Трансформаторы внутренние

Трансформаторы внутренней установки: конструкция, классификация и применение

Трансформаторы внутренней установки (ТВУ) — это электрические машины статического типа, предназначенные для преобразования системы переменного тока одного напряжения в систему переменного тока другого напряжения при неизменной частоте, и рассчитанные на эксплуатацию внутри зданий и сооружений. Их ключевое отличие от трансформаторов наружной установки заключается в адаптации к условиям закрытых помещений: защите от атмосферных осадков, пониженным требованиям к температурному диапазону окружающей среды (как правило, от -40°C до +40°C), но с повышенными требованиями к пожарной и экологической безопасности, а также к габаритам и уровню шума.

Классификация трансформаторов внутренней установки

ТВУ классифицируются по ряду ключевых параметров, определяющих их конструкцию и область применения.

По назначению:

• Силовые масляные (маслонаполненные) общего назначения: Предназначены для распределения электрической энергии в сетях 6(10)/0,4 кВ. Требуют установки в специальных трансформаторных подстанциях (ТП) с системой сбора возможных утечек масла (маслоприемники).
• Силовые сухие (с литой изоляцией или с открытым исполнением): Обмотки изолированы твердым диэлектриком (эпоксидная смола, компаунд) или пропитаны специальными составами, не содержат жидкого диэлектрика. Применяются во встроенных, пристроенных и внутрицеховых подстанциях промышленных предприятий, общественных зданиях, объектах инфраструктуры.
• Реакторы сухие и масляные: Используются для ограничения токов короткого замыкания (КЗ) или компенсации емкостных токов в сетях.
• Измерительные трансформаторы тока и напряжения: Для подключения измерительных приборов и устройств релейной защиты.
• Печные, выпрямительные, сварочные: Специализированные трансформаторы для технологических установок.

По типу охлаждения (для силовых):

• Масляные с естественным масляным охлаждением (М): Охлаждение за счет естественной циркуляции масла и конвекции воздуха через радиаторы.
• Масляные с дутьем и естественной циркуляцией масла (Д): Принудительный обдув радиаторов вентиляторами для увеличения отдачи тепла.
• Сухие с естественным воздушным охлаждением (AN): Открытое исполнение, охлаждение воздухом за счет естественной конвекции.
• Сухие с принудительным воздушным охлаждением (AF): Обдув обмоток и магнитопровода вентиляторами, что позволяет увеличить нагрузку по сравнению с режимом AN.

Конструктивные особенности и компоненты

Конструкция ТВУ определяется типом трансформатора. Рассмотрим основные элементы на примере силовых масляных и сухих трансформаторов.

1. Активная часть (для силовых трансформаторов):

• Магнитопровод: Изготавливается из холоднокатаной электротехнической стали с ориентированной зернистой структурой (ГОСТ), собран в виде стержневой или броневой системы. Изолируется для снижения потерь на вихревые токи.
• Обмотки: Выполняются из медного или алюминиевого провода (прямоугольного или круглого сечения) с бумажно-масляной, элегазовой или литой изоляцией. Располагаются на стержнях магнитопровода. Конструкция обмоток (цилиндрическая, винтовая, дисковая) зависит от мощности и напряжения.
• Изоляция: В масляных трансформаторах основной изоляцией является масло и пропитанная им бумага. В сухих трансформаторах используется система изоляции класса нагревостойкости F (155°C) или H (180°C) на основе стеклоленты, пропитанной кремнийорганическими лаками, либо литая изоляция из эпоксидного компаунда.

2. Вспомогательные системы и элементы:

• Бак (для масляных): Герметичный стальной резервуар, заполненный трансформаторным маслом. Оснащается расширителем (консерватором) для компенсации теплового расширения масла, термосифонным фильтром для регенерации масла, устройствами защиты (реле давления, газовое реле).
• Система охлаждения: Радиаторы (трубчатые или пластинчатые) с возможностью установки вентиляторов (для типа Д). У сухих трансформаторов — вентиляционные каналы в обмотках и корпусе с осевыми вентиляторами.
• Вводы: Проходные изоляторы, обеспечивающие герметичный вывод токоведущих частей из бака. Для напряжений до 35 кВ часто используются фарфоровые или полимерные вводы, для более высоких напряжений — маслонаполненные или конденсаторные.
• Устройство РПН (РПН) или ПБВ (ПБВ): Регулировочные устройства для изменения коэффициента трансформации под нагрузкой (РПН) или без нагрузки (ПБВ) для поддержания уровня напряжения у потребителя.
• Корпус (для сухих): Защитный кожух из листовой стали с перфорацией для циркуляции воздуха, часто с защитой IP20 или IP23. Может включать встроенные датчики температуры (термосопротивления Pt100) и систему принудительного охлаждения.

