Трансформаторы типа Dryformer с кабельной обмоткой - новая разработка кампании АВВ Алексеев Б.А. Компания ABB, разработавшая принципиально новую конструкцию генераторов на

Трансформаторы типа Dryformer с кабельной обмоткой - новая разработка кампании АВВ
Алексеев Б.А.
Компания ABB, разработавшая принципиально новую конструкцию генераторов на
напряжение до 150 кВ с применением кабельной обмотки (система Powerformer),
распространила ее принципы на конструкцию силовых трансформаторов.
Dryformer. Новый аппарат высокого напряжения (ВН) с фирменным названием Dryformer
представляет собой трансформатор, обмотка которого выполнена кабелем ВН с изоляцией из
сшитого полиэтилена. Практически достижим уровень напряжения 220 кВ. Трансформатор
имеет воздушное охлаждение обмоток, не имеет бака и, соответственно, масла. Разработки
«сухого» трансформатора начались в 1996 г.
Отсутствие масла, снижение доли горючих материалов вдвое и больше по сравнению с
обычным трансформатором устраняют риск пожара, взрыва, загрязнения воды и почвы при
повреждении трансформатора. Это позволяет применять такие аппараты в зонах с большой
плотностью населения, в подземные установках, в экологически охраняемых регионах.
Повышается безопасность эксплуатации для персонала.
Замена масла на сухую изоляцию радикально изменила отношение к взрыву. Нет больше
опасности взрыва бака — бака нет.
Минимальный риск пожара объясняется не только отсутствием масла, но и тем, что масса
сгораемых материалов в трансформаторе меньше, чем в обычном: для Dryformer 10 MBA/69
кВ — 3400 вместо 6150 кг, для 40 МВА/69 кВ — 4300 вместо 9800 кг, для 40 МВА/145 кВ —
8800 вместо 11000 кг. Был проведен эксперимент по возгоранию кабеля: два кабеля на
напряжение 45 кВ диаметром 30 мм пропускали ток 40 кА через поврежденную изоляцию в
течение 100 мсек. В результате медный проводник испарился, но огонь по кабелю не
распространился. Часть изоляции сгорела с выделением в основном С02 и небольшого
количества СО и углеводородов.
Основным преимуществом конструкции обмотки является применение цилиндрического
проводника вместо прямоугольного, что резко снижает неравномерности электрического
поля в изоляции. Кроме того, в изготовлении такая обмотка существенно проще обычной.
Для такого трансформатора не нужны вводы ВН, просто кабель протягивается к
распределительному устройству на любую длину.
Принципиально Dryformer снижает общие потери в сети благодаря тому, что его можно
установить как угодно близко к месту нагрузки.
Перегрузочная способность обычного трансформатора ограничена термостойкостью
маслобумажной изоляции и сроком службы масла. Для Dryformer перегрузка не ограничена
старением изоляции, но повышенная температура снижает механическую прочность
обмотки, изолированной полиэтиленом. Допускается температура 80 °С при ограниченном
времени перегрузки и 70 °С при непрерывной нагрузке.
Определение температуры наиболее нагретой точки в обычном трансформаторе
производится по средней температуре обмотки, для Dryformer максимальная температура
непосредственно измеряется в верхней части трансформатора, что делает возможным более
точный контроль перегрева.
Большое внимание при разработке было уделено экологичности трансформатора. Материалы
трансформатора после завершения срока службы легче перерабатываются, значительно
меньше неперерабатываемых отходов. В эксплуатации очень важным является отсутствие
загрязнения воды и почвы, низкий показатель EGA (effect aquatic ecotoxicity). Для обычного
трансформатора утечка масла за 30 лет составляет 1 %.
Dryformer был представлен компанией ABB Transformatoren на Ганноверской ярмарке 2000
г. Отмечалось, что предельная мощность разработанной конструкции — 150 МВД,
напряжение — 145 кВ.
К 2000 г. на заводе Ludvika в Швеции были изготовлены: первый прототип 10 МВА, 52/17
кВ, однофазный (1997 г.), 20 МВА, 140/6,6 кВ для ГЭС Lottefors, Birka Energi (1999 г.), 16
МВА, 78/11 кВ для ГЭС Bergvik, Stora Enso Energi (2000 г.). Все трансформаторы имеют
устройство РПН [1-5].
Первый полноразмерный трансформатор типа Dryformer изготовлен компанией ABB
Transformatoren и введен в эксплуатацию энергокомпанией Birka Kraft в июле 1999 г. на ГЭС
Lottefors вблизи Arbra в Швеции, в 200 км севернее Стокгольма. Установка нового
трансформатора является частью реконструкции всей гидроэлектростанции.
