями.

Силовые трансформаторы устанавливаются на заранее подготовленные стационарные площадки с прочным фундаментом. Для размещения на грунте могут прокладываться рельсы и использоваться катки. 

Следует отметить, что строение этих аппаратов оставалось практически неизменным на протяжении нескольких десятилетий. В конструкцию «классического» преобразователя входят:

• Изолированные обмотки (две и более);
• Клеммы и выводы;
• Магнитопровод;
• Система охлаждения;
• Стабилизирующая система;
• Устройство регулирования напряжения;
• Дополнительное навесное оборудование.

Отдельные ярко выраженные элементы конструкции снабжаются соответствующими надписями.

Электрооборудование устройства расположено внутри металлического корпуса, который выполнен в форме герметичного бака, оснащенного крышкой. Емкость заполнена трансформаторным маслом, обладающим высокими диэлектрическими свойствами. Кроме того, оно выполняет функцию отвода тепла от элементов конструкции, подверженных большим токовым нагрузкам.

Внутри бака установлен магнитопровод с надетыми на него катушками низшего и высшего напряжения. Выводы обмотки соединяются с вводами, которые проходят через изоляторы.

Крышка крепится к верхней кромке бака с помощью болтов. Между этими деталями конструкции расположена резиновая прокладка, предотвращающая протечку масла в стык. В стенке бака просверлены отверстия, в которые вварены специальные трубки, обеспечивающие подачу масла.

Крышка бака оснащена вращающейся рукояткой, обеспечивающей переключение витков обмотки высшего напряжения для регулирования напряжения при нагрузке. К крышке приварены кронштейны, на которых установлен расширитель, оборудованный стеклянной трубкой. С ее помощью персонал может отслеживать уровень масла. Кроме того, в расширитель встроена пробка с фильтром для сообщения с окружающим воздухом.

Под действием больших токов обмотки установки могут быть деформированы. Поэтому с целью повышения прочности катушек их наматывают на изоляционные цилиндры.

Если в круге расположен стержень квадратного сечения, то площадь круга используется не в полном объеме. Поэтому стержни трансформаторов изготавливаются со ступенчатым сечением за счет сборки из листов различной ширины.

В силовых трансформаторах сформирован внешний и внутренний контур циркуляции масла. Внешний представлен радиатором, который состоит из двух коллекторов, соединенных друг с другом при помощи системы металлических трубок. Проходя по этим магистралям масло постепенно остывает и после этого возвращается в бак.

Внутри бака масло может циркулировать за счет естественного движения или под давлением, создаваемым насосами.

В некоторых моделях трансформаторов поверхность бака увеличивается за счет гофр – специальных металлических пластин, повышающих уровень теплообмена между маслом и окружающей средой.

Забор тепла от радиатора в атмосферу может выполняться двумя способами:

• Методом обдува системой вентиляторов;
• За счет свободного перемещения объемов воздуха с одних высот на другие.

Принудительный обдув охлаждает оборудование более эффективно. Однако при этом возрастают затраты электроэнергии, связанные с эксплуатацией системы. Они могут снизить нагрузочную характеристику трансформаторной установки до 25%.

Тепло, выделяемое современными трансформаторами повышенной мощности, достигает огромных величин. О масштабах тепловой энергии свидетельствует тот факт, что за ее счет организовываются системы отопления промышленных помещений, расположенных в непосредственной близости от постоянно работающих агрегатов. В них поддерживаются оптимальные условия работы оборудования даже в осенне-зимний период.

Функция выводов заключается в подводе напряжения к трансформатору. В зависимости от вида аппарата выводы могут быть оснащены различной изоляцией. Например:

• Маслобарьерная (МБИ). Основу изоляции этого типа составляет трансформаторное масло, надежно заполняющее изоляционные промежутки между электродами любой формы сложности. Оно обеспечивает охлаждение устройства за счет самопроизвольной циркуляции или принудительного движения.

Наряду с трансформаторным маслом в состав МБИ также входят твердые диэлектрики. Например, кабельная бумага, электрокартон и другие материалы, обеспечивающие механическую прочность конструкции. Кроме того, они способствуют повышению электрической прочности маслобарьерной изоляции.

Электроды покрывают слоями кабельной бумаги, а из электрокартона изготавливают барьеры, которые повышают электрическую прочность МБИ на 30-50%.

Барьеры разделяют изоляционный промежуток на несколько узких каналов, ограничивающих количество примесных частиц, которые могут приближаться к электродам и принимать участие в инициировании разрядного процесса.

Кроме того, электрическая прочность МБИ может быть повышена за счет покрытия электродов сложной формы тонким слоем полимера.

Процесс изготовления изоляции этого типа состоит из нескольких этапов:

1. Сборка конструкции.
2. Сушка под вакуумом при температуре от 100 до 120 °С.
3. Пропитка под вакуумом дегазированным маслом.

Маслобарьерная изоляция обладает рядом преимуществ. Кроме того, ей свойственны некоторые недостатки.

К списку достоинств специалисты относят сравнительную простоту конструкции, несложную технологию производства, интенсивное охлаждение обмоток и магнитопроводов, а также возможность восстановления качественных характеристик изоляции методом сушки конструкции и замены масла.

В число недостатков МБИ входит меньшая, чем у бумажно-масляной изоляции, электрическая прочность, высокая пожаро- и взрывоопасность конструкции, а также необходимость обустройства специальной защиты от проникновения влаги в процессе использования.

Допустимые рабочие напряженности в изоляции этого типа составляют 40-60 кВ/см. Как правило, МБИ используется в качестве главной изоляции в силовых трансформаторах с номинальным напряжением 10-1150 кВ, а также в автотрансформаторах и реакторах высших классов напряжения.

• Бумажно-масляная изоляция состоит из нескольких слоев бумаги, пропитанной маслом, а также масляных прослоек, которые используются для заполнения свободного пространства, образующегося между бумажными слоями.  

Слой бумажной изоляции может быть выполнен двумя способами:

1. Изготовление из сплошных листов бумаги.
2. Производство методом намотки бумажной ленты с положительным перекрытием. Лента наматывается не менее чем в полнахлеста с максимально возможным натяжением, обеспечивающим высокую плотность прилегания слоев.