Ключевые технические параметры и выбор

Выбор ТВУ осуществляется на основе технико-экономического сравнения и анализа следующих параметров.

Сравнительная таблица основных параметров масляных и сухих ТВУ (на примере 1000 кВА, 10/0,4 кВ)

Параметр	Масляный трансформатор (ТМ)	Сухой трансформатор (ТСЗ)
Номинальная мощность, кВА	1000	1000
Потери холостого хода (Pхх), Вт	1500 — 2000	1800 — 2500
Потери короткого замыкания (Pкз), Вт	10500 — 13000	9500 — 12000
Уровень шума, дБА	60 — 65	55 — 65 (зависит от исполнения)
Пожарная опасность	Высокая (горючее масло)	Низкая (негорючие материалы)
Эксплуатационные расходы	Требуется контроль уровня и состояния масла, очистка	Минимальные (очистка от пыли, проверка соединений)
Стойкость к среде	Чувствителен к влаге (качество масла)	Устойчив к загрязнениям, требует защиты от прямой влаги (кроме специальных исполнений)
Стоимость	Относительно ниже	Выше на 20-40%

Другие важные параметры:

• Напряжение КЗ (U_к): Определяет внутреннее сопротивление и влияет на ток КЗ в сети. Стандартные значения для трансформаторов 10(6)/0,4 кВ: 4.5%, 6%, 8%.
• Схема и группа соединения обмоток: Наиболее распространены Y/Y_н-0 и Δ/Y_н-11 для трансформаторов 10(6)/0,4 кВ. Группа 11 обеспечивает сдвиг фаз, что важно для параллельной работы и подавления гармоник.
• Климатическое исполнение и категория размещения: Для внутренней установки типично У3 (умеренный климат, внутри помещений с естественной вентиляцией).
• Степень защиты (IP): Для сухих трансформаторов внутри помещений обычно достаточно IP20 (защита от касания пальцами и от твердых тел >12.5 мм). Для пыльных или влажных сред — IP23 (защита от капель воды под углом 60°).

Нормативная база и стандарты

Проектирование, производство и эксплуатация ТВУ регламентируется комплексом национальных и международных стандартов.

• ГОСТ Р 52719-2007 (МЭК 60076-1:2000): Трансформаторы силовые. Общие технические условия.
• ГОСТ Р 54827-2011 (МЭК 60076-11:2004): Трансформаторы силовые сухие.
• ГОСТ Р 52720-2007 (МЭК 60076-2:1993): Методы испытаний трансформаторов.
• ПУЭ (Правила устройства электроустановок), 7-е издание: Главы 4.1, 4.2, 5.1 — определяют требования к устройству, защите и размещению трансформаторов.
• СП 256.1325800.2016: Устройства электроустановок жилых и общественных зданий.
• Федеральный закон №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности»: Определяет классы пожарной опасности и требования к помещениям ТП.

Тенденции и инновации

• Повышение энергоэффективности: Широкое внедрение трансформаторов с пониженными потерями (классы потерь P₀/P_k: стандартные, пониженные, низкие, очень низкие). Использование аморфных металлов для магнитопроводов, позволяющих снизить потери холостого хода на 70-80%.
• Интеллектуализация: Оснащение встроенными системами мониторинга: датчики температуры, газоанализаторы (DGA для масляных), вибродатчики, онлайн-мониторинг частичных разрядов. Интеграция в системы АСКУЭ и SCADA.
• Материалы: Развитие систем изоляции для сухих трансформаторов: вакуумная пропитка (VPI) с использованием современных полимеров, повышающая стойкость к влаге и загрязнениям. Применение элегаза (SF6) в качестве изолирующей и дугогасящей среды в герметичных трансформаторах для особо ответственных объектов.
• Экологичность: Замена трансформаторного масла на биоразлагаемые жидкости (эстеры) в масляных трансформаторах. Развитие технологий утилизации и переработки отслуживших трансформаторов, особенно с литой изоляцией.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. В каких случаях однозначно следует выбирать сухой трансформатор, а в каких допустим масляный?

