Какие существуют способы охлаждения трансформаторов

Сборка трансформаторов — Способы охлаждения

§ 11. СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
При работе трансформатора, как указывалось ранее, часть электрической энергии расходуется на потери, превращается в теплоту и рассеивается в окружающую среду. Основным источником теплоты являются обмотки (потери в них составляют примерно 80% всех потерь), магнитная система и элементы металлоконструкций.
При выделении теплоты трансформатор нагревается и температура его отдельных частей может значительно превысить температуру окружающей среды. Нагрев трансформатора — основная причина, ограничивающая его мощность при нагрузке. Действительно, элементы металлоконструкций трансформатора могут выдерживать без повреждений довольно большие температуры в отличие от изоляции, особенно бумажной (класс А), широко применяемой в трансформаторах. Бумажная изоляция, находясь длительное время под воздействием высокой температуры, теряет эластичность, становится хрупкой и разрушается даже от незначительных механических усилий, возникающих при эксплуатации, что приводит к потере электрической прочности и выходу трансформатора из строя. Чем выше температура обмоток, тем интенсивнее стареет ее изоляция. Повышение температуры обмоток на 8°С примерно вдвое сокращает срок службы изоляции. Если при длительной температуре обмоток 95°С срок службы трансформатора составляет 20—25 лет, то при температуре 95°+8°= 103°С— только 10—12 лет, а при 105°С — около 8 лет.
Пределы нагрева отдельных элементов трансформатора, обеспечивающие его срок службы, определены ГОСТ 11677—85 и составляют (для масляного трансформатора при температуре воздуха +40°С): 105°С для обмоток с бумажной изоляцией; 100°С для масла (в верхних слоях); 115°С для поверхностей магнитной системы и элементов металлоконструкций.
В тепловом отношении трансформатор представляет неоднородное тело: стальные пластины магнитной системы, обладающие высокой теплопроводностью, чередуются с изоляционными прослойками, теплопроводность которых невелика. Точно так же обмотка трансформатора является сложным сочетанием проводникового материала (меди и алюминия), обладающего высокой теплопроводностью, с изоляционным материалом, который одновременно служит и электрической, и тепловой изоляцией.

При работе трансформатора магнитная система и обмотки нагреваются и и них происходит постоянная передача теплоты от внутренних, более нагретых поверхностей к наружным (менее нагретым).
У трансформаторов мощностью в несколько киловольт-ампер наружной поверхности обмоток и магнитопровода достаточно для отвода того небольшого количества теплоты, которое выделяется при их работе. Трансформаторы охлаждаются более холодным окружающим воздухом естественным излучением теплоты. Специальных устройств для их охлаждения обычно не требуется.
Трансформаторы, в которых основной охлаждающей и изолирующей средой является атмосферный воздух, называют воздушными. По мере увеличения мощности потери в трансформаторе растут пропорционально его массе, т. е. приблизительно пропорционально кубу его линейных размеров. Поверхность же охлаждения увеличивается пропорционально квадрату линейных размеров, т. е. потери в трансформаторе растут быстрее, чем поверхность, отводящая теплоту.
Начиная с некоторой мощности, этой поверхности оказывается недостаточно, и для ее увеличения делают каналы между катушками обмоток и самими обмотками, открывая свободный доступ охлаждающему воздуху. Однако этих мер достаточно только для трансформаторов мощностью до 2500 кВ-А.
Более эффективное средство для отвода теплоты—-использование минерального (трансформаторного) масла, сочетающего свойства изолирующего и теплоотводящего материалов. Трансформатор, в котором основной изолирующей средой и теплоносителем служит трансформаторное масло, называют масляным.
Частицы масла, заполняющего трансформатор, соприкасаются с горячими поверхностями, нагреваются, поднимаются вверх и отдают свою теплоту через стенки и крышку бака окружающему воздуху. Охлаждаясь у стенок, частицы масла движутся вниз, уступая место другим, более горячим. Такой способ теплопередачи называют естественной конвекцией.
Температура отдельных элементов трансформатора не одинакова; ее изменение по высоте бака и в сечении трансформатора показано на рис. 9, а, б.
Применение трансформаторного масла в качестве теплоносителя очень эффективно. Теплоотдача с единицы поверхности при масляном охлаждении в 6—8 раз больше, чем при воздушном, поэтому и необходимые для охлаждения поверхности обмоток и магнитопровода в масляных трансформаторах значительно меньше, чем в одинаковых по мощности воздушных. Однако поверхность бака при этом должна быть такой, чтобы температура масла не превысила допустимой.