Изоляция этого типа пропитывается под вакуумом. Прежде чем приступить к пропитке, готовое изделие высушивают в специальных камерах при температуре до +130 °С. Остаточное давление при пропитке и сушке устраняет пустоты в бумаге и обеспечивает практически полную дегазацию масла.

Бумажно-масляная изоляция отличается высокой кратковременной прочностью, поэтому ее используют в конструкциях с высокими напряженностями электрического поля.

На электрическую прочность изоляции влияет количество наложенных слоев бумаги. В случае с листовой бумажно-масляной изоляцией, выполненной из листовой конденсаторной бумаги, сначала рост слоев увеличивает прочность, поскольку вероятность совпадения слабых или дефектных мест в листах снижается.

В дальнейшем электрическая прочность такой изоляции начинает уменьшаться. Это объясняется ухудшением теплоотвода и возникновением риска теплового пробоя. Кроме того, с ростом числа бумажных слоев возрастает влияние неоднородности поля у краев электродов. Максимальная пробивная напряженность наблюдается при 6-10 слоях бумаги.

         Помимо описанных выше видов изоляция вводов силовых трансформаторов может быть фарфоровой, полимерной, элегазовой и конденсаторной проходной.

         Существует несколько критериев, по которым проводится классификация силовых трансформаторов:

• По мощности и напряжению. По этому критерию различают шесть групп установок;
• По количеству фаз. На рынке представлены одно- и трехфазные силовые трансформаторы. Как правило, на подстанциях устанавливают трехфазные электротехнические устройства;
• По числу обмоток. Трансформаторы могут быть двух- и трехобмоточные;
• По назначению (повышающие и понижающие);
• По месту установки изделия делятся на внешние и внутренние;
• По типу охлаждения (сухие и масляные).

Независимо от типа силового трансформатора, его классификации или габаритов, принцип действия устройства базируется на основе явления электромагнитной индукции. В момент подачи на трансформатор тока с определенными характеристиками он проходит через замкнутый магнитопровод и поступает на первичную и вторичную обмотку.

Коэффициент напряжений зависит от количества витков в обмотках. В случаях, когда на первичной обмотке число витков меньше, то речь идет о повышающих трансформаторах. Если же наоборот, то изделие относится к группе понижающих устройств.

Эволюция трансформаторостроения

Долгое время производители и потребители трансформаторов были настроены весьма консервативно и не стремились к внедрению новшеств в сферу трансформаторостроения. Такой настрой объяснялся длительным сроком эксплуатации оборудования и его достаточно высокой стоимостью.

По оценкам экспертов, в России функционирует около 4 млн распределительных трансформаторов. При этом суммарные потери электроэнергии составляют порядка 70-75 млрд кВт*ч. Эти данные наглядно демонстрируют остроту проблемы и свидетельствуют о необходимости принятия мер для повышения энергоэффективности систем электроснабжения экономически оправданными средствами.

В рамках курса на энергоэффективность производители электрооборудования начали разрабатывать новые виды своей продукции, предназначенные как для модернизации электросетевой инфраструктуры, так и для установки на промышленных объектах.

Как правило, для изготовления товара с более привлекательными потребительскими свойствами используются инновационные материалы и применяются новые технологии производства как отдельных элементов, так и трансформатора в целом.

Например, горячекатаная электротехническая сталь была заменена холоднокатаной, толстостенный резервуар уступил место герметичному тонкостенному гофрированному баку, а при изготовлении обмоток вместо меди производители начали использовать алюминий.

Еще одной новацией в части обмоток стала намотка обмотки низкого напряжения алюминиевой (медной) лентой (фольгой) толщиной 0,5-1 мм. Это позволило сократить время намотки и улучшить механические свойства обмотки. Хотя такой процесс требует применения более дорогих намоточных станков.

Кроме того, изменения также коснулись способа шихтовки (складывания) магнитопровода: на смену прямому стыку пришел косой. Благодаря новому типу среза и ступенчатому перекрытию потери холостого трансформатора снизились на 25%.

В течение 40 лет топливные преобразователи постепенно заменялись сухими пожаро- и экологически безопасными трансформаторами, которые характеризуются меньшими потерями и потому более эффективны.

Сегодня ведется работа по замене трансформаторного масла жидкими негорючими диэлектриками. На базе одного из отечественных трансформаторных заводов уже проведены испытания опытного образца.

В ходе эксперимента специалистам удалось выяснить, что при использовании такой изоляционной и теплоотводящей жидкости в габариты трансформатора мощностью 630 кВА может быть установлена активная часть мощностью 800 кВА. Следует отметить, что при этом соблюдаются нормативы превышения температуры охлаждающей жидкости над температурой внешней среды.

На протяжении нескольких последних десятилетий, при сохранении компоновки и основных элементов конструкции, постепенно менялся также и внешний вид масляного трансформатора. Сначала на смену трубчатым радиаторам системы охлаждения пришли радиаторы с овальными трубами, которые в дальнейшем были вытеснены штампованными радиаторами.

В настоящее время существует четыре типа масляных силовых трансформаторов, принципиально отличающихся по конструкции:

5. ТМ – трехфазные двухобмоточные понижающие общепромышленного назначения мощностью от 25 до 1 600 кВА, напряжением 6; 10 кВ. Электроустройства предназначены для преобразования электрической энергии частотой 50 Гц в сетях энергосистем и потребителей в условиях внутренней и наружной установки;
5. ТМГ – герметичные установки с естественным масляным охлаждением. Трансформаторы этой конструкции предназначены для включения в трехфазную сеть с частотой 50 Гц и понижения напряжения до заданного уровня. Предназначены для электроснабжения потребителей различных сфер народного хозяйства, промышленности и бытового сектора;
5. ТМЗ – понижающие, трехфазные, двухобмоточные и герметичные электроустройства с защитой масла мощностью от 250 до 2 500 кВА напряжением до 10 кВ. Предназначены для установки как внутри, так и снаружи здания на крупных производственных объектах и в комплектных трансформаторных подстанциях;
5. ТМН – трехфазные изделия с возможностью регулировки напряжения под нагрузкой. Могут быть использованы для внутренней и наружной установки.

