Повышение нагрузочной способности: экономически эффективный подход к повышению мощности и продлению срока службы силовых трансформаторов

Как известно, в условиях сокращения программ по обновлению существующий парк силовых трансформаторов стремительно морально и физически стареет. Вкупе с этим происходит рост энергопотребления, что придает особую актуальность вопросам продления срока службы высоковольтного оборудования, в том числе трансформаторов. В данной статье рассматриваются проблемы, связанные с перегрузкой и перегревом трансформаторов, обосновывается эффективность повышения нагрузочной способности силовых трансформаторов (ПН СТ) через модернизацию системы охлаждения как альтернативы капитальному ремонту или замене оборудования. Показано, что ПН СТ позволяет увеличить пропускаемую нагрузку до 25% и продлить срок службы трансформатора на 10–15 лет при сохранении текущего уровня нагрузки.

Елясин М.С., руководитель направления ПН СТ ООО «Автотрансформатор»

Согласно данным АО «Сетевая компания», около 13% трансформаторов из всего парка находятся в режиме перегрузки, а 4% демонстрируют признаки термического старения

изоляции, еще у 3,5% трансформаторов средняя температура масла выше нормы, что значительно повышает вероятность аварийных отключений [1]. Это является следствием постепенного роста потребления электроэнергии, при этом средняя скорость роста энергопотребления в мире составляет около 2,4% ежегодно.

В этой связи замена установленных трансформаторов (рисунок 1) на новые далеко не всегда является оптимальным решением из-за высокой стоимости, длительных сроков проектирования, планирования и бюджетирования, поставки и монтажа. Альтернативой может стать повышение нагрузочной способности силовых трансформаторов (ПН СТ) — это позволит существенно улучшить тепловой режим работы и сохранить работоспособность трансформаторов без значительных капиталовложений.

Рассмотрим проблемы эксплуатации парка силовых трансформаторов.

1. Физическое старение оборудования: более 68% силовых трансформаторов в Российской Федерации были изготовлены и смонтированы до 1990 года. Ежегодно увеличивающаяся наработка этих трансформаторов, особенно в условиях перегрузки, не добавляет им надежности.
2. Рост электрических нагрузок: увеличение потребления электроэнергии в части регионов России приводит к эксплуатации трансформаторов за рамками тепловых режимов. Что, в свою очередь, приводит к ускоренному старению изоляции, сокращению ресурса оборудования и увеличению вероятности аварийных отключений.
3. Термическое старение изоляции: согласно эмпирической зависимости, известной как закон Монтсингера, каждое повышение температуры масла или обмоток на 1°C сверх допустимого сокращает срок службы трансформатора примерно на 2% [2]. Значит, длительная работа при повышенной температуре приводит к ускорению деградации бумажной изоляции и, как следствие, потере механической прочности обмоток и росту содержания газов в масле, что может быть зафиксировано методами диагностики (например, методом ДГА — газовой хроматографии).
4. Ухудшение качества технического обслуживания: снижение общего технического уровня обслуживающего персонала, помноженного на его хроническую нехватку, зачастую приводит к некачественному и/или недостаточному обслуживанию и ремонту трансформаторов, что также негативно влияет на остаточный ресурс оборудования в целом и надежность энергоснабжения конечных потребителей.

Суть ПН СТ — это модернизация системы охлаждения с целью повышения интенсивности теплообмена обмоток трансформатора с окружающей средой. Основные направления модернизации включают:

• переход с естественного масляного охлаждения вида М, воздушного (дутьем) вида Д на принудительный ДЦ или НДЦ;
• комбинирование различных видов охлаждения М/Д/ДЦ;
• установка выносных систем охлаждения как вида ДЦ, так и НДЦ;
• в некоторых случаях целесообразно рассматривать переход на охлаждение вида Ц.

Целью любого из этих направлений модернизации системы охлаждения является снижение температуры обмоток и масла на 5–15°C при номинальном уровне нагрузки трансформатора, что позволяет либо увеличить нагрузочную способность на 15–25%, либо продлить срок службы на 10–15 лет.

Кроме того, выполнение ПН СТ позволяет сократить время простоя трансформатора до 1–2 недель за счет высокой степени заводской готовности комплекта модернизации и проведения подготовительных работ до отключения трансформатора.

Стоимость ПН СТ, как правило, составляет 10–20% от стоимости нового трансформатора.

Сравнение модернизации системы охлаждения и замены трансформатора на примере трансформатора типа ТРДН-63000/110 представлено в таблице 1.

Таким образом, внедрение мероприятий ПН СТ демонстрирует существенное преимущество как по экономическим, так и по временным показателям.

А что будет, если на перегрузку/перегрев трансформаторов длительное время не обращать внимание? Как пример, можем привести аварию трансформатора ТРДН-40000/110, произошедшую в 2021 году на подстанции «Восточная», вызванную длительной перегрузкой и недостаточной эффективностью системы охлаждения (рисунок 2). Такая ситуация привела к разрушению изоляции, выбросу масла и возгоранию.

Анализ данного события показал, что своевременная модернизация системы охлаждения могла бы предотвратить развитие аварии.

И в заключение хочется сказать следующее — модернизация систем охлаждения силовых трансформаторов представляет собой научно обоснованный и экономически эффективный способ продления срока службы высоковольтного оборудования. В условиях ограниченных инвестиционных ресурсов и роста нагрузок на энергосистему данный подход позволяет обеспечить надежность, повысить гибкость эксплуатации и снизить риски аварийных отключений. Внедрение таких решений в практику эксплуатирующих организаций является важным шагом в рамках стратегии устойчивого развития энергетической инфраструктуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. АО «Сетевая компания». Отчет о состоянии и перспективах развития электросетевого комплекса, 2023.
2. Montsinger V.M. Loading Transformers by Temperature. Transactions of the AIEE, Transactions of the American Institute of Electrical, 1930, Bd. 49, Nr. 2, pp. 776–790.