Современные тенденции в производстве силовых трансформатороров

Централизованное автоматизированное производство электрической энергии на крупных электростанциях с генераторами большой единичной мощности, размещаемых вблизи расположения топливных и гидравлических энергоресурсов, позволяет получать в этих районах большие количества электрической энергии при относительно невысокой ее стоимости. Реальное использование дешевой электрической энергии непосредственно у потребителей, находящихся на значительном удалении, иногда измеряемом сотнями и тысячами километров, и рассредоточенных на территории страны, требует при этом создания сложных разветвленных электрических сетей, требующих автоматизированного управления процессом распределения электроэнергии.

Силовой трансформатор, как уже говорилось выше, является одним из важнейших элементов каждой современной автоматизированной электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях нескольких трансформаций в повышающих и понижающих трансформаторах.

Необходимость распределения энергии между многими мелкими потребителями приводит к значительному увеличению числа отдельных трансформаторов по сравнению с числом генераторов. При этом суммарная мощность трансформаторов в сети на каждой следующей ступени с более низким напряжением в целях более свободного маневрирования энергией выбирается обычно большей, чем мощность предыдущей ступени более высокого напряжения. Вследствие этих причин общая мощность всех трансформаторов, установленных в сети, в настоящее время превышает общую генераторную мощность примерно в 7-8 раз. В ближайшие время это отношение может существенно повыситься.

По мере удаления от электростанции единичные мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери, отнесенные к единице мощности, а также цена 1 кВт потерь возрастают. Поэтому значительная часть материалов, расходуемых на все силовые трансформаторы, вкладывается в наиболее отдаленные части сети, т. е. в трансформаторы с высшим напряжением 35 и 10 кВ. В этих же трансформаторах возникает основная масса потерь энергии, оплачиваемых по наиболее дорогой цене.

Поэтому в отношении силовых трансформаторов возникает требование уменьшения потерь энергии при эксплуатации. Коэффициент полезного действия трансформаторов очень велик и для большинства их составляет 98-99% и более, однако необходимость многократной трансформации энергии и установки в сетях трансформаторов с общей мощностью, в несколько раз превышающей мощность генераторов, приводит к тому, что общие потери энергии во всем парке трансформаторов достигают существенных значений.

В некоторых сериях трансформаторов предусмотрено значительное снижение потерь на единицу мощности, однако вследствие увеличения числа ступеней трансформации в сетях, роста общей мощности трансформаторного парка и наличия в сетях трансформаторов, выпущенных ранее, общие потери в трансформаторах по-прежнему оцениваются как значительные. Поэтому одной из важнейших задач в настоящее время является задача существенного уменьшения потерь энергии в трансформаторах, т. е. потерь холостого хода и потерь короткого замыкания.

Уменьшение потерь холостого хода достигается, главным образом, путем применения холоднокатаной рулонной электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами — низкими и особо низкими удельными потерями и низкой удельной намагничивающей мощностью. Применение этой стали, обладающей анизотропией магнитных свойств и очень чувствительной к механическим воздействиям при обработке — продольной и поперечной резке рулона на пластины; к толчкам и ударам при транспортировке пластин; к ударам, изгибам и сжатию пластин при сборке магнитной системы и остова, сочетается с существенным изменением конструкций магнитных систем, а также с новыми прогрессивными технологиями заготовки и обработки пластин и сборки магнитной системы и остова.

Применяемые конструкции магнитных систем характеризуются применением косых стыков пластин в углах системы, стяжкой стержней и ярм кольцевыми бандажами вместо сквозных шпилек в старых конструкциях и многоступенчатой формой сечения ярма в плоских магнитных системах. Находят широкое применение стыковые пространственные магнитные системы со стержнями, собранными из плоских пластин, и с ярмами, навитыми из ленты холоднокатаной стали. Эта конструкция позволяет уменьшить расход активной стали и потери холостого хода при увеличении тока холостого хода.

Уменьшение потерь короткого замыкания достигается главным образом понижением плотности тока за счет увеличения массы металла в обмотках. В значительной мере возможно заменой медного провода алюминиевым в силовых трансформаторах общего назначения мощностью до 16000 кВА.

Одной из важных задач, поставленных в современном машиностроении, является повышение эффективности использования материальных ресурсов — сырья, материалов, топлива и энергии. В трансформаторостроении эта задача решается в сложном комплексе мероприятий, направленных на уменьшение расхода активных, изоляционных и конструктивных материалов и на уменьшение габаритов трансформатора.