Рис. 9. Измерение температуры по высоте (а) и в сечении (б) трансформатора:
1 — стержень, 2, 3 —обмотки НН и ВН, 4 — масло, 5 — стенка бака; /—IV — кривые температуры соответственно стенок бака, масла, обмоток и магнитной системы, V — кривая наибольшей температуры воздуха

Самый простой способ увеличения поверхности охлаждения— это увеличение размеров бака, но он не экономичен, поэтому увеличивают поверхность за счет трубчатых теплообменников (радиаторов), устанавливаемых на баке. Теплоотдача с поверхности бака происходит как через нагретые частицы воздуха (конвекция), так и лучеиспусканием.
Охлаждение масляного трансформатора естественной конвекцией масла и воздуха, охлаждающего внешнюю поверхность бака с установленными на нем охладителями, называют естественным масляным и применяют для трансформаторов мощностью до 6300 кВ-А. В трансформаторах большей мощности используют системы с принудительным ускорением движения масла и охлаждающего воздуха или воды.

Существует несколько способов принудительного охлаждения трансформаторов.
Первый способ — дутьевой (Д) с увеличением скорости движения воздуха, охлаждающего бак и радиаторы вентиляторами. Вентиляторы создают принудительную циркуляцию воздуха («дутье») вдоль наружных поверхностей радиаторов, увеличивая их теплоотдачу в 1,5—2 раза. Система дутьевого охлаждения эффективна и имеет важное преимущество: при отключении вентиляторов трансформатор может длительно работать с нагрузкой до 50—60% поминальной, с естественным масляным охлаждением.
Второй способ — циркуляционный (ДЦ) с принудительным увеличением скорости движения как масла, так и воздуха. Обычно для системы ДЦ применяют специальные охладители (теплообменники), в которых теплота передается от масла к воздуху, при этом масло перегоняется электронасосом, а воздух— вентиляторами. Система ДЦ существенно увеличивает теплоотдачу (сравнительно с Д) и имеет еще одно преимущество: благодаря компактной конструкции охладителей уменьшаются габариты трансформатора. Однако охладители ДЦ эффективны только при одновременной работе насосов и вентиляторов; при необходимости уменьшения охлаждения (например, при снижении нагрузки) обычно отключают один (или несколько) охладитель.
Третий способ — масляно-водяной (Ц) с принудительной циркуляцией масла через охладители, охлаждаемые водой. Для этой системы применяют специальные теплообменники-охладители, через трубки которых принудительно прокачивается нагретое масло; трубки находятся в полости с циркулирующей через нее охлаждающей водой.
Масляно-водяное охлаждение более эффективно, чем другие виды охлаждения, что объясняется повышенной теплоотдачей от масла к воде. Поэтому охладители системы Ц еще компактнее, чем ДЦ, и обладают в то же время повышенным теплосъемом.
Особенно эффективно направленное циркуляционное охлаждение, при котором масло проходит непосредственно в каналы внутри обмоток, между обмотками и в магнитную систему. Для обеспечения направленного движения масла в конструкции предусматривают специальные щиты, перегородки и другие устройства.
Создание экономичной и надежной системы охлаждения — дело конструктора трансформатора. Сборщик не может сделать охлаждение более эффективным, чем оно задумано. Однако он должен знать, какие ошибки при сборке способствуют ухудшению охлаждения и как их можно избежать. Следует тщательно проверять перед насадкой горизонтальные каналы в обмотках, не допуская их уменьшения или закрытия; нельзя произвольно устанавливать перегородки, щиты и другие детали, мешающие движению масла; укладывать ярмовую и уравнительную изоляцию надо так, чтобы оставались свободными каналы для протока масла в магнитопроводе. Небрежная установка осевых прокладок («клиньев») между обмотками или опорных колец обмоток может привести к перекрытию путей движения масла и ухудшению охлаждения.
В процессе сборки необходимо изолировать места соединения отводов и концы обмоток, а также восстанавливать (или дополнять) изоляцию на токоведущих элементах конструкции, при этом строго соблюдать указания в чертежах. Нередко сборщик, выполняя изолирование, накладывает излишнюю изоляцию и нс предполагает, что возникает дополнительная тепловая «рубашка» вокруг проводников, резко ухудшается их теплоотдача. Температура внутри «рубашки» повышается и может достичь опасных пределов, за которыми последует тепловое разрушение изоляции, электрический пробой и выход трансформатора из строя.
При сборке системы охлаждения надо проверить, нет ли посторонних предметов или шлака внутри радиаторов, трубопроводов и охладителей, а также убедиться в работоспособности затворов, электронасосов, кранов и вентилей.

