Особенности производства и применения силовых трансформаторов с сердечником из аморфной стали

background image

background image

94

Особенности производства 
и применения силовых трансформаторов 
с сердечником из аморфной стали

Снитько

 

И

.

С

.,

 

к

.

т

.

н

., 

проектный

 

менеджер

 

ООО

 «

НПК

 «

АВТОПРИБОР

»

Тумаков

 

Н

.

Ю

., 

директор

 

по

 

технологиям

 

ООО

 «

НПК

 «

АВТОПРИБОР

»

В

 

последние

 

годы

 

в

 

Рос

-

сийской

 

Федерации

 

был

 

принят

 

ряд

 

важных

 

государственных

 

доку

-

ментов

касающихся

 

энерго

-

сбережения

Среди

 

них

 

Феде

-

ральный

 

закон

 

 261-

ФЗ

  «

Об

 

энергосбережении

 

и

 

о

 

повыше

-

нии

 

энергетической

 

эффектив

-

ности

 

и

 

о

 

внесении

 

изменений

 

в

 

отдельные

 

законодательные

 

акты

 

Российской

 

Федерации

», 

а

 

также

 

Энергетическая

 

стра

-

тегия

 

России

 

на

 

период

 

до

 

2035 

года

которая

 

не

 

только

 

определяет

 

переход

 

на

 

путь

 

ин

-

новационного

 

и

 

энергоэффек

-

тивного

 

развития

 

в

 

качестве

 

одного

 

из

 

главных

 

векторов

 

раз

-

вития

 

отрасли

но

 

и

 

формирует

 

требования

 

к

 

общему

 

повы

-

шению

 

энергоэффективности

 

в

 

отраслях

 

топливно

-

энергети

-

ческого

 

комплекса

 

и

 

экономике

 

в

 

целом

Одним

 

из

 

путей

 

повышения

 

энергоэффективности

 

рас

-

пределительного

 

комплекса

 

электроэнергетической

 

систе

-

мы

 

России

 

является

 

внедрение

 

нового

 

оборудования

обеспе

-

чивающего

 

снижение

 

потерь

 

электроэнергии

В

 

настоящее

 

время

 

в

 

этом

 

направлении

 

наи

-

более

 

перспективным

 

является

 

применение

 

инновационных

 

си

-

ловых

 

трансформаторов

 

с

 

сер

-

дечником

 

из

 

аморфной

 

стали

 

(

аморфных

 

трансформаторов

), 

уровень

 

потерь

 

электроэнергии

 

которых

 

принципиально

 

ниже

чем

 

у

 

трансформаторов

 

тради

-

ционной

 

конструкции

Традиционно

 

в

 

России

 

приме

-

няются

 

трансформаторы

 

с

 

сер

-

дечником

 

из

 

специального

 «

кри

-

сталлического

» 

железа

  (

рису

-

нок

  1

а

), 

главным

 

недостатком

 

которого

 

является

 

высокое

 

со

-

противление

 

и

как

 

следствие

существенные

 

потери

 

электро

-

энергии

Принципиально

 

иными

 

свойствами

 

обладает

 

аморф

-

ная

 

сталь

 (

рисунок

 1

б

): 

лучшие

 

электромагнитные

 

характери

-

стики

повышенная

 

прочность

 

и

 

твердость

высокая

 

коррози

-

онная

 

стойкость

превосходя

-

щий

 

предел

 

упругости

то

 

есть

 

способность

 

сохранять

 

свою

 

первоначальную

 

форму

 

после

 

прохождения

 

очень

 

высоких

 

на

-

грузок

 

и

 

напряжений

а

 

также

 

высокая

 

износостойкость

а

б

)

Рис

. 1. 

Модели

 

структуры

 

электротехнической

 (

а

и

 

аморфной

 (

б

стали

оборудование

Стоит

 

упомянуть

что

 

дан

-

ный

 

материал

 

гораздо

 

дороже

 

электротехнической

 

стали

а

 

так

-

же

 

требует

 

специальных

 

техно

-

логических

 

операций

 

и

 

приспо

-

соблений

 

при

 

использовании

 

в

 

трансформаторостроении

.

Применение

 

энергоэффек

-

тивных

 

трансформаторов

 

явля

-

ется

 

мировой

 

тенденцией

в

 

за

-

падных

 

странах

 

установлены

 

жесткие

 

требования

 

к

 

уровню

 

потерь

 

холостого

 

хода

 

и

 

ко

-

роткого

 

замыкания

 

трансфор

-

маторов

а

 

Китай

 

определил

 

аморфные

 

распределительные

 

трансформаторы

 

в

 

качестве

 

од

-

ного

 

из

 

основных

 

векторов

 

раз

-

вития

 

энергетической

 

отрасли

.

