СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ В СССР

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

В народном хозяйстве используются трансформаторы различного, назначения в диапазоне мощностей от долей вольт-ампера до 1 млн. кВ•А и более. Принято различать трансформаторы малой мощности с выходной мощностью 4 кВ•А и ниже для однофазных и 5 кВ•А и ниже для трехфазных сетей и трансформаторы силовые мощностью от 6,3 кВ•А и более для трехфазных и от 5 кВ•А и более для однофазных сетей.

Трансформаторы малой мощности различного назначения используются в устройствах радиотехники, автоматики, сигнализации, связи и т. п., а также для питания бытовых электроприборов. Назначение силовых трансформаторов - преобразование электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии. Силовые трансформаторы подразделяются на два вида. Трансформаторы общего назначения предназначены для включения в сеть, не отличающуюся особыми условиями работы, или для питания приемников электрической энергии, не отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы. Трансформаторы специального назначения предназначены для непосредственного питания потребительской сети или приемников электрической энергии, если эта сеть или приемники отличаются особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы. К числу таких сетей или приемников электрической энергии относятся подземные рудничные сети и установки, выпрямительные установки, электрические печи и т. п.

Централизованное 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.

Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов каждой электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем пяти-шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах. Так, при напряжении на шинах электростанции 15, 75 кВ в современной сети при удалении потребителей от электростанции, питающей сеть, около 1000 км часто применяется такая последовательность шести трансформаций напряжения с учетом падения напряжения на линиях передачи: 15,75 на 525 кВ; 500 на 242 кВ; 230 на 121 кВ; 115 на 38,5 кВ; 35 на 11 кВ; 10 кВ на 0,4 или 0,69 кВ.

На рис. 1.1, а показана несколько упрощенная схема такой сети, содержащая только радиальные связи. При использовании линии электропередачи постоянного тока изменение схемы произойдет только на первом ее участке (рис. 1 1, б); в начале линии появится блок выпрямителей В и в конце - блок инверторов И. Вся остальная сеть останется без изменений.

Необходимость распределения энергии по разным радиальным направлениям 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 в 7-8 раз. В связи с увеличением удаления потребителей (распределительной сети) от крупных электростанций, размещаемых в районах сосредоточения энергетических ресурсов, и повышением напряжения линий электропередачи до 750, 1150 и далее до 1500 кВ указанное соотношение имеет тенденцию к увеличению.

Рис. 1.1. Схема расположения трансформаторов в современной электрической сети (напряжения в киловольтах): а - линии передачи переменного тока; б — линии передачи постоянного тока

Определяя место силового трансформатора в электрической сети, следует отметить, что 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.

Потери холостого хода трансформатора являются постоянными, не зависят от тока нагрузки и возникают в его магнитной системе в течение всего времени, когда он включен в сеть; Потери короткого замыкания (нагрузочные) изменяются с изменением тока нагрузки и зависят от графика нагрузки трансформатора. Характер суточного или годового графика нагрузки трансформатора зависит от его места в сети и характера нагрузки - промышленная, бытовая, сельскохозяйственная и т, д. Для экономических расчетов трансформаторы сети принято разделять на трансформаторы электрических станций, основной сети при напряжениях 110 кВ и выше и распределительной сети, непосредственно питающие потребителей при напряжениях 10 и 35 кВ.

Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов современной электрической сети, и дальнейшее развитие трансформаторостроения определяется в первую очередь развитием электрических сетей, а, следовательно, энергетики страны.

Особо важными задачами являются повышение качества трансформаторов, использование прогрессивной технологии их производства, экономия материалов при их изготовлении и возможно низкие потери энергии при их работе в сети. Экономия материалов и снижение потерь особенно важны в распределительных трансформаторах, в которых расходуется значительная часть материалов, и возникает существенная часть потерь энергии всего трансформаторного парка.