На протяжении десятилетий большинство российских и зарубежных заводов-изготовителей выпускали трансформаторы двух типов – ТМ и ТМГ, поскольку именно эти электроустройства пользовались наибольшим спросом. Однако сегодня на смену масляным агрегатам пришло электрооборудование обновленной конструкции.

Речь идет о так называемых сухих трансформаторах, обладающих улучшенными характеристиками. Эти модели – более совершенная версия старых масляных конструкций. Основная разница между ними состоит в особенностях системы охлаждения.

В масляных агрегатах охлаждение осуществляется за счет естественной или принудительной циркуляции очищенного минерального масла. В случае утечки оно выделяет ядовитые испарения, что может причинить вред здоровью людей и окружающей среде.

Сухие трансформаторы в этом плане более безопасные и экологически чистые. Нормализация температуры магнитопровода и обмотки происходит путем естественной циркуляции конвекционных потоков воздуха. Агрегаты можно устанавливать в непосредственной близости от потребителя, что, в свою очередь, позволяет сократить потери на передачу электроэнергии.

Кроме того, в эксплуатации сухие распределительные электроустановки удобнее масляных, поскольку не требуют периодической очистки и смены масла. Однако воздух обладает меньшей электрической проточностью (по сравнению с трансформаторным маслом), поэтому в сухих трансформаторах все изоляционные промежутки и вентиляционные каналы делают большими.

На рынке представлены два вида сухих распределителей: общего и специального назначения. К первой группе относятся трансформаторы, предназначенные для установки на тяговых подстанциях электрифицированного железнодорожного транспорта, промышленных объектах и в распределительных сетях.

Чаще всего на таких предприятиях устанавливаются понижающие устройства, которые трансформируют напряжение из больших величин в меньшие, а также сухие трансформаторы связи. Их функция состоит в обеспечении перехода мощности между сетями с разным классом напряжения.

Во вторую группу входят устройства, обладающие особой конструкцией и характеристиками, благодаря которым обеспечивается стабильная работа агрегатов в специальных условиях. В качестве примера такого оборудования можно привести сварочные модели, а также агрегаты для инверторных и выпрямительных установок.

Стандарты и ГОСТы

Большинство характеристик распределительных трансформаторов определяется национальными или международными стандартами. В зависимости от требований той или иной страны соответствие преобразователей стандарту может быть обязательным или добровольным.

Даже если в какой-либо стране обязательные к исполнению стандарты не приняты, существует порядок организации материально-технического снабжения. Речь идет о внутренних стандартах предприятий электроснабжения, которые тщательно соблюдаются.

В целом стандартизация характеристик распределительных трансформаторов призвана максимально упростить обмен товарами между внутренними и внешними рынками. Кроме того, она позволяет обеспечить приемлемые требования к качеству продукции в вопросах безопасности продукции для окружающей среды и здоровья человека.

Для преодоления торговых или технических барьеров особую важность приобретают международные стандарты. К трансформаторам, которые приобретаются у производителей из стран Европейского союза, применяются три уровня стандартов:

• международные стандарты (ISO, IEC);
• европейские стандарты и нормы (EN, HD);
• национальные стандарты (BSI, NF, DIN, NEN, UNE OTEL).

Двумя основными нормативными актами, определяющими потери энергии при использовании трансформаторов, являются:

• Европейский стандарт EN 50464-1, который заменил собой согласованный документ HD428 «Трехфазные распределительные трансформаторы с рабочей частотой 50 Гц от 50 до 2 500 кВА с масляным охлаждением и максимальным напряжением не выше 36 кВ»;
• HD538 «Трехфазные распределительные трансформаторы с рабочей частотой 50 Гц от 100 до 2 500 кВА с охлаждением сухого типа и максимальным напряжением не выше 36 кВ». В некоторых странах нормативные акты, аналогичные этому стандарту могут называться по-другому. Например, DIN.

Данные по нормам потерь энергии при использовании трансформаторов изложены в приложении. Согласно приведенным стандартам, основными параметрами эффективности являются величины потерь нагрузки и холостого хода.

Нормативные документы допускают три уровня потерь нагрузки (обозначаются буквами А, В и С) и три уровня предельных потерь холостого хода (А´, В´ и С´), которые могут создавать девять возможных комбинаций.

Величина потерь электроустановок уровня А-А´ (наименее эффективная комбинация) и В-В´ на 20-30% выше, чем трансформаторов уровня С-С´. Формально только С-С´ для масляных силовых распределителей может считаться эффективным. Хотя на практике не существует единого международного признанного критерия, в соответствии с которым трансформатор может быть отнесен к числу энергоэффективных.

Некоторые эксперты в число энергоэффективных предлагают включать следующие распределители:

• С масляным охлаждением уровня С-С´;
• Сухие трансформаторы до 24 кВ, у которых величина потерь на 20% ниже нормы, зафиксированной в НD538.1;
• Агрегаты сухого типа до 36 кВ с величиной потерь на 20% меньше, чем по НD538.2.

Выбор таких ориентиров объясняется технической возможностью изготовления трансформаторов практически всеми производителями.

В США пошли другим путем. В этой стране любой агрегат, показатель энергоэффективности которого равен или превышает энергоэффективность 35% самых продаваемых моделей, считается энергоэффективным.

Часть экспертов предлагает альтернативный вариант оценки. Они считают, что применение специальных видов обмоток, инновационных материалов и технологий дает право причислять трансформатор к категории энергоэффективных. Однако противники такого подхода справедливо полагают, что напрямую с энергоэффективностью он не связан.

В России, в отличие от ЕС, нормативная база охватывает не все виды трансформаторов. Например, в ней практически отсутствуют требования, предъявляемые к энергоэффективности сухих силовых трансформаторов.

26 июня 2021 года введен в действие отраслевой стандарт ПАО «Россети» СТО 34.01-3.2-011-2021 «Трансформаторы силовые распределительные 6-10 кВ мощностью 63-2 500 кВА. Требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания». Документ утвержден взамен действовавшего с 12 апреля 2017 года стандарта 34.01-3.2-011-2017.

Действие каждого из этих нормативных актов распространяется только на силовые масляные трансформаторы общего назначения наружной или внутренней установки мощностью от 63 до 2 500 кВА. При этом ни старый, ни новый нормативный акт не охватывает группу распределителей малой мощности (менее 63 кВА) и специальные трансформаторы (электропечные, преобразовательные, тяговые, пусковые, сварочные и др.).