До

 

недавнего

 

времени

 

про

-

изводство

 

трансформаторов

 

с

 

сердечником

 

из

 

аморфной

 

стали

 

в

 

России

 

было

 

затруд

-

нено

 

по

 

ряду

 

причин

таких

 

как

 

отсутствие

 

отечественных

 

про

-

изводителей

 

ленты

 

из

 

аморф

-

ной

 

стали

недостаточность

 

опыта

 

эксплуатации

 

указанных

 

трансформаторов

вопросы

 

технического

 

и

 

гарантийного

 

обслуживания

 

и

 

высокая

 

цена

 

на

 

сплав

.

В

 

настоящее

 

время

 

на

 

российском

 

рынке

 

активно

 

заполняется

 

ниша

 

энергоэф

-

фективных

 

трансформаторов

 

отечественного

 

производства

Но

 

количество

 

производите

-

лей

предлагающих

 

аморф

-

ные

 

трансформаторы

мало

ООО

  «

НПК

  «

АВТОПРИБОР

» 

является

 

единственным

 

в

 

стра

-

нах

 

ЕС

 

производителем

 

сило

-

вых

 

энергоэффективных

 

транс

-

форматоров

 

с

 

сердечником

 

из

 

аморфной

 

стали

 

собственного

 

производства

На

 

предприятии

 

организован

 

полный

 

цикл

 

про

-

изводства

начиная

 

с

 

конструи

-

рования

 

объектов

литья

 

стали

 

и

 

сборки

 

магнитопроводов

 

уни

-


background image

95

кальной

 

конструкции

 

и

 

заканчивая

 

приемо

-

сдаточными

 

испытаниями

 

готовых

 

изделий

Путь

который

 

мы

 

прошли

 

и

 

по

 

которому

 

продолжа

-

ем

 

движение

 

совместно

 

с

 

нашими

 

партнерами

наполнен

 

научно

-

тех

-

ническими

 

решениями

позволяю

-

щими

 

сохранять

 

технологический

 

суверенитет

 

России

.

Аморфная

 

сталь

 

обладает

 

структурой

в

 

которой

 

отсутствует

 

кристаллическая

 

решетка

  (

рису

-

нок

  1

б

). 

Изготавливается

 

она

 

ме

-

тодом

 

спиннингования

 

расплава

иными

 

словами

когда

 

струя

 

рас

-

плавленного

 

сплава

 

под

 

избы

-

точным

 

давлением

 

газа

 

подается

 

через

 

отверстие

 

на

 

поверхность

 

вращающегося

 

с

 

большой

 

скоро

-

стью

 

охлаждаемого

 

барабана

Удельные

 

потери

 

аморфной

 

стали

 

гораздо

 

ниже

чем

 

у

 

электро

-

технической

 

стали

Для

 

примера

у

 

стали

 3408 

по

 

ГОСТ

 21427.1-83 (

на

 

частоте

 50 

Гц

 

при

 

рабочей

 

индук

-

ции

 1,7 

Тл

 

и

 

толщине

 

листа

 0,3 

мм

потери

 

нормируются

 

на

 

уровне

 

не

 

более

 1,2 

Вт

/

кг

Нами

 

были

 

прове

-

дены

 

исследования

 

для

 

определе

-

ния

 

оптимального

 

состава

 

аморф

-

ного

 

сплава

 

с

 

целью

 

уменьшения

 

потерь

Первые

 

результаты

 

при

 

постановке

 

технологии

 

позволи

-

ли

 

получить

 

значения

 

не

 

более

 

0,4 

Вт

/

кг

 

при

 

номинальной

 

частоте

 

работы

 

силового

 

трансформатора

 

и

 

расчетной

 

индукции

Дальнейшее

 

снижение

 

потерь

 

было

 

получено

 

за

 

счет

 

доработки

 

технологических

 

процессов

 

и

 

работ

 

по

 

уточнению

 

химического

 

состава

 

сплавов

 

для

 

достижения

 

высокой

 

технологичности

 

процесса

 

получе

-

ния

 

аморфных

 

лент

 

и

 

обеспечения

 

минимально

 

возможного

 

уровня

 

удельных

 

потерь

Для

 

минимизации

 

роста

 

удельных

 

потерь

 

в

 

готовом

 

сердечнике

 

проведена

 

большая

 

работа

 

с

 

подбором

 

и

 

доработкой

 

рецептур

 

специальных

 

материа

-

лов

позволяющих

 

полностью

 

снять

 

и

 

перераспределить

 

механические

 

напряжения

возникающие

 

в

 

про

-

цессе

 

изготовления

 

и

 

эксплуатиро

-

вания

 

сердечника

 

трансформатора

.