Разработанный для установки в помещении трансформатор имеет мощность 20 МВД и
напряжение 140/6,6 кВ. Это первый в мире силовой трансформатор без масла, с обмоткой
кабельного типа.
Вариант для внешней установки, второй Dryformer мощностью 16 МВД на напряжение 78/11
кВ установлен в 2000 г. на ГЭС Bergvik, энергокомпания Stora Enso Energi.
Для трансформаторов такого типа в принципе возможны рабочие напряжения до 145 кВ и
мощности до 150 МВД.
Обмотка ВН трансформатора выполнена кабелем с изоляцией из сшитого полиэтилена и
имеет воздушное охлаждение. У трансформатора имеются две системы навесных
вентиляторов, одна — для непрерывной нагрузки, другая — резервная. Вентиляторы имеют
регулирование частоты вращения. Для соединения кабеля разного диаметра внутри обмотки
(толщина изоляции снижается от ВН до нейтрали) используются стандартные муфты.
Кабельные вводы гибкие с внешней изоляцией из кремнийорганической резины.
Потери холостого хода для трансформатора 20 МВД составляют 28,5 кВт, нагрузочные
потери -104 кВт. Для сравнения, потери обычного трансформатора такой же мощности
составляют, соответственно, 19,5 кВт и 165 кВт.
Расчетный срок службы трансформатора типа Dryformer — 30 лет, расчетные показатели
надежности: повреждаемость 0,9 случаев за 100 лет, среднее время между повреждениями
109 лет, среднее время продолжительности ремонта 12 ч. в год. Те же показатели для
обычного трансформатора: 2,4 повреждения за 100 лет, 42 года между повреждениями,
продолжительность ремонта 20 ч. в год. Помимо высокой надежности кабельной обмотки и
отсутствия маслона-полненного бака причиной низкой повреждаемости Dryformer является
меньшее число узлов — до 75 вместо 100 у обычного трансформатора.
Тепловые испытания, проведенные эксплуатирующей трансформатор энергокомпанией,
заключались в перегрузке 140% в течение 0,5 ч. после длительной работы с нагрузкой 75%,
что является нормальным для испытаний обычных трансформаторов. Длительная перегрузка
до расчетной температуры 70% при 115% нагрузки не привела к нарушению механической
прочности обмотки [2, 6].
Энергокомпания ВС Hydro, третья по величине в Канаде, заказала компании ABB два
силовых трансформатора типа Dryformer. Это первый заказ на такую продукцию со стороны
Северной Америки. Энергокомпания имеет 45 электростанций общей мощностью 10,7 ГВт,
90% из которых — ГЭС, имеет 75000 км передающих и распределительных линий и 259
подстанций.
Два силовых трансформатора мощностью по 42 МВД на напряжения 64/25 кВ будут
поставлены заводом Ludvika ABB. Трансформаторы устанавливаются на подстанции
Nicomekl (South Surrey, BC), которая войдет в строй в октябре 2002 г. [7].
В конструкции трансформаторов использована кабельная изоляция ВН, он не имеет масла.
Подстанция Nicomekl будет снабжать энергией жилой и мелкоторговый сектора в
быстроразвивающихся сельских районах South Surrey и White Rock, Британская Колумбия. В
этой зоне из-за высокой плотности населения очень велики требования к безопасности
оборудования. Особенно важно минимальное воздействие на окружающую среду,
недопустимо вытекание масла при аварии трансформатора.
Для энергокомпании ВС Hydro высокая начальная стоимость трансформаторов типа
Dryformer на подстанции Nicomekl не являлась решающей, очень важным был отказ от масла
в трансформаторе. Компания видит смысл эксперимента по внедрению трансформаторов без
масла в выполнении требований по защите окружающей среды и снижения до минимума
возможности разлива масла. Очевидные преимущества новой технологии дают возможность
применять трансформаторы типа Dryformer на обычных подстанциях, мобильных
подстанциях и подстанциях у потребителя.
Для выбранных компанией ВС Hydro по экологическим причинам и необходимости высокой
надежности трансформаторов типа Dryformer капитальные вложения больше, но за полный
срок службы расходы на эксплуатацию и защиту окружающей среды существенно меньше,
чем для обычных маслонаполненных трансформаторов, так что общий баланс — в пользу
экономии затрат. Сопоставление расчетов ABB и ВС Hydro показывает, что результирующие
расходы на эксплуатацию из-за отсутствия системы маслоснабжения и поддержания
высокого качества масла в эксплуатации, требуемых для маслонаполненных
трансформаторов, будут на 15-20% ниже, не требуется наблюдение за маслом (температура,
содержание газов и т.п.). Вместе со стоимостью эксплуатации за срок службы эти расходы
составляют около 270 тыс. долл. на трансформатор.