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. Так в середине 50-х годов на потери в трансформаторах расходовалось до 6 % всей энергии, выработанной электростанциями. В сериях трансформаторов, выпускавшихся в последующие годы, потери холостого хода снижены до 50 % и потери короткого замыкания на 20-25 %, однако вследствие увеличения числа ступеней трансформации в сетях, роста общей мощности трансформаторного парка, общие потери в парке трансформаторов уменьшились в меньшей степени. 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 все более широкого 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 новой прогрессивной технологией заготовки и обработки пластин и сборки магнитной системы и остова.

Новые 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 применение стыковые пространственные магнитные системы со стержнями, собранными из плоских пластин, и с ярмами, навитыми из ленты холоднокатаной стали, а также магнитные системы, собранные только из навитых элементов. Эти конструкции позволяют уменьшить расход активной стали и потери холостого хода.

Уменьшение расхода электротехнической стали при стабильности допустимой индукции достигается в настоящее время за счет изменения конструкции магнитной системы, например путем перехода от плоских к пространственным магнитным системам.

Уменьшение потерь короткого замыкания достигается главным образом понижением плотности тока за счет увеличения массы металла в обмотках. В значительной мере это стало возможным после замены медного провода алюминиевым в силовых трансформаторах общего назначения мощностью до 16 000 кВ•А.

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 общего и специального назначения еще не исчерпана.

Сокращение расхода изоляционных материалов, трансформаторного масла и металла, употребляемого на изготовление баков и систем охлаждения трансформаторов, может быть достигнуто 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 новых систем форсированного охлаждения трансформаторов с направленной циркуляцией масла в каналах обмоток и эффективных охладителях.

Рост единичных мощностей и номинальных напряжений трансформаторов, изготовляемых в СССР, по годам показан в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Рост единичных мощностей и номинальных напряжений трансформаторов, изготовляемых в СССР, по годам

Рис. 1.2. Однофазный автотрансформатор мощностью 417 МВ•А класса напряжения 750 кВ на подстанции

На рис. 1.2 приведена фотография одного из современных мощных трансформаторов —однофазного автотрансформатора мощностью 417 MB*A (1250 MB*А в трёхфазной группе) класса напряжения 750 кВ, установленного на подстанции. Линейные напряжения обмоток (в группе) ВН 750 кВ, СН 500 кВ, НН 10,6 кВ, мощности обмоток ВН и СН 417 МВ•А, НН 30 MB*А*. Система охлаждения трансформатора состоит из двух групп охладителей, установленных на отдельных фундаментах. Циркуляция масла внутри бака трансформатора и охладителей форсируется насосами, движение воздуха, обдувающего охладители, - вентиляторами. От воздействия атмосферных разрядов трансформатор защищен разрядниками, установленными вблизи трансформатора. В связи с повышением общих требований, предъявляемых энергетикой к силовым трансформаторам, расширением шкалы мощностей и напряжений в последние годы продолжалась работа по стандартизации силовых трансформаторов. Постоянное повышение верхнего предела номинальных мощностей и напряжений силовых трансформаторов сопровождается увеличением типовых мощностей, нарастающих по стандартизованной шкале с основным коэффициентом нарастания 1,6 (в отдельных местах шкалы 1,25). Увеличивается выпуск трансформаторов специального назначения - для питания электрических печей, преобразовательных устройств, рудничных установок и др., а также трансформаторов для комплектных трансформаторных подстанций. Вследствие этого постоянно увеличивается номенклатура изделий трансформаторного производства и становится необходимым более четкое разделение выпуска трансформаторов по мощностям, назначению и классам напряжения между отдельными заводами, а также сосредоточения на отдельных заводах производства однотипных трансформаторов. Наряду с масляными используются также и сухие трансформаторы с естественным воздушным охлаждением. Они находят все более широкое применение в установках внутри производственных помещений, жилых и служебных зданий, т. е. там, где установка масляных трансформаторов вследствие их взрыво- и пожароопасности недопустима. Мощность в единице этих трансформаторов достигает в нормальных сериях 1600 кВ•А при напряжении 10 кВ. В дальнейшем возможно увеличение единичной мощности до 2500 кВ А и * ВН, СН, НН — обозначение обмоток высшего, среднего и низшего напряжений, напряжения до 15 кВ. Кроме серий сухих трансформаторов для работы в зоне умеренного климата выпускаются сухие трансформаторы для работы в условиях сухих и влажных тропиков. Для обеспечения экономичной 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). Современными стандартами предусмотрен выпуск всех понижающих трансформаторов и автотрансформаторов классов напряжения 110, 150, 220, 330 и 500 кВ с РПН. При этом у двух- и трехобмоточных трансформаторов, как правило, напряжение регулируется при помощи устройства для переключения ответвлений в нейтрали обмотки высшего напряжения. У автотрансформаторов напряжение регулируется у линейного конца обмотки среднего напряжения и в отдельных случаях вблизи нейтрали обмоток. Повышающие трансформаторы этих классовнапряжения выпускаются без РПН.Трансформаторы классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью до 250 кВ•А выпускаются с переключением без возбуждения (ПБВ), а мощностью 400-630 кВ•А с ПБВ в основной массе и с РПН - некоторая часть. Двухобмоточные трансформаторы общего назначения классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью 1000-6300 кВ•А выпускаются как с ПБВ, так и с РПН, а мощностью 10000-80000 кВ•А класса напряжения 35 кВ - только с ПБВ.