При

 

технологических

 

изыскани

-

ях

 

учитывались

в

 

первую

 

очередь

особенности

 

аморфного

 

сплава

 — 

его

 

малая

 

толщина

 

и

 

высокая

 

хруп

-

кость

 

после

 

придания

 

требуемых

 

электромагнитных

 

характеристик

 

путем

 

термомагнитной

 

обработки

В

 

настоящее

 

время

 

применяется

 

технология

 

капсулирования

 

сердеч

-

ника

заключающаяся

 

во

 

всесто

-

роннем

 

покрытии

 

магнитопровода

 

трансформатора

 

компаундом

 

спе

-

циальной

 

рецептуры

В

 

результате

 

капсулированный

 

сердечник

 

позво

-

ляет

 

обеспечить

 

полную

 

разгрузку

 

магнитопровода

 

от

 

механических

 

напряжений

демпфировать

 

ви

-

брационные

 

нагрузки

 

в

 

процессе

 

транспортировки

 

и

 

эксплуатации

обеспечить

 

полную

 

защиту

 

магнито

-

провода

 

от

 

окружающей

 

среды

будь

 

то

 

воздействие

 

атмосферы

 

или

 

сре

-

ды

 

жидкого

 

диэлектрика

Материал

которым

 

производится

 

капсулирова

-

ние

обладает

 

всеми

 

необходимы

-

ми

 

свойствами

такими

 

как

 

полная

 

маслостойкость

широкий

 

диапазон

 

рабочей

 

температуры

 

без

 

потери

 

свойств

 

от

 

минус

 60°

С

 

до

 

плюс

 180°

С

 

градусов

полная

 

химическая

 

и

 

вла

-

гостойкость

А

 

комбинированные

 

упруго

-

эластичные

 

свойства

 

поз

-

воляют

 

практически

 

полностью

 

ис

-

ключить

 

вибрационные

 

нагрузки

 

на

 

аморфный

 

материал

.

Отличительная

 

особенность

 

на

-

ших

 

трансформаторов

 — 

простран

-

ственная

 

конструкция

  (

рисунок

 2). 

Она

 

была

 

выбрана

 

не

 

случайно

 — 

применение

 

данной

 

магнитной

 

сис

-

темы

 

позволяет

 

уменьшить

 

мас

-

су

 

активной

 

стали

 

до

 7% 

и

 

потери

 

холостого

 

хода

 

до

 10% 

при

 

суще

-

ственном

  (

в

 2–3 

раза

уменьшении

 

тока

 

холостого

 

хода

 

по

 

сравнению

 

с

 

плоской

 

шихтованной

 

системой

На

 

практике

 

благодаря

 

применению

 

пространственного

 

сердечника

 

из

 

аморфной

 

стали

 

удалось

 

снизить

 

массу

 

магнитопровода

 

на

 20–25% 

и

 

получить

 

потери

превосходящие

 

уровень

 

потерь

 

ХХ

 

и

 

КЗ

 

по

 

сравне

-

нию

 

с

 

классом

 

энергоэффективно

-

сти

 

Х

4

К

по

 

СТО

 34.01-3.2-011-2021 

«

Трансформаторы

 

силовые

 

распре

-

делительные

 6–10 

кВ

 

мощностью

 

63–2500 

кВА

Требования

 

к

 

уровню

 

потерь

 

холостого

 

хода

 

и

 

короткого

 

замыкания

». 

Рис

. 2. 

Пространственная

 

магнит

-

ная

 

система

Также

 

неоспоримым

 

преимуще

-

ством

 

применения

 

пространствен

-

ной

 

магнитной

 

системы

 

является

 

магнитная

 

симметрия

За

 

счет

 

рав

-

номерного

 

распределения

 

магнит

-

ного

 

поля

 

по

 

стержням

 

магнитопро

-

вода

  (

рисунок

 3) 

обуславливается

 

и

 

симметричный

 

режим

 

работы

 

об

-

моток

 

во

 

всех

 

режимах

 

работы

Свойство

 

равномерности

 

благо

-

даря

 

пространственной

 

магнитной

 

системе

 

относится

 

и

 

к

 

теплово

-

му

 

режиму

 

работы

 

трансформа

-

тора

 — 

тепловое

 

поле

 

распро

-

страняется

 

равномерно

 

по

 

фазам

 

трансформатора

  (

рисунок

 4), 

что

 

приводит

 

к

 

снижению

 

температур

-

ной

 

нагрузки

 

и

 

равномерному

 

ста

-

рению

 

изоляционных

 

материалов

.

Основной

 

недостаток

 

простран

-

ственной

 

конструкции

 — 

повышен

-

ные

 

габариты

 (

из

-

за

 

расположения

 

обмоток

 

в

 

двух

 

плоскостях

 

размер

 

«

по

 

глубине

» 

увеличивается

 

при

-

мерно

 

в

 

два

 

раза

 

по

 

сравнению

 

с

 

трансформаторами

 

с

 

плоской

 

магнитной

 

системой

), 

что

 

не

 

всег

-

да

 

удобно

 

для

 

существующих

 

КТП

Однако

 

данные

 

сложности

 

реша

-

ются

 

совместными

 

усилиями

 

с

 

экс

-

плуатирующими

 

организациями

.

При

 

проектировании

 

силовых

 

трансформаторов

 

с

 

сердечником

 

из

 

а

б

)

Рис

. 3. 