Уменьшение расхода электротехнической стали при стабильности допустимой индукции достигается за счет изменения конструкции магнитной системы, например, путем перехода от плоских к пространственным магнитным системам. В значительной части серий и типов силовых трансформаторов общего назначения мощностью до 16000 кВА медь в обмотках заменена алюминием. Дальнейшее расширение применения алюминия в трансформаторах больших мощностей ограничивается требованиями механической прочности обмоток при коротком замыкании. Возможность замены меди алюминием в обмотках некоторых типов трансформаторов специального назначения еще не исчерпана.

Сокращение расхода изоляционных материалов, трансформаторного масла и металла, употребляемого на изготовление баков и систем охлаждения трансформаторов, достигается путем снижения испытательных напряжений и уменьшения изоляционных расстояний при улучшении изоляционных конструкций на основе совершенствования технологии обработки изоляции и применения новых средств защиты трансформаторов от перенапряжений. Большой эффект в деле экономии конструктивных материалов дает также применение систем форсированного охлаждения трансформаторов с направленной форсированной циркуляцией масла в каналах обмоток и эффективных охладителях.

Постоянное повышение верхнего предела номинальных мощностей и напряжений силовых трансформаторов сопровождается увеличением типовых мощностей, нарастающих по стандартизованной шкале с основным коэффициентом нарастания, равным 1,6 (в отдельных местах шкалы 1,25). Вследствие этого постоянно увеличивается номенклатура изделий трансформаторного производства и становится необходимым более четкое разделение выпуска трансформаторов по мощностям и классам напряжения между отдельными предприятиями-изготовителями.

Увеличивается выпуск сухих трансформаторов с естественным воздушным охлаждением. Они находят широкое применение в установках внутри производственных помещений, жилых и служебных зданий, т. е. там, где установка масляных трансформаторов вследствие их взрыво- и пожароопасности недопустима. Помимо серий сухих трансформаторов для работы в зоне умеренного климата возникает необходимость их выпуска для работы в условиях сухих и влажных тропиков.

Для обеспечения экономичности работы электрических сетей и надлежащего качества энергии, отпускаемой потребителям, т. е. для поддержания постоянства напряжения возникает необходимость в расширении выпуска трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН).

При разработке трансформаторов и особенно автотрансформаторов большой мощности (более 63000 кВА) существует проблема ограничения потерь, возникающих от вихревых токов, наводимых магнитным полем рассеяния. Эти потери в некоторых трансформаторах могут достигать 30-40% и более от полных потерь короткого замыкания.

В качестве наиболее эффективных средств для уменьшения добавочных потерь широко применяют: рациональное размещение витков обмоток для уменьшения поперечной (радиальной) составляющей поля рассеяния, искусственную локализацию поля рассеяния при помощи установки магнитных шунтов из электротехнической стали и замену некоторых стальных деталей деталями из немагнитных материалов. Решение этой проблемы также осуществляется путем замены некоторых стальных деталей, в которых возникают потери от гистерезиса и от вихревых токов, неметаллическими (прессующие кольца обмоток, ярмовые прессующие балки и т. д.) или деталями из немагнитных металлов (стенка бака).

Широкое развитие электрифицированных железных дорог характеризуется выпуском достаточного количества трансформаторов для питания выпрямителей, а также специальных трансформаторов для установки на электровозах, работающих на участках, питаемых переменным током. Значительно расширен выпуск и диапазон мощностей трансформаторов для питания электрических печей, трансформаторов, заполненных негорючей жидкостью, и различных реакторов.

Разработка новых серий трансформаторов с пониженными потерями производится на базе применения холоднокатаной электротехнической рулонной стали лучших марок с низкими и особо низкими удельными потерями. В качестве материала обмоток в значительной части силовых трансформаторов общего назначения для мощностей до 25000 кВА активно применяется алюминиевый обмоточный провод. В трансформаторах больших мощностей и трансформаторах специального назначения обмотки выполняются из медного обмоточного провода.

Перевод ряда серий трансформаторов на алюминиевые обмотки позволил получить большую экономию меди, необходимой для общего увеличения выпуска трансформаторов и для увеличения массы меди в обмотках трансформаторов большой мощности с целью уменьшения потерь короткого замыкания.