Сухой трансформатор обязателен при размещении во встроенных, пристроенных или непосредственно в производственных помещениях с категорией по пожаровзрывоопасности Г1 и ниже (многофункциональные комплексы, торговые центры, больницы, школы, жилые здания, подземные сооружения, цеха с пожароопасными процессами). Масляный трансформатор допустим только в отдельно стоящих трансформаторных подстанциях (КТП) при условии выполнения требований ПУЭ к маслоприемникам, пожарным разрывам и системам автоматического пожаротушения.

2. Что означает класс изоляции F или H у сухого трансформатора?

Это класс нагревостойкости изоляционной системы, определяющий максимально допустимую температуру, при которой изоляция сохраняет свои свойства в течение расчетного срока службы (20-25 лет). Класс F соответствует 155°C, класс H — 180°C. Это не означает рабочую температуру обмоток, а указывает на запас термостойкости. Рабочая температура обмотки (по ГОСТ) для класса F обычно ограничена 120°C, для H — 145°C. Более высокий класс позволяет трансформатору лучше переносить перегрузки.

3. Как правильно выбрать мощность трансформатора 10/0,4 кВ для объекта?

Мощность выбирается на основе расчетной электрической нагрузки объекта с учетом коэффициента спроса, категории надежности электроснабжения, перспективы развития и экономичного режима работы. Для предварительной оценки можно использовать коэффициент заполнения графика: S_ном = P_расч / (k_з

• cosφ), где k_з — рекомендуемый коэффициент загрузки (обычно 0.7-0.8 для 2-х трансформаторных ТП и до 0.95 для одиночных с учетом систем АВР). Обязательно проверяется возможность нормальной работы при отключении одного из трансформаторов в двухтрансформаторной ТП и возможность компенсации реактивной мощности.

4. Каковы основные причины выхода из строя ТВУ и методы диагностики?

Основные причины: старение и увлажнение изоляции (основная причина), перегрузки, вибрационные воздействия, скручивание шин, короткие замыкания в сети, неквалифицированное обслуживание. Методы диагностики: регулярные измерения сопротивления изоляции (мегаомметром), коэффициента абсорбции/поляризации; измерение тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) для масла и изоляции вводов; хроматографический анализ растворенных в масле газов (DGA) для масляных трансформаторов — наиболее эффективный метод выявления скрытых дефектов (перегревы, разряды); виброакустическая диагностика; измерение тока холостого хода и потерь короткого замыкания.

5. В чем разница между трансформатором с литой изоляцией (ТСЗЛ) и с открытым исполнением (ТСЗ)?

ТСЗ (открытое исполнение): Обмотки выполнены из изолированного провода, пропитаны и покрыты лаком. Изоляция «дышит», может впитывать влагу из воздуха. Требует контроля влажности среды. Обладает лучшей ремонтопригодностью. ТСЗЛ (с литой изоляцией): Обмотки залиты эпоксидным компаундом в вакуумно-литьевой форме. Полностью защищены от воздействия окружающей среды, пыли, влаги, агрессивных паров. Обладают высокой механической прочностью, но практически неремонтопригодны при серьезных повреждениях активной части. Имеют больший вес и габариты по сравнению с ТСЗ аналогичной мощности.

6. Какой трансформатор экономичнее: масляный или сухой?

Экономическая эффективность определяется полной стоимостью владения (Total Cost of Ownership — TCO). Масляный трансформатор имеет более низкую капитальную стоимость (CapEx). Однако сухой трансформатор, как правило, имеет значительно более низкие эксплуатационные расходы (OpEx) за счет отсутствия затрат на масло, его анализ и утилизацию, более простого обслуживания и повышенной пожарной безопасности (что снижает страховые взносы). При использовании в режиме, близком к номиналу, сухие трансформаторы с низкими потерями могут оказаться выгоднее за счет экономии на стоимости потерь электроэнергии за весь срок службы. Точный расчет требует технико-экономического обоснования для каждого конкретного проекта.