В то время как Постановление Правительства РФ от 17 июня 2015 года № 600 «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности» охватывает все типы агрегатов по коду 143115010 Общероссийского классификатора основных фондов (код 330.30.20.31.117 «Машины энергосиловые и сварочные путевые и агрегаты» по новому классификатору).

Правда и здесь есть одно «но». В документе учтены агрегаты мощностью от 100 кВА до 2 500 кВА.

1 января 2008 года введен в действие национальный стандарт РФ ГОСТ Р 52719-2007 «Трансформаторы силовые. Общие технические условия». Документ разработан с учетом основных нормативных положений международных стандартов МЭК 60076-1 (в части основных понятий и определения), а также МЭК 60076-2 МЭК 60076-3 и МЭК 60076-5 (в вопросах технических требований по нагреву, электрической прочности и стойкости при КЗ).

В настоящее время все трансформаторы, изготавливаемые на российских заводах, примерно соответствуют приведенным в ГОСТе нормативам. В соответствии с этим документом параметры потерь у распределителей, которые выпускают разные отечественные предприятия, примерно одинаковы.

На практике, при поддержке государства, стали более активно осуществляться научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, а также другие проекты по созданию новых моделей энергоэффективного электрооборудования.

В данном случае речь идет не об единичных проектах отдельных производителей трансформаторов, а об объединении по типу консорциума крупных предприятий, задействованных в разных отраслях отечественной экономики.

Что в тренде?

В последние годы в мире, в связи со взятым курсом на энергоэффективность и энергосбережение, исключительную актуальность приобрела перспектива внедрения энергоэффективных силовых трансформаторов. В частности, распределителей с магнитопроводом, изготовленным из нанокристаллического сплава.

Стержни, выполненные из аморфного материала, имеющего высокие электрические и прочностные характеристики, дают возможность производить исключительно энергоэффективное оборудование с более высоким КПД за счет низких технических потерь в трансформаторах. 

У такого сплава нет кристаллической структуры атомов. Их расположение напоминает размещение в стекле. Поэтому за аморфными сплавами закрепилось еще одно название – стеклянные металлы. По сравнению с кристаллическими сплавами они более устойчивы к коррозии, в несколько раз прочнее и отличаются лучшими электромагнитными характеристиками.

Для производства аморфных сплавов используются кобальт, никель и железо, которые взаимодействуют с углеродом, кремнием и бором. Такой подбор компонентов повышает показатели прочности материала, способствует снижению температуры плавления и обеспечивает стеклование при охлаждении.

Процесс производства предполагает тщательный подбор состава и использование технологии сверхбыстрого охлаждения. Расплавленная смесь льется на диск и быстро охлаждается, превращаясь в ленту с аморфной структурой. Толщина такой полосы составляет от 15 до 60 мкм.

На следующем этапе из ленты методом навивки формируются сердечники. Размер их сечения варьируется в пределах от нескольких миллиметров до 50 сантиметров. При дальнейшем охлаждении ленты в магнитном поле изделие превращается в частично краисталлизированное или нанокристаллическое.

При необходимости толщина полосы может быть увеличена в процессе легирования. Снижение доли аморфизиторов в составе смеси из различных элементов сделает ленту более пластичной.

Магнитопровод из аморфных сплавов характеризуется значительно меньшими удельными магнитными потерями (по сравнению с аналогом из электротехнической стали), он обладает высокой магнитной проницаемостью и индукцией насыщения на высоких частотах.

В число преимуществ использования аморфных сплавов входят:

• Сокращение потерь холостого хода в четыре-пять раз (по сравнению с традиционными магнитопроводами из электротехнической стали). Использование трансформатора с аморфным сердечником позволяет снизить потери в распределительной сети;
• Снижение затрат на изготовление за счет сравнительно невысокой температуры плавления;
• Короткий производственный цикл, который оказывает положительное влияние на производительность;
• Низкая стоимость шихтовых составляющих;
• Благодаря эффективному использованию электроэнергии сокращаются выбросы углекислого газа в атмосферу;
• Стоимость трансформатора с сердечником из аморфного сплава может быть выше минимальной цены распределителей обычных типов с магнитопроводом из холоднокатаной электротехнической стали. Однако за счет меньших потерь электроэнергии эксплуатационные расходы ниже, поэтому, в пересчете на срок службы, эксплуатационная стоимость трансформатора с сердечником из аморфного сплава ниже.

За рубежом первые распределительные трансформаторы мощностью 630-1 000 кВА с некристаллическим магнитопроводом были выпущены более 10 лет назад. В этом направлении дальше других стран продвинулись США, Китай и Индия.

Начиная с 2009 года несколько европейских распределительных компаний в зоне своей операционной деятельности также установили несколько агрегатов мощностью 400 кВА с магнитопроводом из аморфной ленты. 

Опыт использования нового электрооборудования с улучшенными техническими характеристиками показал, что удорожание силовых трансформаторов на 30-35% (из-за использования аморфного сплава) окупается в течение трех-пяти лет. Срок окупаемости зависит от региональных тарифов на электроэнергию.

Повышенный интерес потребителей оборудования к энергоэффективным силовым трансформаторам с аморфным сердечником объясняется необходимостью снижения общих потерь энергии во всём парке распределителей.

Передача электроэнергии по распредсетям на большие расстояния неизбежно сопровождается многократным ее трансформированием. Эту задачу можно решить только путем установки огромного количества распределительных трансформаторов. В результате этого суммарная мощность агрегатов в семь-восемь раз превышает общую мощность генераторов.

В сетях 20-25 лет назад были установлены и продолжают успешно функционировать при полной нагрузке силовые агрегаты с КПД до 99%. Однако даже при таком высоком показателе этого коэффициента в каждом из распределителей за 40 лет эксплуатации в виде тепла выделяются огромные электрические потери на гистерезис и вихревые токи.

К примеру, в сердечнике трансформатора мощностью 25 кВт, который выполнен из текстурированной железокремнистой электротехнической стали, постоянно (независимо от уровня нагрузки устройства) теряется около 85 Вт. За 40 лет использования распределителя количество потерь электроэнергии составляет порядка 30 МВт*ч. Ее стоимость сопоставима с первоначальной стоимостью самого трансформатора.