Распределение

 

магнитных

 

потоков

 

в

 

плоской

 

шихтованной

 

магнит

-

ной

 

системе

 (

а

и

 

пространственной

 

навитой

 (

б

)

 3 (84) 2024


background image

96

ОБОРУДОВАНИЕ

аморфной

 

стали

 

используется

 

уни

-

кальная

 

система

 

автоматизированно

-

го

 

проектирования

настроенная

 

под

 

производство

 

ООО

  «

НПК

  «

АВТО

-

ПРИБОР

» 

и

 

учитывающая

 

осо

-

бенности

 

трансформаторов

 

с

 

сер

-

дечником

 

из

 

аморфной

 

стали

В

 

состав

 

данной

 

САПР

 

вхо

-

дят

 

современные

 

имитационные

 

и

 

расчетные

 

модели

позволяю

-

щие

 

уже

 

на

 

этапе

 

проектирования

 

анализировать

 

возможные

 

режи

-

мы

 

работы

 

с

 

целью

 

оценки

 

потен

-

циальных

 

рисков

 

и

 

работоспособ

-

ности

 

трансформатора

 

в

 

особо

 

опасных

 

режимах

 

работы

Напри

-

мер

система

 

расчета

 

тепловых

 

полей

 

в

 

силовых

 

трансформато

-

рах

 

методом

 

конечных

 

разностей

 

позволяет

 

рассчитывать

 

на

 

этапе

 

проектирования

 

превышение

 

тем

-

пературы

 

обмоток

 

с

 

детализацией

 

по

 

слоям

.

В

 

настоящее

 

время

 

ведутся

 

дальнейшие

 

работы

 

по

 

улучше

-

нию

 

конструкции

 — 

обновленная

 

конструкция

 

магнитопровода

  (

ри

-

сунок

 5) 

обладает

 

лучшими

 

ха

-

рактеристиками

 

с

 

точки

 

зрения

 

заполняемости

 

катушки

 

сердеч

-

ником

снижения

 

удельных

 

потерь

 

за

 

счет

 

дальнейшего

 

совершен

-

ствования

 

технологии

 

получения

 

аморфных

 

сталей

 

с

 

учетом

 

вли

-

яния

 

переохлаждения

темпера

-

турной

 

и

 

временной

 

зависимости

 

вязкости

 

аморфных

 

сплавов

Применение

 

данной

 

конструк

-

ции

 

позволяет

 

повысить

 

скорость

 

конвекционных

 

потоков

  (

рису

-

нок

 6), 

что

 

приводит

 

к

 

более

 

эф

-

фективной

 

циркуляции

 

масла

 

и

 

уменьшению

 

конвекционного

 

нагрева

При

 

этом

 

превышение

 

температуры

 

аморфного

 

транс

-

форматора

 

над

 

температурой

 

окружающей

 

среды

 

составляет

 

не

 

более

 15 

градусов

 

при

 

равно

-

мерном

 

распределении

 

терми

-

ческой

 

нагрузки

 

по

 

основным

 

токоведущим

 

элементам

Таким

 

образом

обновленная

 

конструк

-

ция

 

позволит

 

снизить

 

потери

 

до

 

уровня

 

энергоэффективности

 

Х

4+

К

3+, 

то

 

есть

 

выйти

 

за

 

преде

-

лы

 

требований

 

отраслевых

 

стан

-

дартов

задавая

 

тренды

 

развития

 

отрасли

получив

 

при

 

этом

 

допол

-

нительные

 

преимущества

 

в

 

виде

 

сниженных

 

потерь

 

и

следова

-

тельно

повышенной

 

надежности

 

и

 

перегрузочной

 

способности

 

СТ

.

Сниженные

 

потери

 

вкупе

 

с

 

по

-

вышенным

 

теплоотводом

 

ведут

 

к

 

снижению

 

износа

 

изоляции

что

 

напрямую

 

влияет

 

на

 

увеличение

 

срока

 

службы

 

силового

 

трансфор

-

матора

 — 

снижение

 

температуры

 

на

 

каждые

 6 

градусов

 

сокращает

 

скорость

 

износа

 

изоляции

 

вдвое

В

 

настоящее

 

время

 

в

 

соответствии

 

с

 

ГОСТ

 

Р

 52719 

нормируемый

 

срок

 

службы

обусловленный

 

именно

 

термическим

 

износом

 

витковой

 

изоляции

определяется

 

по

 

фор

-

муле

 

Аррениуса

 (

или

 

по

 

соотноше

-

нию

 

Монтсингера

 

в

 

упрощенном

 

случае

и

 

составляет

 

не

 

менее

 

30 

лет

:

 

 

 + 

 

T

L

 = 

e

      

e



,

где

 

 — 

постоянные

T

 — 

аб

-

солютная

 

температура

 — 

тем

-

пература

, °

С

.