Какое влияние на магнитные потери трансформатора имеют сборочные операции и почему?
Как несимметричное положение обмоток влияет на механическую прочность трансформатора?
Для чего нужна осевая запрессовка обмоток?
В чем опасность повреждения витковой изоляции при подготовке и насадке обмоток?
Почему нельзя изолировать концы обмоток изоляцией меньшей или большей толщины?
Какие способы охлаждения трансформатора вы знаете?

Виды охлаждения трансформаторов

Примеры условных обозначений типов трансформаторов 1. ТМ-100/10-78У1 — трехфазный двухобмоточный трансформатор, с охлаждением М, номинальной мощностью 100 кВ • А, класса напряжения 10 кВ, конструкция 1978 г., исполнение У, категория 1;
— 2. ТРДНС-32000/35-80У1 — трехфазный двухобмоточный трансформатор, с расщепленной обмоткой НН, с охлаждением Д, с РПН, исполнения для собственных нужд электростанций, номинальной мощностью 32 МВ • А, класса напряжения 35 кВ, конструкция 1980 г., исполнения У, категории 1;
3. ТСЗ-100/10-79УЗ — трехфазный сухой трансформатор защищенного исполнения, номинальной мощностью 100 кВ • А, класса напряжения 10 кВ, конструкция 1979 г., исполнения У, категория 3.

ТИПЫ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Коэффициент полезного действия современных трансформаторов может составлять 95% и более. Тем не менее, перегрев оборудования приводит к потерям мощности и выходу его из строя.

Следовательно, мощные аппараты необходимо оборудовать соответствующим трансформатору типом системы охлаждения. Существует два основных типа таких систем — воздушная и масляная, а также несколько их модификаций.

ВОЗДУШНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Системы охлаждения трансформаторов

открытое (С),
защищенное (СЗ),
герметизированное (СГ).

Помимо естественного воздушного охлаждения возможна также принудительная система охлаждения сухих трансформаторов.

Данная технология работает посредством дутья воздуха вентиляторами и имеет обозначение СД. Такие аппараты устанавливаются в тех жилых и промышленных помещениях, где использование масляных образцов запрещено из-за горючести охладителя.

Класс термостойкости изоляции напрямую влияет на допустимую разницу между температурой обмотки трансформатора и температурой окружающего охладителя. Это значение установлено ГОСТом 11677-85 и соответствует следующей таблице:

Класс термостойкости	Превышение температуры
А	60 о C
В	75 о C
С	80 о C
F	100 о C
H	125 о C

Осуществляемая воздухом система охлаждения силового трансформатора малоэффективна и применяется для трансформаторного оборудования малой и средней мощности – до 1600 кВ*А при номинальном напряжении до 15 кВ, а также при постоянной пониженной температуре или на временных площадках.

Однако для создания изоляции повышенной термостойкости все чаще стали применяться кремнийорганические (эпоксидные) компаунды. Эта технология позволяет выпускать сухие силовые трансформаторы с номинальной мощностью до 15МВ*А при том же напряжении.