Одним из наиболее эффективных методов существенного снижения потерь в агрегатах мощностью 25-100 кВ*А специалисты называют установку в трансформаторы магнитопроводов, изготовленных из аморфных сплавов. Это позволяет существенно сократить потери по сравнению с устройствами, сердечники которых производятся из холоднокатаной стали самого высокого качества.

В качестве примера такого распределителя можно привести аморфный трансформатор ТСЛА. Эти агрегаты используются на объектах, особо чувствительных к каждому киловатту электроэнергии: солнечные электростанции, удаленные от централизованного электроснабжения автономные объекты и т.д., а также проекты с ответственным отношением к экосистеме и энергосбережению.

Линейка трансформаторов ТСЛА разработана согласно Постановлению Правительства РФ № 600 от 17.06.2015 года, а также в соответствии с требованиями отраслевого стандарта СТО 34.01-3.2-011-2017. Величина потерь холостого хода и КЗ распределителей ТСЛА соответствует требованиям класса энергоэффективности Х2К2.

Устройства этого типа конструктивно не особо отличаются от обычных сухих трансформаторов, а их внешний вид зависит от назначения агрегата и типа изоляции: сердечник может быть, как трех, так и пятистержневым (броневой).

ТСЛА имеют стандартные технические параметры, поэтому могут быть использованы для замены трансформаторов других марок (ТС, ТСЛ, ТЛС, ТСЗГЛ, ТСЗ, GDNN, T3R, TRIHAL, RESIBLOK, SCB и др.) без дополнительных расходов на проектирование.

В список преимуществ распределителей ТСЛА входят:

1. Энергоэффективность. Из-за низких потерь холостого хода трансформаторы этого типа потребляют меньше электроэнергии.  У агрегатов с аморфным сердечником такие расходы в  четыре-восемь раз меньше, чем у обычных сухих трансформаторов.
2. Если агрегаты оснащены устройством принудительной циркуляции воздуха, то они могут выдержать перегрузку по току до 150% от номинальной нагрузки.
3. Для производства распределителей используются экологически чистые материалы, безопасные для здоровья человека и окружающей среды.
4. Трансформаторы могут быть установлены в местах массового пребывания людей, поскольку все компоненты изготовлены из пожаробезопасных материалов.

Вольтодобавочные трансформаторы

Сегодня много говорится о создании так называемых «умных» электросетей (Smart Grid). Модернизированные сети электроснабжения используют целый набор средств и технологий для отслеживания и распределения потоков электричества с целью достижения максимальной эффективности использования энергии.

Одним из составляющих элементов проекта «умные сети» являются вольтодобавочные трансформаторы – бустеры. Эти устройства предназначены для повышения и стабилизации уровня напряжения в сети, а также для увеличения ее пропускной способности. По сути, они призваны обеспечивать качество электроэнергии в соответствии с принятыми требованиями для определенной установки.

 Бустер целесообразно использовать в случае большой протяженности ЛЭП, когда строительство дополнительного питающего центра экономически невыгодно из-за небольшого количества конечных потребителей.

Кроме того, вольтодобавочные трансформаторы устанавливаются в труднодоступных районах или в местах реконструкции воздушных линий электропередачи. По окончании работ вспомогательное оборудование демонтируется и может быть переустановлено на других объектах.

Бустеры относятся к категории установок наружного типа. Они монтируются на разрыв линии. В зависимости от вида трансформаторы различаются по климатическим условиям. Большинство моделей предназначены для монтажа на высоте не более 1 тысячи метров над уровнем моря. Температура окружающей среды не должна превышать +40 °С. Нижняя граница разрешенного температурного диапазона использования составляет -45 °С.

Конструкция самого простого вольтодобавочного устройства состоит из двух частей: активной и конструктивной. Конструктивная часть представляет собой бак прямоугольной формы с крышкой.

Материалом для изготовления бака, как правило, служит рифленый стальной лист, который обладает высокими показателями прочности и стойкости к внешним агрессивным факторам. Бак оснащен клеммами заземления. Если трансформатор масляный, то емкость наполняется маслом с определенным пробивным показателем.

Крышка выполняет свою основную функцию и одновременно служит отсеком для установки блока управления. Через нее подаются вводы первичной и вторичной обмоток. Как правило, выводы и вводы съемные. Поэтому в случае поломки или естественного износа их легко заменить.

Алгоритм работы бустера основан на изменении мощности. Трансформаторы на частоту 50 Гц делают под напряжением от 127 до 660 В. Устройства подсоединяются к сети без использования каких-либо дополнительных элементов.

Если коэффициент мощности не достигает значения 0,8, то реактивную мощность компенсируют с помощью конденсаторов. Это можно изменить, используя другой контроллер в питающей сети и изменив количество витков в индукторах. Если напряжение на индукторах опускается ниже определенного значения, используется компенсатор снижения напряжения.

Если в сети зафиксированы колебания напряжения, необходимо скорректировать схему и стабилизировать показатель. Важно, чтобы цепь возбуждения не находилась под напряжением, а цепь питания находилась. При падении напряжения бустер не нужно переводить в режим холостого хода.

Бустер подключается вторичной обмоткой к вторичной цепи. Тип соединения – последовательное. Прежде всего он предназначен для увеличения величины напряжения, генерируемого при работе с остальным источником питания трансформатора.

Функционал агрегата позволяет регулировать показатели. Наиболее полезными считаются модели малой мощности, которые могут регулировать напряжение медленно и без резких скачков. Это достигается за счет магнитной коммутации. Они работают с переключателями напряжения через регуляторы напряжения, контакты и другие устройства.

Преимущества использования вольтодобавочных трансформаторов в распределительных сетях:

• Минимальные затраты на реконструкцию сетевой инфраструктуры и ввод в эксплуатацию дополнительного оборудования;
• Использование этого оборудования поверх стандартного линейного трансформатора позволяет улучшить качество обслуживания потребителей. Это особенно актуально для небольших удаленных населенных пунктов, где бустер может быть использован для выравнивания сезонных нагрузок;
• Активация аварийных режимов работы;
• Увеличение защиты длинных ЛЭП за счет смены показателей мощности однофазных КЗ;
• Устранение скачков напряжения и асимметричности показателей в результате плохого и нерегулярного распределения фазовой нагрузки.