Температурный

 

режим

 

работы

 

обмоток

 

и

соответственно

изо

-

ляции

характеризуется

 

темпера

-

турой

 

наиболее

 

нагретой

 

точки

определяемой

 

загрузкой

 

транс

-

форматора

соотношением

 

между

 

потерями

 

ХХ

 

и

 

КЗ

 

и

 

непосред

-

ственно

 

величиной

 

этих

 

потерь

 1 

RK

2

a

 + 

ir

 

 + 

H

qr 

K

y

,

 1 

R

 

где

 

a

 — 

температура

 

охлаждаю

-

щей

 

среды

, °

С



ir

 — 

превышение

 

температуры

 

масла

 

на

 

выходе

 

из

 

обмотки

  (

для

 

трансформаторов

 

с

 

масляным

 

охлаждением

 

при

-

нимается

 

равной

 

температуре

 

масла

 

в

 

верхних

 

слоях

), °

С

R

 — 

отношение

 

потерь

 

короткого

 

за

-

мыкания

 

к

 

потерям

 

холостого

 

хода

H

qr

 — 

градиент

 

температу

-

ры

 

наиболее

 

нагретой

 

точки

, °

С

K

 — 

загрузка

 

трансформатора

y

 — 

показатель

 

степени

 

коэффи

-

циента

 

нагрузки

 

при

 

расчете

 

пре

-

вышения

 

температуры

 

обмотки

.

Рис

. 5. 

Обновленная

 

конструкция

 

магнитопровода

Рис

. 6. 

Иллюстрация

 

конвекцион

-

ных

 

потоков

 

для

 

трансформатора

 

обновленной

 

конструкции

а

б

Рис

. 4. 

Распределение

 

теплового

 

поля

 

для

 

плоской

 

шихтованной

 (

а

и

 

пространственной

 (

б

магнитных

 

систем

 

трансформатора


background image

97

По

 

методике

описанной

 

в

 

ГОСТ

 

14209-85, 

были

 

рассчитаны

 

ос

-

новные

 

показатели

 

и

 

произве

-

дено

 

сравнение

 

теоретических

 

значений

 

сроков

 

службы

 

силовых

 

трансформаторов

 

классов

 

энер

-

гоэффективности

 

Х

4+

К

3+ 

и

 

Х

2

К

2, 

то

 

есть

 

инновационных

разра

-

батываемых

 

и

 

изготавливаемых

 

ООО

 «

НПК

 «

АВТОПРИБОР

» 

и

 

внед

-

ряемых

 

повсеместно

 

в

 

настоящее

 

время

Результаты

 

расчета

 

темпе

-

ратур

 

ННТ

 

для

 

трансформаторов

 

разных

 

классов

 

энергоэффектив

-

ности

 

и

 

отношения

 

сроков

 

службы

 

данных

 

трансформаторов

 

приве

-

дены

 

в

 

таблице

 1. 

На

 

рисунках

 7 

и

 8 

проиллюстрированы

 

получен

-

ные

 

зависимости

 

от

 

коэффициен

-

та

 

загрузки

Из

 

результатов

 

можно

 

сделать

 

вывод

что

 

все

 

применяемые

 

на

-

учно

-

технические

 

решения

 

при

-

водят

 

к

 

значительному

 

увели

-

чению

 

срока

 

службы

 — 

до

 8 

раз

 

при

 100%-

ной

 

загрузке

 

трансфор

-

матора

При

 

этом

 

срок

 

службы

 

трансформатора

 

при

 

отсутствии

 

перегрузок

 

будет

 

значительно

 

превышать

 

нормируемый

 

срок

 

службы

 

в

 30 

лет

.

Отметим

что

 

в

 

настоящее

 

время

 

силовые

 

трансформато

-

ры

 

ООО

  «

НПК

  «

АВТОПРИБОР

» 

успешно

 

прошли

 

ОПЭ

 

в

 

ряде

 

ДЗО

 

группы

 

компаний

 «

Россети

». 

Кро

-

ме

 

того

было

 

получено

 

положи

-

тельное

 

Заключение

 

аттестаци

-

онной

 

комиссии

 

ПАО

  «

Россети

» 

по

 

проверке

 

качества

 

оборудо

-

вания

К

 

настоящему

 

моменту

 

на

 

объектах

 

ПАО

  «

Россети

» 

уста

-

новлено

 

и

 

успешно

 

эксплуати

-

руется

 

более

 400 

инновацион

-

ных

 

силовых

 

трансформаторов

 

с

 

сердечниками

 

из

 

аморфной

 

стали

.

Кроме

 

масляных

 

трансформа

-

торов

нами

 

в

 

настоящее

 

время

 

разрабатываются

 

сухие

 

транс

-

форматоры

 

с

 

сердечником

 

из

 

аморфной

 

стали

 

в

 

соответствии

 

с

 

постановлением

 

Правительства

 

РФ

 

 1649 12.12.2019 

в

 

рам

-

ках

 

разработки

 

современной

 

«

Технологии

 

производства

 

про

-

странственного

 

магнитопровода

 

из

 

российской

 

аморфной

 

стали

 

и

 

активной

 

части

 

сухих

 

силовых

 

трансформаторов

 160, 250, 400, 

630, 1000 

кВА

». 