Задача проектирования рациональной серии трансформаторов с алюминиевыми обмотками заключается в выборе такого соотношения основных размеров, отличающихся от размеров трансформаторов с медными обмотками, при котором наиболее полно использовалось бы положительное свойство алюминия — малая плотность, и уменьшалось бы значение отрицательных, свойств — относительно большого удельного электрического сопротивления, увеличенного объема обмоток и пониженной механической прочности провода.

Для получения в эксплуатации полной взаимозаменяемости трансформаторов с медными и алюминиевыми обмотками целесообразно проектировать те и другие с одинаковыми параметрами — потерями и напряжением короткого замыкания, потерями и током холостого хода. Практика расчета серий «алюминиевых» трансформаторов показывает, что взаимозаменяемость их с «медными» трансформаторами может быть получена при одинаковых исходных данных расчета, т. е. одинаковых марке стали, магнитной индукции в стержне, коэффициенте заполнения сталью сечения стержня и т. д. При этом трансформаторы с алюминиевыми обмотками имеют одинаковую с «медными» трансформаторами массу стали, меньшую массу, но больший объем металла обмоток, большее сечение обмоток, большую высоту магнитной системы Увеличение сечения витка алюминиевых обмоток в достаточной мере увеличивает их механическую прочность при коротком замыкании, компенсируя в трансформаторах мощностью до 16000-25000 кВА пониженную механическую прочность самого металла.

Большой опыт выпуска трансформаторов с алюминиевыми обмотками, показал, что эти трансформаторы обеспечивают полноценную замену трансформаторов с медными обмотками, так как могут иметь те же параметры холостого хода и короткого замыкания при одинаковой стоимости всего трансформатора, т. е. являются равноценными с «медными» трансформаторами в техническом и экономическом отношении.

Возрастает интерес к применению электрооборудования, в том числе и трансформаторов, работающего в электрических системах с повышенной частотой (400 Гц). С ростом частоты уменьшается масса электрооборудования (двигателей, трансформаторов и др.) и появляется возможность применения высокоскоростного электропривода. Повышенная частота используется там, где применяется ручной высокоскоростной электроинструмент с электроприводом, на лесоразработках и горных разработках на морских и речных судах, в прядильных цехах для электропривода веретен, для электроплавки и электросварки металлов и т. д. Рост мощностей автономных электрических систем повышенной частоты поставил задачу создания силовых энергетических трансформаторов, рассчитанных на частоты 100-400 Гц.

Повышение технического уровня, экономичности и качества всех видов продукции в области трансформаторострое-ния требует развития теоретических и прикладных научно-исследовательских работ.

Исследования поля рассеяния трансформаторов больших мощностей необходимы для создания современных точных методов расчета распределения поля рассеянии и вызываемых им механических сил, воздействующих на обмотки при коротком замыкании. Точное знание сил, действующих на обмотки и их отдельные части, позволит обеспечить электродинамическую стойкость и надежность трансформаторов. Исследования поля рассеяния трансформаторов имеет целью создать определенную организацию и локализацию этого доля за счет рационального размещения обмоток и применения различных магнитных шунтов и экранов, позволяющих существенно уменьшить добавочные потери в обмотках и конструктивных деталях трансформатора — стенках бака, прессующих деталях обмоток и остова трансформатора.

Важнейшим направлением научно-исследовательских работ является разработка новых прогрессивных технологических процессов и операций, обеспечивающих повышение качества трансформаторов, уменьшение трудовых затрат и экономию материалов. Особое значение имеет совершенствование сушки активных частей трансформаторов высоких классов напряжения и разработка инновационных методов сушки для трансформаторов класса напряжения 1150 кВ. Правильно организованная и проведенная сушка является залогом длительной и надежной работы изоляции трансформатора в эксплуатации.

Повышение классов напряжения трансформаторов требует развития исследований новых изоляционных конструкций и применения изоляционных материалов повышенного качества. В области трансформаторов массовых выпусков главной задачей остается совершенствование их конструкций с целью уменьшения расхода материалов, снижения потерь энергии в них, удешевления производства.

Особое развитие получают работы по исследованию шума трансформаторов — нормированию его уровня, разработке методов измерения и понижения уровня шума.

Все более и более широко используется современная вычислительная техника, как при выполнении различных исследований, так и для расчета новых типов и серий трансформаторов в условиях заводов и предприятий изготовителей.

Совершенно обособленную часть области трансформторостроения представляют трансформаторы малой мощности, которые используются в радиотехнике, телевидении, радиоэлектронике, автоматике, устройствах связи и т. д. Методика проектирования этих трансформаторов существенно отличается от методики проектирования силовых трансформаторов.