Повышение КПД трансформаторов. Есть варианты

Себестоимость трансформаторов с сердечниками из аморфных сплавов остается выше, чем при изготовлении магнитопроводов из традиционных материалов. Поэтому для повышения эффективности силовых трансформаторов при расчете энергоэффективности можно учитывать другие факторы.

Высокотемпературные сверхпроводниковые материалы. Снижения потерь холостого хода можно добиться за счет выбора оптимального режима загрузки. С целью снижения мощности КЗ (потерь в обмотках) производители внедряют новые материалы, в том числе высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП).

Высокотемпературные сверхпроводниковые материалы были открыты в конце 1980-х годов. Это открытие позволило отказаться от использования массивных охлаждающих устройств. Материал характеризуется двумя основным особенностями:

• Сравнительно небольшие потери при относительно большой плотности тока;
• Переход от практически нулевого значения сопротивления к высокому.

Специалисты внимательно изучили свойства ВТСП и пришли к выводу, что материал можно использовать в трансформаторостроении. В частности, в конструкции обмоток силового трансформатора для снижения активной мощности потерь КЗ.

Первый ВТСП-трансформатор, рассчитанный на напряжение 18,7/0,4 кВ мощностью 630 кВ*А изготовлен в 1997 году специалистами компании АВВ при участии коллег из ASC (США) и энергогенерирующей компании ЕDF (Франция). В том же году агрегат был подключен к энергосети г. Женевы с целью проверки его работоспособности параллельно с распределителями традиционных конструкций.

Большинство промышленно развитых стран активно работают над созданием ВТСП-трансформаторов. Многие из них, включая США, Германию, Японию, Францию, Австралию, Англию и Швецию к настоящему времени уже изготовили первые опытные образцы силовых распределителей с использованием высокотемпературных сверхпроводниковых материалов и запустили их в опытную эксплуатацию. В Китае разработан первый в мире ВТСП-трансформатор с аморфным сплавным сердечником.

Принцип устройства ВТСП-трансформатора состоит в следующем:

• Обмотки опускаются в жидкий азот, который одновременно выполняет функцию изолятора и охладителя;
• Сердечник функционирует при температуре окружающей среды, поскольку его охлаждение приведет к лишним нагрузкам криогенной системы и не будет способствовать улучшению характеристик;
• Обмотки термически изолированы от сердечника и окружающей среды при помощи криостатов – двустенных контейнеров, изготовленных из эпоксида. Между стенками криостатов создан вакуум, который поддерживается за счет непрерывной работы насоса.

Обмотки ВТСП-агрегата могут быть изготовлены из проводников первого (1G) или второго поколения (G2). Провода 1G созданы на базе серебряной матрицы с микроканалами, в которых находится сверхпроводящая керамика. Однако этой технологии свойственны некоторые недостатки:

• Во-первых, в процессе прокатки материал приходится деформировать, что становится причиной многократных отжигов;
• Во-вторых, токонесущая способность проводов висмутовой системы снижается уже в магнитных полях ⁓ 1 Тл, что не позволяет использовать их в ряде устройств;
• В-третьих, использование серебряной матрицы существенно повышает себестоимость трансформатора.

Наличие очевидных минусов у проводников первого поколения способствовало разработке G2, где в качестве основы использована иттриевая керамика. Преимущество сверхпроводников второго поколения состоит в том, что им свойственна большая плотность критического тока. Кроме того, они обладают способностью ограничивать ток КЗ, броски тока нагрузки, а также быстро восстанавливать сверхпроводящие свойства.

Из проводников 1G или 2G формируется многослойная лента, которая в дальнейшем используется для намотки обмоток трансформатора. Для того чтобы их температура сохранялась на уровне температуры жидкого азота, между слоями проводника создаются специальные зазоры – охлаждающие каналы.

По оценкам экспертов, трансформаторы с обмотками из высокотемпературных сверхпроводниковых материалов обладают рядом преимуществ (по сравнению с «классическими» силовыми агрегатами):

• Снижение нагрузочных потерь при номинальном токе на 80-90%, что существенно повышает КПД устройства;
• Ограничение токов КЗ, что в аварийных режимах защищает электрооборудование сети и повышает динамическую устойчивость;
• Наличие нестареющей высококачественной изоляции;
• Уменьшение веса и габаритных размеров трансформатора до 40%. Это позволяет устанавливать новое оборудование взамен выработавших свой ресурс или морально устаревших силовых агрегатов в уже существующих подстанциях и при этом не вносить изменения в их конструкцию, но значительно увеличивать мощность;
• Улучшение статической устойчивости, которое связано со снижением индуктивного сопротивления. В обмотках сверхпроводниковых агрегатов, в связи с высокой плотностью тока, используется меньше проводов. Это способствует снижению индуктивного сопротивления и влияет на устойчивость электроэнергетической системы;
• Меньший уровень шума;
• Пожаро- и экологическая безопасность. Снижение рисков для окружающей среды происходит из-за замены трансформаторного масла экологически чистым жидким азотом;
• Снижение эксплуатационных расходов. По оценкам аналитиков, затраты на весь срок службы сверхпроводниковых трансформаторов мощностью до 30 МВА будут на 50% ниже.

Ключевым преимуществом ВТСП-преобразователей перед традиционными марками трансформаторов являются низкие нагрузочные потери. Однако высокая стоимость высокотемпературных сверхпроводниковых материалов делает их использование экономически невыгодным для потребителя.

Дальнейшее развитие сверхпроводниковых технологий и доведение производства ВТСП-устройств до промышленных масштабов позволит наладить их коммерческий выпуск и будет способствовать замене старых трансформаторов экологически чистыми энергоэффективными моделями.

Кабельный трансформатор. При конструировании трансформаторов разработчики уделяют особое внимание снижению потерь холостого хода, что достигается, в частности, за счет совершенствования изоляции в обмотках.

Развитие технологий производства высоковольтной кабельно-проводниковой продукции способствовало созданию кабеля с изоляцией, изготовленной из сшитого полиэтилена (СПЭ). Английская аббревиатура полимера этилена с поперечно сшитыми молекулами – XLPE, немецкая – VPE, шведское обозначение – PEX.  