Р

Табл

. 1. 

Сравнение

 

сроков

 

службы

 

силовых

 

трансформаторов

 

классов

 

энергоэффективности

 

Х

4+

К

3+ 

и

 

Х

2

К

2

Коэф

-

фициент

 

загрузки

Температура

 

наиболее

 

нагретой

 

точки

Увеличение

 

срока

 

службы

 

транс

-

форматоров

 

классов

 

энергоэффек

-

тивности

 

Х

4+

К

3+ 

против

 

Х

2

К

2, 

раз

Х

4+

К

3+

Х

2

К

2

0,7

76,8

90,5

5,36

0,75

81,1

95,4

5,76

0,768

82,7

97,2

5,91

0,8

85,5

100,4

6,18

0,85

89,9

105,5

6,64

0,9

94,4

110,6

7,14

0,94

98,1

114,7

7,56

0,95

99,0

115,8

7,67

1

103,6

121,0

8,25

1,05

108,2

126,3

8,87

1,1

112,9

131,6

9,54

1,2

122,5

142,5

11,05

Рис

. 7. 

Зависимость

 

температуры

 

наиболее

 

нагретой

 

точки

 

от

 

коэффициента

 

загрузки

 

для

 

трансформаторов

 

классов

 

энергоэффективности

 

Х

4+

К

3+ 

и

 

Х

2

К

2

Рис

. 8. 

Отношение

 

сроков

 

службы

 

силовых

 

трансформаторов

 

классов

 

энер

-

гоэффективности

 

Х

4+

К

3+ 

к

 

Х

2

К

2

600016, 

г

Владимир

ул

Большая

 

Нижегородская

д

. 94

+7 (4922) 40-48-88, [email protected], www.avtopribor.ru

 3 (84) 2024


Оригинал статьи: Особенности производства и применения силовых трансформаторов с сердечником из аморфной стали

Читать онлайн

Снитько И.С., к.т.н., проектный менеджер ООО «НПК «АВТОПРИБОР»
Тумаков Н.Ю., директор по технологиям ООО «НПК «АВТОПРИБОР»

В последние годы в Российской Федерации был принят ряд важных государственных документов, касающихся энергосбережения. Среди них Федеральный закон № 261–ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», а также Энергетическая стратегия России на период до 2035 года, которая не только определяет переход на путь инновационного и энергоэффективного развития в качестве одного из главных векторов развития отрасли, но и формирует требования к общему повышению энергоэффективности в отраслях топливно-энергетического комплекса и экономике в целом.

Одним из путей повышения энергоэффективности распределительного комплекса электроэнергетической системы России является внедрение нового оборудования, обеспечивающего снижение потерь электроэнергии. В настоящее время в этом направлении наиболее перспективным является применение инновационных силовых трансформаторов с сердечником из аморфной стали (аморфных трансформаторов), уровень потерь электроэнергии которых принципиально ниже, чем у трансформаторов традиционной конструкции.

Традиционно в России применяются трансформаторы с сердечником из специального «кристаллического» железа (рисунок 1а), главным недостатком которого является высокое сопротивление и, как следствие, существенные потери электроэнергии. Принципиально иными свойствами обладает аморфная сталь (рисунок 1б): лучшие электромагнитные характеристики, повышенная прочность и твердость, высокая коррозионная стойкость, превосходящий предел упругости, то есть способность сохранять свою первоначальную форму после прохождения очень высоких нагрузок и напряжений, а также высокая износостойкость.

Рис. 1. Модели структуры электротехнической (а) и аморфной (б) стали

Стоит упомянуть, что данный материал гораздо дороже электротехнической стали, а также требует специальных технологических операций и приспособлений при использовании в трансформаторостроении.

Применение энергоэффективных трансформаторов является мировой тенденцией: в западных странах установлены жесткие требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания трансформаторов, а Китай определил аморфные распределительные трансформаторы в качестве одного из основных векторов развития энергетической отрасли.

До недавнего времени производство трансформаторов с сердечником из аморфной стали в России было затруднено по ряду причин, таких как отсутствие отечественных производителей ленты из аморфной стали, недостаточность опыта эксплуатации указанных трансформаторов, вопросы технического и гарантийного обслуживания и высокая цена на сплав.

В настоящее время на российском рынке активно заполняется ниша энергоэффективных трансформаторов отечественного производства. Но количество производителей, предлагающих аморфные трансформаторы, мало. ООО «НПК «АВТОПРИБОР» является единственным в странах ЕС производителем силовых энергоэффективных трансформаторов с сердечником из аморфной стали собственного производства. На предприятии организован полный цикл производства, начиная с конструирования объектов, литья стали и сборки магнитопроводов уникальной конструкции и заканчивая приемо-сдаточными испытаниями готовых изделий. Путь, который мы прошли и по которому продолжаем движение совместно с нашими партнерами, наполнен научно-техническими решениями, позволяющими сохранять технологический суверенитет России.