При соответствующем обосновании такое оборудование может эксплуатироваться на электростанциях.

МАСЛЯНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Данная технология распространена в нашей стране в силу надежности, приемлемого срока эксплуатации и относительной дешевизны. Маслонаполненные трансформаторы без дутья воздуха и с естественной конвекцией масла применяются в устройстве распределительных систем — на подстанциях.

Подобный вид охлаждения подходит для силовых трансформаторов с номинальной мощностью до 16МВ*А и маркируется как М.

Тепло, выделяемое магнитопроводом, обмоткой и другими рабочими элементами устройства, передается охладителю — трансформаторному маслу. Оно циркулирует по системе кожух – бак охладителя и охлаждается воздухом атмосферы посредством ребер радиатора.

Согласно правилам эксплуатации, температура верхних слоев охлаждающей жидкости при нормальной работе трансформаторного оборудования не должна превышать 95 о С.

Эксплуатация масляных систем охлаждения трансформаторов имеет некоторые особенности. Например, персонал, обслуживающий данный агрегат, обязан посещать его с определенной периодичностью и производить отбор газа, а также следить за уровнем масла. Эти действия позволяют определять техническое состояние трансформатора.

Кроме того, герметичность конструкции – важный фактор. Любые подтеки должны влечь за собой ремонт устройства.

масляное естественное (М);
с естественной циркуляцией охладителя и дутьем воздуха (МД);
с принудительной циркуляцией масла по системе с дутьем (ДЦ);
с направленным масляным потоком (НДЦ);
масляно-водяная система охлаждения с принудительной циркуляцией (Ц);
с направленным потоком охладителя и масляно-водяной системой (НЦ);
с дистиллированной водой в качестве охлаждающей жидкости (Н).

Крупные подстанции, помимо естественной конвекции масла, дополняются автоматическим обдувом воздуха, включающимся при достижении температурой заданного значения.

Здесь вентиляторы помещаются в навесных радиаторах и обдувают их верхнюю часть. Такие аппараты могут работать и без дутья при пониженных нагрузках, если температура охладителя не превышает 55 о С.

При высоких нагрузках усовершенствованная конструкция трансформатора МД обеспечивает повышенный уровень надежности системы. Мощность аппаратов, оборудованных подобным охлаждением, доходит до 80МВ*А.

Системы, дополненные принудительной циркуляцией масла и обдувом воздуха, обозначаются ДЦ и применяются для охлаждения трансформаторов до 160МВ*А мощностью.

Подобные устройства оборудуются электронасосами, встроенными в маслопровод и обеспечивающими непрерывную циркуляцию охлаждающей жидкости через трубы радиаторов. Последние же обдуваются воздухом посредством внешних вентиляторов.

Трансформаторы ДЦ отличаются компактными габаритами при повышенной мощности. Обусловлено это скоростью циркуляции масла, интенсивному и беспрерывному дутью вентиляторов, а также большей площади охлаждаемой поверхности, что увеличивает теплоотдачу охладителя.

Кроме того, конструктивные особенности трансформаторов ДЦ позволяют изменить традиционное устройство агрегата: масляный бак и аппарат охладителя могут устанавливаться раздельно, соединяясь маслопроводом.

Направленный поток охлаждающей жидкости – масла – повышает эффективность системы охлаждения, соответственно увеличивая номинальную мощность силового трансформатора, не изменяя его габариты. Обозначение данных аппаратов – НДЦ.

МАСЛЯНО-ВОДЯНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Повышенная мощность от 160МВ*А означает и повышенную теплоотдачу рабочих элементов трансформатора типа Ц. Такие устройства оборудуются масляно-водяной системой охлаждения, где по трубам охлаждающих радиаторов, помимо масла, циркулирует и вода.

Она принудительно движется по трубам охлаждающего устройства, погруженным в охлаждаемую среду – масло. На входе в охладитель смонтированы температурные датчики, обеспечивающие получение показаний температуры, допустимое значение которой – не более 70 о С.