Другие источники снижения расходов — отказ от противопожарных барьеров, сборка и
приемка на месте установки. Снижение расходов делает целесообразным применение
трансформаторов с обмотками кабельного типа и воздушным охлаждением.
Поскольку новые трансформаторы имеют те же размеры, что масляные той же мощности, но
имеют меньше узлов, снижается риск пробоев и отказов. Из-за отсутствия
трансформаторного масла повышена сопротивляемость коротким замыканиям, риск взрыва и
пожара равен нулю, что снижает и риск повреждения персонала или прохожих.
Еще одно преимущество этих трансформаторов — в сниженном уровне шумов. ВС Hydro
проверила это на двух установленных в Швеции трансформаторах этого типа и определила,
что весь шум — от вентиляторов, для подстанции Nicomekl он составляет около 60 дБ.
Обмотка трансформаторов для подстанции Nicomekl выполнена кабелем с изоляцией из
сшитого полиэтилена нескольких градаций по толщине. Соответственно имеются
соединения кабеля с разным диаметром. Выводы обмотки соединены с кабелем ВН с
помощью сухих кабельных соединителей. Для внешних выводов применены конденсаторные
вводы из бумаги, пропитанной смолой, снаружи покрытые кремнийорганической резиной.
Сердечник трансформатора — обычный.
Вентиляторы воздушного охлаждения расположены внутри кожуха, монтируемого на месте
установки. В функции кожуха входит обеспечение направленного форсированного
воздушного охлаждения обмотки, он может быть спроектирован в соответствии с
требованиями конкретного места установки. Внутри кожуха имеются два блока
вентиляторов, один — работающий при непрерывной нагрузке, другой — при
изменяющейся.
Трансформаторы для подстанции Nicomekl отлично выдержали на стенде ABB испытания
коротким замыканием (40 кА при полном к.з.), совместные работы ABB и ВС Hydro в этом
направлении будут продолжены. Еще нет полной определенности в том, как выдерживает
опыты к.з. обмотка кабельного типа. В связи с этим, каждый из двух установленных на
подстанции Nicomekl трансформаторов будет иметь небольшие нагрузки.
Объем производства трансформаторов типа Dryformer пока невелик: канадские
трансформаторы — четвертый и пятый в мире, а в Северной Америке — вообще первые.
Когда будет налажено серийное производство трансформаторов этого типа, их
экономичность с учетом расходов за срок службы будет выше, чем у обычных
трансформаторов. Высокая надежность и ожидаемая долговечность трансформаторов
Dryformer позволят их применять в густонаселенных районах, где требуется высокий
уровень взрыво- и пожаробезопасности.
Так, например, компании ВС Hydro понадобится новый трансформатор на 230 кВ для
подземной подстанции в г. Ванкувер, под Кафедральной площадью в центре города. В
случае применения обычного маслонаполненного трансформатора он будет оснащен очень
дорогостоящей защитой и системой контроля, главной проблемой будет являться наличие
масла, даже более важной, чем опасность перегрева.
Применение трансформатора с кабельной обмоткой устранило бы потенциальную
возможность образования утечки из корпуса трансформатора. С точки зрения минимизации
ухода за трансформатором, появляется возможность редко менять воздушные фильтры
(отбор проб масла и контроль его количества не требуется). Соответственно снижается
опасность для персонала.
Вообще заказ Канады на трансформаторы типа Dryformer был опытным шагом по внедрению
новой технологии, с надеждой на будущие выгоды. Решающим было доверие к стратегии
компании ABB по созданию экономичного оборудования [8].
Бустер-трансформатор Boosterformer
Новой разработкой компании ABB в области аппаратов с кабельной обмоткой является
бустер-трансформатор Boosterformer с малым реактивным сопротивлением для
использования в сетях электрического транспорта. Как и предыдущие разработки, новый
трансформатор не маслонаполненный, его обмотки имеют кабельную изоляцию простой
конструкции.
Бустерный трансформатор тока применяется в транспортных электрических сетях для
защиты от опасных блуждающих токов, возникающих при возврате рабочего тока
электровоза через рельсы при рассеянии в земле. Возвратный ток может также протекать
через трубы водо- и газопровода, оболочки кабельных линий. Токи рассеяния могут
представлять опасность для персонала и ухудшать качество электроснабжения. Магнитные
поля тока рассеяния могут быть причиной электромагнитных помех.