Аморфная сталь обладает структурой, в которой отсутствует кристаллическая решетка (рисунок 1б). Изготавливается она методом спиннингования расплава, иными словами, когда струя расплавленного сплава под избыточным давлением газа подается через отверстие на поверхность вращающегося с большой скоростью охлаждаемого барабана.

Удельные потери аморфной стали гораздо ниже, чем у электротехнической стали. Для примера, у стали 3408 по ГОСТ 21427.1–83 (на частоте 50 Гц при рабочей индукции 1,7 Тл и толщине листа 0,3 мм) потери нормируются на уровне не более 1,2 Вт/кг. Нами были проведены исследования для определения оптимального состава аморфного сплава с целью уменьшения потерь. Первые результаты при постановке технологии позволили получить значения не более 0,4 Вт/кг при номинальной частоте работы силового трансформатора и расчетной индукции.

Дальнейшее снижение потерь было получено за счет доработки технологических процессов и работ по уточнению химического состава сплавов для достижения высокой технологичности процесса получения аморфных лент и обеспечения минимально возможного уровня удельных потерь. Для минимизации роста удельных потерь в готовом сердечнике проведена большая работа с подбором и доработкой рецептур специальных материалов, позволяющих полностью снять и перераспределить механические напряжения, возникающие в процессе изготовления и эксплуатирования сердечника трансформатора.

При технологических изысканиях учитывались, в первую очередь, особенности аморфного сплава — его малая толщина и высокая хрупкость после придания требуемых электромагнитных характеристик путем термомагнитной обработки. В настоящее время применяется технология капсулирования сердечника, заключающаяся во всестороннем покрытии магнитопровода трансформатора компаундом специальной рецептуры. В результате капсулированный сердечник позволяет обеспечить полную разгрузку магнитопровода от механических напряжений, демпфировать вибрационные нагрузки в процессе транспортировки и эксплуатации, обеспечить полную защиту магнитопровода от окружающей среды, будь то воздействие атмосферы или среды жидкого диэлектрика. Материал, которым производится капсулирование, обладает всеми необходимыми свойствами, такими как полная маслостойкость, широкий диапазон рабочей температуры без потери свойств от минус 60°С до плюс 180°С градусов, полная химическая и влагостойкость. А комбинированные упруго-эластичные свойства позволяют практически полностью исключить вибрационные нагрузки на аморфный материал.

Рис. 2. Пространственная магнитная система

Отличительная особенность наших трансформаторов — пространственная конструкция (рисунок 2). Она была выбрана не случайно — применение данной магнитной системы позволяет уменьшить массу активной стали до 7% и потери холостого хода до 10% при существенном (в 2–3 раза) уменьшении тока холостого хода по сравнению с плоской шихтованной системой. На практике благодаря применению пространственного сердечника из аморфной стали удалось снизить массу магнитопровода на 20–25% и получить потери, превосходящие уровень потерь ХХ и КЗ по сравнению с классом энергоэффективности Х4К3 по СТО 34.01–3.2–011–2021 «Трансформаторы силовые распределительные 6–10 кВ мощностью 63–2500 кВА. Требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания».

Также неоспоримым преимуществом применения пространственной магнитной системы является магнитная симметрия. За счет равномерного распределения магнитного поля по стержням магнитопровода (рисунок 3) обуславливается и симметричный режим работы обмоток во всех режимах работы.

Рис. 3. Распределение магнитных потоков в плоской шихтованной магнитной системе (а) и пространственной навитой (б)

Свойство равномерности благодаря пространственной магнитной системе относится и к тепловому режиму работы трансформатора — тепловое поле распространяется равномерно по фазам трансформатора (рисунок 4), что приводит к снижению температурной нагрузки и равномерному старению изоляционных материалов.

Рис. 4. Распределение теплового поля для плоской шихтованной (а) и пространственной (б) магнитных систем трансформатора

Основной недостаток пространственной конструкции — повышенные габариты (из-за расположения обмоток в двух плоскостях размер «по глубине» увеличивается примерно в два раза по сравнению с трансформаторами с плоской магнитной системой), что не всегда удобно для существующих КТП. Однако данные сложности решаются совместными усилиями с эксплуатирующими организациями.

При проектировании силовых трансформаторов с сердечником из аморфной стали используется уникальная система автоматизированного проектирования, настроенная под производство ООО «НПК «АВТОПРИБОР» и учитывающая особенности трансформаторов с сердечником из аморфной стали.