Независимо от поданной нагрузки и рабочей температуры, масляно-водяная система охлаждения трансформатора обеспечена непрерывной работой всех охлаждающих устройств. Их включение происходит автоматически вместе с подачей напряжения на агрегат.

Если таких устройств несколько, порядок и количество их одновременной работы напрямую зависит от температуры охлаждающей жидкости – масла, а также от величины нагрузки на трансформатор.

Наиболее мощные трансформаторные устройства оборудуются более эффективной модификацией масляно-водяного типа охлаждения – с направленной принудительной циркуляцией масла.

Подобные агрегаты обозначаются НЦ и являются одной из максимально эффективных систем. Однако сложная конструкция, обслуживание и эксплуатация обуславливают их применение на электростанциях. Такие аппараты могут иметь мощность уже от 630МВ*А.

Помимо перечисленных систем охлаждения силовых трансформаторов набирают популярность такие экзотические типы как Н. Сейчас их сложно встретить, однако есть мнение, что число их будет расти. Здесь в качестве основной охлаждающей среды применяется дистиллированная вода, содержащая присадки и являющаяся качественным охладителем и диэлектриком.

Трансформаторы типа Н также могут комбинироваться с принудительным воздушным оборудованием. Данный вариант подходит для различных подстанций, однако его обслуживание обходится дороже стандартных систем охлаждения.

Наиболее передовые технологии охлаждения трансформаторного оборудования разрабатываются на основе полупроводников, которые при сверхнизких температурах обладают сверхпроводимостью. Такие аппараты в будущем будут иметь значительно меньшие габариты и массу при повышенной номинальной мощности – не менее 1000ГВ*А.

В нашей стране энергетическая система постепенно модернизируется, но наиболее популярным видом охлаждения силовых трансформаторов остаются сухая, масляная, масляно-водяная, а также различные комбинированные типы. За годы эксплуатации данные технологии доказали свою надежность и эффективность.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Система охлаждения трансформатора

Система охлаждения трансформатора – система, которая предназначена для интенсификации теплообмена между окружающей средой (теплоносителем) и активной частью трансформатора. В зависимости от конструктивных особенностей и используемого теплоносителя, различают несколько основных систем охлаждения:

Естественное воздушное (С). Представляет собой прямой теплообмен между нагретой активной частью и окружающим воздухом. При наличии дополнительных вентиляторов для принудительного обдува (СД) система охлаждения будет работать намного эффективней.
Естественное масляное (М). Его используют для трансформаторов ТМ , ТМН, ТМГ с мощностью до 16 000 кВА и напряжением до 110 кВ. Тепло от магнитопровода и обмоток посредством минерального масла передается на корпус бака и радиаторов, где происходит интенсивное охлаждение окружающим воздухом.
Естественное масляное охлаждение с дутьевым принципом работы (Д). Аналогично системе охлаждения типа «М», но радиаторы дополнительно укомплектованы вентиляторами принудительного обдува, которые эффективно увеличивают теплообмен с окружающей средой.
Принудительная циркуляция масла и дутье (ДЦ). Этот вариант используют для трансформаторов с установленной мощностью от 63000 кВА. Масло внутри трансформатора циркулирует под давлением, создаваемым специальными маслонасосами. Интенсивный обдув радиаторов еще больше интенсифицирует теплообмен.
Масляно-водяное охлаждение (Ц). Представляет собой систему охлаждения, где для съема тепла с радиаторов используют воду, которая регулярно циркулирует по трубкам теплообменника. Этот вариант наиболее сложный в реализации и обслуживании, поэтому его используют только для трансформаторов с мощностью от 160 МВА.

Новости

18.11.2021 — CITIUS, ALTIUS, FORTIUS: Эволюция силового масляного трансформатора
02.04.2021 — Лицензии на конструирование и изготовление оборудования для атомной энергетики. Истинные ценности и преимущества для компании ООО «Трансформер».
01.03.2021 — Стратегия цифровой трансформации электросетей и технологии цифровых двойников силовых трансформаторов