Поперечно-сшивной полиэтиленовый силовой кабель начали изготавливать около 50 лет назад. Широкое распространение он получил благодаря превосходным диэлектрическим качествам и высокой температурной стабильности материала изоляции, что позволяет увеличить токовые нагрузки как в режиме эксплуатации, так и в режиме КЗ.

Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена – это идеальное решение при прокладке энергораспределительных сетей, в том числе на сложных участках кабельных трасс, где требуется повышенная сопротивляемость механическим и тепловым нагрузкам.

Высокая коррозионная стойкость позволяет прокладывать такой кабель в грунтах с повышенной влажностью, а также в несудоходных водоемах (при условии соблюдения мер, исключающих механические повреждения изоляции).

Компания АВВ первой использовала XLPE-кабель в сфере трансформаторостроения.  Кабельный трехфазный трансформатор мощностью 20 МВ*А и напряжением 140/6,6 кВ изготовлен и поставлен шведской энергокомпании.

В таком кабеле токопроводящие жилы (медные или выполненные из алюминия) окружены общим полупроводящим цилиндрическим экраном, который позволяет снизить высокую напряженность электрического поля на жилах проводника и сделать его квазиравномерным на поверхности экрана. Далее расположена изоляция из поперечно сшивного полиэтилена, внешний слой которого также сделан полупроводящим.

Из полиэтиленового кабеля выполнена обмотка сухого трансформатора. В данном случае КПП также выполняет функцию электрической изоляции. В отличие от традиционных моделей распределителей такая обмотка не нуждается в прессовке с опорой на ярмо.

Для изготовления распределителей используется кабель с рабочей напряженностью около 10 кВ/мм. Воздух обеспечивает охлаждение. При этом, в отличие от конструкции традиционных сухих трансформаторов, он не выполняет роль изоляции.

Немагнитные металлические рейки предназначены для обеспечения механической прочности обмоток, в том числе под воздействием токов КЗ. Кроме того, они создают каналы между слоями обмотки, обеспечивают заземление кабеля и способствуют охлаждению, пропуская потоки воздуха, которые генерируют два вентилятора, установленные в верхней части трансформатора.

Преимуществами кабельных трансформаторов являются:

• Использование в конструкции устройства обмотки, выполненной из специального кабеля, в котором поверх жилы нанесен тонкий слой полупроводящего материала. Это позволяет устранить неравномерность электрического поля, вызванного многопроволочной жилой, что способствует снижению мощности потерь КЗ;
• При изготовлении кабельного трансформатора используется меньшее количество горючих материалов (по сравнению с обычным распределителем). Кроме того, используемые материалы не поддерживают процесс горения, поэтому пожаробезопасность такого устройства увеличивается;
• При повреждении обычного маслонаполненного трансформатора всегда есть опасность возгорания масла. Конструкция кабельного агрегата не предусматривает использование маслянистых жидкостей. Это исключает возможность утечки трансформаторного масла, его возгорания и испарения токсичных веществ. Благодаря своей экологичности кабельные трансформаторы могут быть установлены в густонаселенной местности, возле гидроэлектростанций и т.п.;
• Агрегат можно установить в непосредственной близости к месту нагрузки, что способствует снижению общих потерь в сети;
• Кабель с изоляцией из сшитого полипропилена стойко выдерживает большое переходное напряжение. Поэтому распределитель с обмотками из XLPE-кабеля имеет ряд существенных преимуществ как по амплитуде ударной волны, так и по сумме затрат, необходимых для обеспечения защитных мер;
• Простота конструкции способствует увеличению показателей надежности.

Наряду с преимуществами, кабельным трансформаторам свойственны и некоторые недостатки. Например, одним из «минусов» специалисты называют изменение механических свойств полиэтиленового кабеля под действием высоких температур.

Для такого агрегата перегрузка ограничивается не старением изоляционного материала, а снижением механической прочности обмотки, изолированной полиэтиленом, при повышении температуры.

Однако основной причиной, которая препятствует массовому использованию кабельных распределителей, является их высокая стоимость. Цена таких устройств примерно в два раза превышает стоимость традиционных трансформаторов.

Перераспределение потоков рассеяния. В обмотках трансформатора и сердечнике возникают не только токи нагрузки. Есть токи, которые появляются и замыкаются внутри проводов или пластин магнитопровода. Они называются вихревыми токами. Их появление также снижает эффективность работы агрегата.

Для минимизации добавочных потерь в конструкцию силовых трансформаторов вносятся изменения, способствующие перераспределению потоков рассеяния с целью замыкания их по путям, где они вызывают меньшие потери.

С этой задачей помогают справиться экраны из электротехнической стали, которые устанавливаются на верхних полках нижних ярмовых балок, вдоль стенок бака и экранов из немагнитных материалов.

Второй вариант, с помощью которого можно повысить КПД агрегата, предполагает использование отдельных прессующих колец для каждой обмотки. Такие кольца изготавливаются из электроизоляционных материалов или электротехнической стали.

Кроме того, снижение уровня потерь достигается за счет уменьшения размеров полок ярмовых балок и осевых размеров торцевых катушек, деления обмоток на две части с вертикально расположенными охлаждающими каналами, использования транспортированных и подразделенных проводов.

По мере снижения потерь в обмотках резко увеличивается доля добавочных потерь вне обмоток, особенно в распределителях с большим значением сопротивления КЗ. Для устранения этой проблемы применяются проводящие экраны, которые отклоняют магнитный поток от защищаемой поверхности и/или электромагнитных шунтов.

Немагнитные электрические проводящие экраны предотвращают проникновение потока рассеяния в магнитный материал, внутри которого могут образовываться вихревые токи, снижающие эффективность трансформатора.

Преимуществом таких экранов специалисты называют простоту конструкции, а также возможность придать им нужную форму, обеспечивающую защиту поверхности любой конфигурации. Основной недостаток этого метода заключается в том, что в экране также возникают потери, которые конструкторам необходимо оценить и обеспечить экранам охлаждение.

Для снижения потерь силовые агрегаты могут оснащаться электромагнитными шунтами. Их функция заключается в перенаправление потока рассеяния по путям вне стенок бака и других металлических элементов, где уровень потерь будет ниже.