При разработке трансформаторов и особенно автотрансформаторов большой мощности (более 63 000 кВ•А) возникает проблема ограничения добавочных потерь, возникающих от вихревых токов, наводимых магнитным полем рассеяния в обмотках, и вихревых токов и гистерезиса, возникающих в элементах конструкции трансформатора. Эти потери в сумме могут достигать 25-30 % полных потерь короткого замыкания

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

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

Разработка новых серий трансформаторов с пониженными потерями холостого хода производится на базе применения электротехнической холоднокатаной анизотропной тонколистовой рулонной стали марок 3404, 3405, 3406 по ГОСТ 21427-83, допускающей магнитную индукцию до 1,6-1,65 Тл при использовании современной конструкции и технологии изготовления магнитных систем.

В качестве материала обмоток в значительной части силовых трансформаторов общего назначения для мощностей до 16000 - 25000 кВ•А 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 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 «алюминиевые» трансформаторы 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 кВ•А пониженную механическую прочность самого металла.

Большой опыт выпуска трансформаторов с алюминиевыми обмотками, в частности в пределах номинальных мощностей от 10 до 16 000 кВ•А, 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 технологическом и экономическом отношении.

В последние годы усиливается интерес к применению электрооборудования, в том числе и трансформаторов, работающего в автономных электрических системах с повышенной частотой 100-400 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 уже сейчас ставит задачу создания силовых энергетических трансформаторов, рассчитанных на частоты 100-400 Гц.

Исследования поля рассеяния трансформаторов больших мощностей необходимы для создания точных методов

расчета распределения поля рассеяния 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 мощностью 250-1000 MB*А и более. Исследования поля рассеяния трансформаторов этих и меньших мощностей имеют целью также определенную организацию и локализацию этого поля за счет рационального размещения обмоток и применения магнитных экранов, позволяющих существенно уменьшить добавочные потери в обмотках и конструктивных деталях трансформатора - стенках бака, прессующих деталях обмоток и остова трансформатора.

Возможность этих исследований обеспечивается широким внедрением вычислительной техники и современных методов экспериментального исследования магнитного поля.

Важной задачей является совершенствование методов расчета трансформаторов. В условиях проектных организаций и трансформаторных заводов расчет силовых трансформаторов выполняется с использованием ЭВМ. Разработаны математические модели и комплекты стандартных программ, при помощи которых ведется расчет отдельных параметров - потерь и напряжения короткого замыкания, потерь и тока холостого хода, оптимальных размеров сечения стержня, тепловой расчет отдельных частей системы охлаждения трансформатора, его тепловой постоянной времени и др.