В состав данной САПР входят современные имитационные и расчетные модели, позволяющие уже на этапе проектирования анализировать возможные режимы работы с целью оценки потенциальных рисков и работоспособности трансформатора в особо опасных режимах работы. Например, система расчета тепловых полей в силовых трансформаторах методом конечных разностей позволяет рассчитывать на этапе проектирования превышение температуры обмоток с детализацией по слоям.

В настоящее время ведутся дальнейшие работы по улучшению конструкции — обновленная конструкция магнитопровода (рисунок 5) обладает лучшими характеристиками с точки зрения заполняемости катушки сердечником, снижения удельных потерь за счет дальнейшего совершенствования технологии получения аморфных сталей с учетом влияния переохлаждения, температурной и временной зависимости вязкости аморфных сплавов.

Применение данной конструкции позволяет повысить скорость конвекционных потоков (рисунок 6), что приводит к более эффективной циркуляции масла и уменьшению конвекционного нагрева. При этом превышение температуры аморфного трансформатора над температурой окружающей среды составляет не более 15 градусов при равномерном распределении термической нагрузки по основным токоведущим элементам. Таким образом, обновленная конструкция позволит снизить потери до уровня энергоэффективности Х4+К3+, то есть выйти за пределы требований отраслевых стандартов, задавая тренды развития отрасли, получив при этом дополнительные преимущества в виде сниженных потерь и, следовательно, повышенной надежности и перегрузочной способности СТ.

Сниженные потери вкупе с повышенным теплоотводом ведут к снижению износа изоляции, что напрямую влияет на увеличение срока службы силового трансформатора — снижение температуры на каждые 6 градусов сокращает скорость износа изоляции вдвое. В настоящее время в соответствии с ГОСТ Р 52719 нормируемый срок службы, обусловленный именно термическим износом витковой изоляции, определяется по формуле Аррениуса (или по соотношению Монтсингера в упрощенном случае) и составляет не менее 30 лет:

где α, β, ρ — постоянные; T — абсолютная температура; θ — температура, °С.

Температурный режим работы обмоток и, соответственно, изоляции, характеризуется температурой наиболее нагретой точки, определяемой загрузкой трансформатора, соотношением между потерями ХХ и КЗ и непосредственно величиной этих потерь:

где θa — температура охлаждающей среды, °С; Δθir — превышение температуры масла на выходе из обмотки (для трансформаторов с масляным охлаждением принимается равной температуре масла в верхних слоях), °С; R — отношение потерь короткого замыкания к потерям холостого хода; Hqr — градиент температуры наиболее нагретой точки, °С; K — загрузка трансформатора; y — показатель степени коэффициента нагрузки при расчете превышения температуры обмотки.

По методике, описанной в ГОСТ 14209–85, были рассчитаны основные показатели и произведено сравнение теоретических значений сроков службы силовых трансформаторов классов энергоэффективности Х4+К3+ и Х2К2, то есть инновационных, разрабатываемых и изготавливаемых ООО «НПК «АВТОПРИБОР» и внедряемых повсеместно в настоящее время. Результаты расчета температур ННТ для трансформаторов разных классов энергоэффективности и отношения сроков службы данных трансформаторов приведены в таблице 1. На рисунках 7 и 8 проиллюстрированы полученные зависимости от коэффициента загрузки.

Рис. 7. Зависимость температуры наиболее нагретой точки от коэффициента загрузки для трансформаторов классов энергоэффективности Х4+К3+ и Х2К2
Рис. 8. Отношение сроков службы силовых трансформаторов классов энергоэффективности Х4+К3+ к Х2К2

Из результатов можно сделать вывод, что все применяемые научно-технические решения приводят к значительному увеличению срока службы — до 8 раз при 100%-ной загрузке трансформатора. При этом срок службы трансформатора при отсутствии перегрузок будет значительно превышать нормируемый срок службы в 30 лет.

Отметим, что в настоящее время силовые трансформаторы ООО «НПК «АВТОПРИБОР» успешно прошли ОПЭ в ряде ДЗО группы компаний «Россети». Кроме того, было получено положительное Заключение аттестационной комиссии ПАО «Россети» по проверке качества оборудования. К настоящему моменту на объектах ПАО «Россети» установлено и успешно эксплуатируется более 400 инновационных силовых трансформаторов с сердечниками из аморфной стали.

Кроме масляных трансформаторов, нами в настоящее время разрабатываются сухие трансформаторы с сердечником из аморфной стали в соответствии с постановлением Правительства РФ № 1649 12.12.2019 в рамках разработки современной «Технологии производства пространственного магнитопровода из российской аморфной стали и активной части сухих силовых трансформаторов 160, 250, 400, 630, 1000 кВА».

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 3(84), май-июнь 2024

Разработка отечественного изоляционного материала для силовых кабелей на напряжение 64/110 кВ

Кабельные линии Импортозамещение
ПАО «Россети Центр» ПАО «Россети Центр и Приволжье» ОАО «ВНИИКП» ОАО «КИРСКАБЕЛЬ» АО «Лидер-Компаунд»
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»