Масляные трансформаторы

Масляные трансформаторы: устройство, принцип действия, классификация и эксплуатация

Масляный трансформатор — это статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока посредством электромагнитной индукции, активная часть которого (магнитопровод с обмотками) погружена в жидкий диэлектрик — трансформаторное масло. Масло выполняет две ключевые функции: высоковольтную изоляцию и эффективный отвод тепла от нагревающихся элементов. Данный тип трансформаторов является основой для силовых преобразователей большой и средней мощности (от 1 до 1000 МВА и выше) в энергосистемах, на промышленных предприятиях и в распределительных сетях.

Устройство и основные конструктивные элементы

Конструкция масляного трансформатора представляет собой сложный инженерный агрегат, состоящий из следующих основных узлов:

• Активная часть:
  • Магнитопровод (сердечник): Собирается из листов электротехнической стали (обычно холоднокатаной, с текстурой), изолированных друг от друга лаковым покрытием для уменьшения потерь на вихревые токи. Имеет замкнутую конструкцию, чаще всего стержневого типа.
  • Обмотки: Изготавливаются из медного или алюминиевого изолированного провода (для низких напряжений) или изолированного транспонированного провода (для высоких напряжений). Располагаются на стержнях магнитопровода. Различают обмотки высшего (ВН), среднего (СН) и низшего (НН) напряжения. Между обмотками и от обмоток к магнитопроводу устанавливаются главные изоляционные барьеры из электрокартона и масляные каналы.
• Бак трансформатора: Герметичный стальной резервуар, заполненный трансформаторным маслом. Для увеличения поверхности охлаждения бак может оснащаться гладкими или гофрированными стенками, навесными радиаторами с естественной или принудительной циркуляцией масла (с вентиляторами).
• Система охлаждения: Обеспечивает отвод тепловых потерь. Обозначается буквами согласно ГОСТ и МЭК:
  • М (ONAN) — естественное масляное с естественным воздушным: Масло циркулирует естественной конвекцией, радиаторы охлаждаются воздухом без обдува.
  • Д (ONAF) — естественное масляное с принудительным воздушным: Естественная циркуляция масла, радиаторы обдуваются вентиляторами.
  • ДЦ (OFAF) — принудительное масляное с принудительным воздушным: Масло нагнетается насосом через охладители, которые обдуваются вентиляторами. Применяется для трансформаторов большой мощности.
  • Ц (OFWF) — принудительное масляное с принудительным водяным: Масло охлаждается в теплообменнике водой, циркулирующей под давлением.
• Вводы (проходные изоляторы): Обеспечивают герметичный вывод токоведущих частей обмоток из бака. Для напряжений до 35 кВ применяются фарфоровые вводы с маслонаполненным или конденсаторным наполнением, для более высоких напряжений — маслонаполненные или элегазовые.
• Расширитель (маслорасширитель): Цилиндрический бак, соединенный с основным баком, предназначенный для компенсации изменения объема масла при колебаниях температуры и предотвращения контакта масла с атмосферным воздухом. Часто снабжается маслоуказателем.
• Система защиты:
  • Газовое реле (реле Бухгольца): Устанавливается в трубопроводе между баком и расширителем. Реагирует на выделение газов при медленных повреждениях (замыкания на землю, перегрев) сигналом и на интенсивное газообразование при КЗ отключением.
  • Термосифонный (адсорбционный) фильтр: Содержит силикагель, поглощающий влагу и кислоты из циркулирующего масла, продлевая его срок службы.
  • Дыхательный аппарат (силикагелевый осушитель): Устанавливается на расширителе, осушает воздух, поступающий в расширитель при колебаниях уровня масла.
  • Предохранительная мембрана или клапан: Для сброса избыточного давления в аварийных ситуациях.
• Переключатель ответвлений (РПН или ПБВ):
  • ПБВ (переключатель без возбуждения): Позволяет изменять коэффициент трансформации вручную только после отключения трансформатора от сети.
  • РПН (регулирование под нагрузкой): Сложное устройство, позволяющее переключать ответвления обмотки без разрыва нагрузки для поддержания стабильного напряжения в сети. Имеет отдельную масляную камеру и приводной механизм.