В ходе экспериментов специалистам удалось выяснить, что максимальный эффект обеспечивает экранирование стенок бака электромагнитными шунтами, а металлических частей вблизи отводов больших токов – электромагнитными проводящими экранами.

Электромагнитные шунты используются также для защиты ярмовых балок. Этот метод может снизить добавочные потери в защищаемых металлических частях более чем на 50 %. Следует отметить, что любое экранирование должно сопровождаться контролем замыкания потока рассеяния, поскольку при неправильной установке экранов эффект может оказаться противоположным.

Цифровые интегральные трансформаторные технологии

Повышение тарифов на энергоносители, дефицит мощности и отказ от неэффективного оборудования создают предпосылки для того, чтобы потребители начали отдавать предпочтение интеллектуальным энергоэффективным устройствам.

В свою очередь производители силовых трансформаторов также уделяют большое внимание интеграции цифровизации и «умных» технологий в сферу трансформаторостроения для создания более энергоэффективных решений.

 Из-за постоянно увеличивающихся требований современной энергетики нередко возникают проблемы, связанные с распределителями – одними из наиболее важных элементов электрической сети.

Традиционные трансформаторы постепенно сдают свои позиции из-за того, что их становится всё сложнее и сложнее встраивать в современные системы передачи данных, при том что диспетчеризация и внедрение цифровых технологий необходимы для контроля, управления, повышения надежности систем и энергоэффективности.

         Специалисты компании Hitachi Energy детально изучили этот вопрос и в 2018 году разработали сухой цифровой трансформатор Hitachi Energy AbilityTM TXpertTM Dry. Установка оснащена аппаратно-программным комплексом, который собирает информацию, анализирует ее и формирует отчеты, которые информируют оперативный персонал о работе как самого агрегата, так и сети в целом.

С учетом этих данных могут приниматься решения по поводу увеличения срока работы оборудования, минимизации эксплуатационных расходов, сокращения простоев и предотвращения незапланированных отключений.

TXpertTM Dry создан на основе цифровой платформы с возможностью расширения и внедрения аналитических инструментов будущего. Поэтому программное обеспечение не утратит своей актуальности в течение всего срока службы трансформатора.

Для удобства работы персонала и обеспечения оперативного доступа к зашифрованным локальным данным без отключения распределителя система оснащена функцией удаленного доступа и подключения через Wi-Fi.

Кроме того, пользователи своевременно информируются о потенциальных угрозах с помощью всплывающих окон, что позволяет предотвратить выход оборудования из строя и гарантирует длительный срок службы.

Конструкция сухого типа, использование цифровых решений и отсутствие потребности в техническом обслуживании обеспечивают надежную работу трансформатора, повышенный уровень безопасности и сохранности данных.

В 2021 году компания Hitachi ABB Power Grids представила потребителям новую линейку силовых агрегатов, предназначенных для использования на плавучих ветряных электростанциях. Новое трансформаторное оборудование призвано повысить использование потенциала морской ветроэнергетики.

Поставленная цель достигается за счет обеспечения режимных условий для присоединения к энергетической системе плавучих ПС и ветряков нового поколения. Трансформаторы приспособлены для эксплуатации в суровых морских условиях (постоянное перемещение электростанции и мощные удары волн, высота которых достигает 15 метров).

Новая линейка представлена несколькими видами силового оборудования, разработанного для установки на плавучих станциях. В частности, она включает:

• Повышающие трансформаторы для сборных машин;
• Заземляющие устройства;
• Шунтирующие реакторы;
• Повышающие трансформаторы для ветровых турбин.

Конструкция трансформаторов собирается из отдельных модулей, каждый из которых представляет отдельную группу сборочных элементов. Агрегаты состоят из бака, специально разработанной активной части, переключателя обмотки высшего напряжения, дополнительного оборудования и внешних компонентов.

По оценкам экспертов, распределители смогут обеспечить эффективную выдачу больших объемов электроэнергии, выработанной плавучими электростанциями, в энергосистему страны.

В 2021 году подразделением Enel Infrastructure and Networks было принято решение о развертывании экосистемы TXpert для оцифровки трансформаторов Hitachi ABB Power Grids. Она предназначена для управления данными и принятия решений в процессе эксплуатации и при техническом обслуживании электротехнического оборудования.

            TXpert – это целый комплекс услуг, программных продуктов и опций, которые могут быть интегрированы в цифровое оборудование других компаний-производителей.

             В трансформаторах наиболее часто повреждаемые узлы – это обмотки, вводы и устройства регулирования напряжения под нагрузкой, позволяющие изменять характеристики напряжения без отключения агрегата.   

Экосистема анализирует ситуацию и предлагает варианты устранения возникших неисправностей. К примеру, поврежденный ввод может стать причиной разрыва верхней оболочки распределителя. Восстановление трансформатора или покупка нового агрегата обойдется энергокомпании намного дороже, чем замена высоковольтного ввода.

Использование системы TXpert для цифрового управления активами вводов позволяет в режиме онлайн контролировать состояние оборудования и принимать соответствующие меры до того, как ситуация станет критической.

Одним из основных элементов экосистемы является устройство для мониторинга и диагностики данных, которое также обеспечивает возможность подключения. По сути, это отрытая платформа, способная собирать и обрабатывать данные с датчиков TXpert Ready от разных производителей.

Это существенно упрощает процесс оцифровки трансформаторов в соответствии с современными стандартами связи и требованиями к обеспечению информационной безопасности. Пользователь может организовать локальный доступ к аналитике экосистемы или воспользоваться возможностями облачных технологий.

Данные, полученные с помощью TXpert, используются для принятия решений, обеспечивают возможность удаленного управления энергообъектами, помогают в автоматическом режиме контролировать техническое состояние и работу трансформаторов.

Экосистема может быть развернута как в новых трансформаторах, так и в агрегатах действующего парка, изготовленных разными заводами-изготовителями, с использованием стандартных решений и исходя из конкретных требований пользователя.

Возможности повышения энергоэффективности еще не исчерпаны. Потери нагрузки могут и дальше снижаться за счет использования материалов повышенной электропроводности, применения аморфных соединений и специальных марок трансформаторной стали. Развитие технологий, дальнейшее совершенствование конструкции трансформаторов и внедрение инноваций будут способствовать замене старых агрегатов экологически чистыми энергоэффективными моделями.