Применение бустер-трансформаторов решает эти проблемы. Добавляется обратный провод
для возвратного тока, представляющий собой малое полное сопротивление на потенциале
земли и соединенный с рельсами как токоотводом. Бустер-трансформатор находится на
питающей подстанции. Он включается одной обмоткой последовательно с контактным
проводом, а другой обмоткой — в разрез возвратного провода. Такая схема вынуждает
обратный ток проходить только через возвратный провод. Бустер-трансформатор имеет
коэффициент трансформации 1:1 и очень малое полное сопротивление.
Новый бустер-трансформатор Boosterformer создан на основе технологии, использованной
при создании силовых трансформаторов Dryformer и опирающейся на опыт создания
генераторов Powerformer. Как и в этих разработках, кабель имеет центральную, круглую в
сечении многопроводниковую жилу, покрытую полупроводящим слоем, изоляцию из
сшитого полиэтилена или этиленпропиленовой резины и наружную полупроводящую
оболочку. Полупроводящие слои представляют собой полимер с включениями углерода или
металлических частиц. Внешняя полупроводящая оболочка находится под потенциалом
земли. Электрическое поле в этом случае полностью замкнуто внутри изоляции.
Равномерное электрическое поле внутри кабеля позволяет выполнять его на высокие
напряжения и снимает многие проблемы, возникающие с изоляцией обычных
трансформаторов, в частности, отсутствует риск возникновения разрядов или короны в
обмотке, гарантирована безопасность персонала, поскольку поверхность обмотки находится
под потенциалом земли.
Boosterformer полностью использует преимущества кабельной обмотки Dryformer. Новым
является совмещение двух обмоток трансформатора в одном кабеле. Это осуществляется
коаксиальной конструкцией обмотки, представляющей собой в разрезе центральную жилу,
образующую первичную обмотку, полупроводящий слой, слой изоляции, внешнюю
вторичную обмотку и защитную оболочку. Жилы, как внешняя, так и внутренняя,
многопроволочные. Коаксиальность проводов снижает их реактивное сопротивление
практически до нуля. Это обеспечивает нужные электрические свойства и высокую
сопротивляемость Boosterformer усилиям при коротких замыканиях. Коэффициент
трансформации равен 1:1.
Трансформаторные вводы заменяют стандартные кабельные разделки, что обеспечивает
высокую надежность контакта.
Предполагается высокая надежность, большая экономичность и экологическая приемлемость
этого решения для электроснабжения транспорта.
На Ганноверской ярмарке 2000 г. был представлен прототип бустер-трансформатора для
тяговой подстанции. Прототип Boosterformer создан на рабочий ток 500 А, мощность 158
кВА, рабочая частота сети 16 2/3 Гц. Уровень изоляции импульсный 170 кВ, на
промышленной частоте 70 кВ, диаметр коаксиального кабеля 38 мм.
Boosterformer создан в 1998 г. отделением компании ABB Corporate Research (U. Fromm, Ch.
Sasse, Th. Schuette и A. Carlsson). Это отделение компании известно разработками
Powerformer и Dryformer. Кабель производится компанией ABB Kabel (ныне совместное
шведско-норвежское предприятие Draka). Внедрение и маркетинг осуществляет компания
ABB Transmit (Финляндия).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. High and dry. (Трансформаторы ВН без масла).Modern Power Systems, 1999, 19, № 9, 3.
2. Back to the future. (Обратно в будущее). Modern Power Systems, 1999, 19, № 10, 31, 32.
3. Ritter H. Hannover-2000, Leistungs-transformatoren. (Силовые трансформаторы на
ярмарке «Ганновер-2000»). Elektrizitaetswirtschaft, 2000, 99, № 13,14,16,18,19.
4. Jaksts A., Leijon M., Sasse С. et al. A major break through in transformer technology.
(Крупный успех технологии трансформаторостроения). Доклад СИГРЭ 12-101,2000.
5. Baehr R. Transformer technology state-of-the art and trends of future development.
(Современная технология трансформаторостроения и тенденции разработок на
будущее). Electra, 2001, № 198, October, 13-19. (англ.).
6. First Dryformer in Operation. (Первый трансформатор типа Dryformer введен в работу).
Power Engineering International, 2000, № 4, 39, 41.
7. Delivery of two Dryformers. (Поставка двух трансформаторов с кабельными
обмотками). Power
Engineering International, 2001, 9, № 8, 11.
8. Canada Dryformer on trial. (Канада испытывает трансформатор типа Dryformer).
Modern Power Systems. 2001. 21, № 12, 40, 41.
Источник: © Алексеев Б.А.
Материал размещен на www.transform.ru: 13.09.2004 г.