Принцип действия и рабочие характеристики

Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку в магнитопроводе возникает переменный магнитный поток, который, пронизывая витки вторичной обмотки, наводит в ней электродвижущую силу (ЭДС). Соотношение напряжений на обмотках приблизительно равно соотношению чисел витков (коэффициент трансформации). Основные характеристики:

• Номинальная мощность (кВА, МВА): Полная мощность, на которую трансформатор рассчитан для длительной работы в номинальных условиях.
• Номинальные напряжения обмоток (кВ): Линейные напряжения первичной и вторичной обмоток.
• Номинальный ток (А): Ток обмотки при номинальной мощности и напряжении.
• Напряжение короткого замыкания (U_k, %): Важнейший параметр, определяющий внутреннее сопротивление трансформатора. Показывает, какое напряжение нужно приложить к первичной обмотке при замкнутой вторичной, чтобы в ней протек номинальный ток. Влияет на ток КЗ, потери и регулирование напряжения.
• Потери холостого хода и короткого замыкания (кВт): Постоянные (в стали) и переменные (в меди) потери, определяющие КПД трансформатора.

Классификация масляных трансформаторов

Критерий классификации	Типы	Описание и область применения
По назначению	Повышающие	Устанавливаются на электростанциях для повышения напряжения генераторов до уровня ЛЭП.
	Понижающие	Устанавливаются на подстанциях для понижения напряжения до уровня распределительных сетей и потребителей.
По числу обмоток	Двухобмоточные	Имеют одну первичную и одну вторичную обмотку. Наиболее распространенный тип.
	Трехобмоточные	Имеют одну первичную и две вторичные обмотки (например, на 110, 35 и 10 кВ) для питания сетей разных напряжений.
	С расщепленными обмотками	Обмотка НН разделена на несколько параллельных ветвей (чаще 2) с повышенным сопротивлением между ними для ограничения токов КЗ.
По уровню напряжения	Распределительные (до 35 кВ)	Мощностью до 2500-4000 кВА, для конечных потребителей и распределительных сетей.
	Силовые сетевые (110-750 кВ и выше)	Большой и сверхбольшой мощности, для магистральных сетей и узловых подстанций.
По конструкции бака	Герметичные	Не имеют расширителя. Изменение объема масла компенсируется деформацией гофрированного бака или металлических сильфонов.
	С расширителем	Классическая конструкция с маслорасширителем, сообщающимся с атмосферой через дыхательный аппарат.

Трансформаторное масло: свойства и функции

Трансформаторное масло — очищенная фракция нефти, подвергнутая глубокой очистке. Его ключевые свойства:

• Электрическая прочность: Определяет способность выдерживать высокие напряжения без пробоя. Зависит от чистоты и влагосодержания.
• Вязкость: Влияет на скорость циркуляции и эффективность охлаждения.
• Температура застывания: Важна для трансформаторов, работающих в холодном климате.
• Температура вспышки: Показатель пожарной безопасности.
• Кислотное число: Показатель степени старения масла, характеризующий содержание продуктов окисления.

Основные функции: изоляция токоведущих частей, отвод тепла, дугогашение в РПН, защита целлюлозной изоляции от окисления (путем вытеснения кислорода). Состояние масла контролируется путем регулярного отбора проб и проведения химического анализа и хроматографии растворенных газов (ХРГ).

Эксплуатация, диагностика и обслуживание

Эксплуатация масляных трансформаторов регламентируется ПТЭЭП, ГОСТами и заводскими инструкциями. Основные мероприятия:

• Визуальный контроль: Ежедневный обход для проверки уровня масла, отсутствия течей, состояния вводов, работы системы охлаждения.
• Контроль температуры: Мониторинг температуры верхних слоев масла и обмоток (прямой или расчетный метод).
• Периодические испытания и измерения:
  • Измерение сопротивления изоляции обмоток (мегаомметром).
  • Измерение тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) изоляции и масла.
  • Измерение сопротивления обмоток постоянному току.
  • Испытание повышенным напряжением промышленной частоты изоляции обмоток и вводов.
• Хроматографический анализ газов, растворенных в масле (ХРГ): Наиболее важный метод прогнозирования развивающихся дефектов. По соотношению концентраций водорода (H₂), метана (CH₄), этана (C₂H₆), этилена (C₂H₄), ацетилена (C₂H₂), оксидов углерода (CO, CO₂) можно диагностировать тип дефекта: частичные разряды, перегрев масла или целлюлозы, дуговые разряды.
• Техническое обслуживание: Проверка и ревизия переключателей РПН, замена силикагеля в термосифоне и дыхателе, очистка радиаторов, контроль состояния масла с его регенерацией или заменой при необходимости.