Особо важное значение имеют комплекты программ для расчета поля рассеяния обмоток. Эти программы позволяют выполнять расчет индукции поля рассеяния в области внутри и вне обмоток с последующим определением радиальных и осевых электродинамических сил, действующих при коротком замыкании на отдельные части обмоток, и суммарных сил для каждой обмотки, а также добавочных потерь в обмотках и деталях конструкции трансформатора.

Использование этих программ позволяет с приемлемой точностью выполнить подробный расчет поля рассеяния обмоток, электродинамических сил и добавочных потерь для каждого рассчитываемого трансформатора, что было практически недоступно при ручном методе расчета. Выявляемое при этом распределение электродинамических сил, действующих на отдельные части обмоток и мест сосредоточения добавочных потерь в отдельных деталях конструкции, позволяет должным образом организовать поле рассеяния путем рационального взаимного расположения частей обмоток и обеспечить необходимую механическую прочность обмоток при коротком замыкании трансформатора, а также добиться существенного уменьшения добавочных потерь в обмотках и деталях конструкции трансформатора.

Программы для расчета электрического поля обмоток позволяют рассчитать продольную изоляцию обмоток классов напряжения 35-1150 кВ с учетом воздействия импульсных перенапряжений и заменой большой экспериментальной работы по исследованию натуральных моделей изоляции чисто расчетной работой.

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 классов напряжения 220, 330, 500 и 750 кВ и разработка метода сушки для трансформаторов класса напряжения 1150 кВ. Правильно организованная и проведенная сушка является залогом длительной и надежной работы изоляции трансформатора в эксплуатации.

Повышение класса напряжения трансформаторов с 220 до 330, 500, 750 и 1150 кВ требует развития исследований новых изоляционных конструкций и применения изоляционных материалов повышенного качества. В области производства трансформаторов массовых выпусков мощностью от 25 до 1000-6300 кВ•А главной задачей остается совершенствование их конструкций для уменьшения расхода материалов, снижения потерь энергии в них, удешевления производства.

Примером современного подхода к проектированию новых серий трансформаторов может служить серия двух- и трехобмоточных трансформаторов общего назначения класса напряжения 110 кВ с РПН в диапазоне мощностей от 2500 до 125000 кВ•А, разработанная отечественными проектно-исследовательскими организациями и предприятиями в начале 80-х годов и ныне выпускаемая заводами. При разработке этой серии были приняты новые расчетные и конструктивные решения, позволившие улучшить изоляцию трансформатора, существенно уменьшить потери холостого хода, повысить электродинамическую стойкость обмоток и модернизировать системы охлаждения трансформаторов.

В процессе подготовки производства новой серии были

разработаны и внедрены новые комплексы технологических процессов изготовления и установки обмоток, заготовки пластин электротехнической стали и сборки магнитных систем, сборки и установки активной части. Новая серия по сравнению с предыдущей позволила получить существенное уменьшение расхода электротехнической стали, изоляционных материалов, трансформаторного масла и конструкционных материалов, а также потерь в эксплуатации трансформаторов.

Особое развитие должны получить работы по исследованию шума трансформаторов - нормированию его уровня, разработке методов измерения и понижения уровня шума.

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

Совершенно обособленную часть области трансформаторостроения представляют трансформаторы малой мощности, т. е. трансформаторы, мощность которых измеряется в пределах от долей вольт-ампера до3000 - 5000, используемые в радиотехнике, телевидении, радиоэлектронике, автоматике, устройствах связи и т. д. Массовый выпуск этих трансформаторов, измеряемый в СССР несколькими десятками миллионов штук в год, при общем расходе активных материалов, доходящем до 40—50 % расхода материалов на все силовые трансформаторы, организуется на специализированных заводах. Методика проектирования этих трансформаторов существенно отличается от методики проектирования силовых трансформаторов. Выбор оптимального варианта в зависимости от назначения трансформатора может определяться не только соображениями экономической эффективности, но также и ограничением таких показателей, как падение напряжения в трансформаторе, общая масса трансформатора, его габариты.