Преимущества и недостатки масляных трансформаторов

Преимущества

Недостатки

Высокая эффективность охлаждения, позволяющая создавать агрегаты сверхбольшой мощности и с высокими нагрузками. Отличные диэлектрические свойства масла, обеспечивающие компактные размеры при высоких классах напряжения (110 кВ и выше). Хорошая ремонтопригодность. Возможность ревизии активной части, замены обмоток, восстановления масла. Надежная дугогасящая среда для контактов РПН. Длительный срок службы (25-30 лет и более) при правильной эксплуатации. Относительно низкая стоимость по сравнению с сухими трансформаторами аналогичного высокого напряжения.

Пожаро- и взрывоопасность. При внутренних повреждениях возможно возгорание масла или взрыв паровоздушной смеси. Необходимость в сложных системах защиты (газовое реле, аварийные сбросы, автоматическое пожаротушение). Требовательность к обслуживанию: постоянный контроль уровня и состояния масла, герметичности. Экологические риски при утечке масла в грунт или воду. Необходимость в сооружении маслоприемников и ограждений для трансформаторов, установленных внутри помещений. Чувствительность к низким температурам (загустевание масла).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается масляный трансформатор от сухого?

Ключевое отличие — вид охлаждающей и изолирующей среды. В сухих трансформаторах используется воздух и твердая изоляция (смолы, компаунды). Сухие трансформаторы пожаробезопасны, экологичны, требуют меньшего обслуживания, но имеют большие габариты при высоких напряжениях, хуже отводят тепло и, как правило, дороже масляных для мощностей выше 2500 кВА и напряжений выше 35 кВ.

Как часто нужно брать пробы масла на анализ?

Для трансформаторов 110 кВ и выше — не реже 1 раза в год, а также после срабатывания газовой защиты. Для распределительных трансформаторов 6-35 кВ — по графику ТО, но не реже 1 раза в 4-6 лет. После ввода в эксплуатацию или капитального ремонта — через 1 месяц работы. Хроматографический анализ (ХРГ) для ответственных трансформаторов рекомендуется проводить не реже 1 раза в 6-12 месяцев.

Что означает цветовой индикатор силикагеля в дыхательном аппарате?

Силикагель имеет в своем составе влагопоглощающий индикатор (обычно хлорид кобальта), который меняет цвет в зависимости от степени насыщения влагой. Синий/голубой цвет — силикагель сухой, активен. Розовый/фиолетовый цвет — силикагель насыщен влагой и требует замены или регенерации (прокалки).

Каковы основные причины срабатывания газового реле?

• На сигнал: Медленное выделение газов из-за локального перегрева изоляции, плохого контакта, подсоса воздуха, начальной стадии межвиткового замыкания.
• На отключение: Интенсивное газообразование, вызванное значительным внутренним повреждением: витковое замыкание, замыкание на землю, пробой изоляции, разрушение магнитопровода. Сопровождается резким повышением давления и выбросом масла в расширитель.

Можно ли заливать в трансформатор масло другой марки или от другого производителя?

Смешивание масел допускается только после проведения лабораторного анализа на совместимость по ГОСТ 18136-2019. Несовместимые масла могут дать осадок, резко ухудшить диэлектрические свойства и привести к выходу трансформатора из строя. Перед доливкой необходимо также убедиться, что новое масло соответствует требуемому классу по ГОСТ (например, «ГК» — глубокоочищенное) и имеет более высокое качество, чем масло в баке.

Что такое «трансформатор с литой изоляцией» и является ли он масляным?

Нет, трансформатор с литой изоляцией — это разновидность сухого трансформатора. Его обмотки залиты эпоксидным компаундом в вакуумной среде. Он не содержит масла, пожаробезопасен, но относится к классу «сухих» трансформаторов.

Как определяется срок службы масляного трансформатора?

Теоретический срок службы определяется старением целлюлозной изоляции обмоток, скорость которого зависит от температуры (правило Монтсингера). Номинальный срок составляет 20-25 лет. Фактический срок может быть значительно продлен (до 40-50 лет) при условии поддержания низкой температуры эксплуатации, высокого качества масла, отсутствия перегрузок и своевременного устранения дефектов. Критичным является состояние твердой изоляции, оцениваемое по степени полимеризации (СП) целлюлозы.