Отводы-охладители: конструкция, назначение и применение в электроэнергетике

Отводы-охладители (также известные как охлаждающие отводы, проходные охладители или вводы-охладители) представляют собой специализированные электротехнические устройства, предназначенные для отвода тепла от токоведущих частей высоковольтного оборудования, главным образом силовых трансформаторов и реакторов. Их основная функция — обеспечение надежного и безопасного вывода тока высокой величины от обмоток трансформатора к внешним шинам или кабельным линиям с эффективным охлаждением контактных соединений и токопроводящих элементов. Конструктивно они являются гибридом проходного изолятора и системы принудительного охлаждения, что позволяет значительно увеличить пропускную способность по току без критического роста габаритов и перегрева.

Конструктивные особенности и принцип действия

Типичный отвод-охладитель состоит из нескольких ключевых компонентов:

• Центральный токопровод: Полый медный или алюминиевый стержень (труба), по которому протекает рабочий ток. Полость используется для циркуляции охлаждающей жидкости.
• Система охлаждения: Замкнутый контур, включающий внутреннюю полость токопровода, подводящие и отводящие патрубки, теплообменник (радиатор) и, как правило, циркуляционный насос. В качестве теплоносителя используется трансформаторное масло или специальная диэлектрическая жидкость.
• Изоляционная конструкция: Фарфоровая или полимерная (из эпоксидной смолы, силиконовой резины) покрышка, обеспечивающая необходимую электрическую прочность и крепление к стенке бака трансформатора (трансформаторному вводу).
• Фланцы и уплотнения: Обеспечивают герметичное соединение с баком трансформатора и надежное крепление всей конструкции.
• Контактные площадки: Верхняя и нижняя части для подключения внутренних соединений трансформатора и внешних шин.

Принцип действия основан на принудительном отводе тепла, выделяемого за счет омических потерь в токопроводе и контактных соединениях. Нагретый в центральном стержне теплоноситель поднимается вверх (или перекачивается насосом) и поступает в вынесенный радиатор, где охлаждается воздухом, после чего возвращается в нижнюю часть отвода, замыкая цикл. Это позволяет поддерживать температуру токоведущих частей в безопасных пределах даже при длительных нагрузках, близких к предельным.

Классификация и типы отводов-охладителей

Отводы-охладители классифицируются по нескольким ключевым признакам:

1. По типу охлаждающей среды:

• Масловоздушные (МВ): Наиболее распространенный тип. Тепло отводится маслом во внутреннем контуре и рассеивается через ребристый радиатор воздушным потоком (естественным или принудительным).
• Масловодяные (ММ): Используются при необходимости высокой эффективности охлаждения в стесненных условиях. Тепло от масла во внутреннем контуре передается воде во внешнем контуре через теплообменник. Требуют подвода и отвода технической воды.

2. По способу циркуляции теплоносителя:

• Естественная циркуляция (термосифонная): Движение масла происходит за счет разности плотностей нагретой и охлажденной жидкости. Простая и надежная система, но с ограниченной эффективностью.
• Принудительная циркуляция (с насосом): Циркуляция обеспечивается малошумным герметичным насосом. Позволяет создавать компактные конструкции с высокой теплоотводящей способностью и гибко размещать радиатор.

3. По номинальным параметрам:

• Номинальный ток: От 2000 А до 20000 А и выше.
• Номинальное напряжение: Обычно до 35 кВ, так как на более высокие напряжения применяются вводы с бумажно-масляной изоляцией и иными решениями.

Области применения и преимущества

Основная сфера применения отводов-охладителей — мощные силовые трансформаторы (свыше 25 МВА) и сглаживающие реакторы на тяговых подстанциях электрифицированного транспорта, в металлургической промышленности и в преобразовательных комплексах (например, для выпрямительных установок). Они устанавливаются на крышках или боковых стенках бака трансформатора.

Ключевые преимущества:

• Повышение пропускной способности: Позволяют увеличить длительно допустимый ток на одном выводе в 1.5–3 раза по сравнению с обычным шинным или кабельным выводом того же сечения.
• Снижение температуры и увеличение срока службы: Поддержание температуры контактов и соединений на уровне 60-80°C вместо 100-120°C резко снижает скорость окисления, сохраняет механические свойства металлов и изоляции, продлевая ресурс оборудования.
• Компактность: Возможность пропускать большие токи без необходимости установки громоздких пакетов шин или нескольких параллельных кабелей большого сечения, что критично при модернизации подстанций в стесненных условиях.
• Повышение пожарной безопасности: Контролируемый нагрев снижает риск перегрева и возгорания изоляционных материалов и окружающих конструкций.
• Снижение потерь электроэнергии: Более низкое рабочее сопротивление контактов и токопровода за счет эффективного охлаждения приводит к уменьшению потерь на нагрев.

Основные технические характеристики и параметры выбора

При выборе и проектировании отводов-охладителей необходимо учитывать комплекс параметров, которые отражены в технической документации производителя.

Таблица 1. Основные технические характеристики отводов-охладителей

Параметр	Обозначение/Единица измерения	Описание и типовые значения
Номинальный ток	Iн, А	Длительно допустимый ток в установившихся условиях. Ряды: 2000, 3150, 4000, 5000, 6300, 8000, 10000, 12500, 16000, 20000 А.
Номинальное напряжение	Uн, кВ	До 35 кВ. Определяет конструкцию изоляционной части.
Тепловая мощность отвода	Pт, кВт	Мощность потерь, которую способен рассеять отвод. Зависит от тока и сопротивления. Может составлять от 5 до 50 кВт и более на одну фазу.
Сопротивление токоведущей части	R, мкОм	Сопротивление постоянному тока всей проходной конструкции, включая контакты. Критично для расчета потерь.
Температура нагрева токопровода	Θ, °C	Превышение температуры центрального стержня над температурой охлаждающего воздуха (обычно не более 70-80°C при номинальном токе).
Расход теплоносителя	Q, л/мин	Производительность системы циркуляции (для систем с принудительной прокачкой).
Давление в гидравлическом контуре	p, МПа (бар)	Рабочее и испытательное давление. Обычно рабочее 0.05-0.2 МПа.
Уровень шума насоса	LpA, дБ	Для систем с принудительной циркуляцией. Не должен превышать общий шум трансформатора.
Масса	m, кг	Полная масса отвода с радиатором и теплоносителем. Может достигать 200-500 кг.

Проектирование, монтаж и эксплуатация

Установка отводов-охладителей требует тщательного проектирования и соблюдения регламентов.

• Расчет тепловыделения: На этапе проектирования точно рассчитываются потери мощности в месте установки отвода (контактные соединения, участок шины). Исходя из этого, подбирается отвод с запасом по тепловой мощности 10-15%.
• Монтаж: Осуществляется на предварительно подготовленное место на крышке трансформатора. Критически важна чистота поверхностей, качество уплотнений и герметичность всех соединений гидравлического контура. Обязательна проверка электрического сопротивления контактов.
• Заполнение и деаэрация: Контур заполняется чистым, дегазированным трансформаторным маслом с тщательным удалением воздуха через специальные клапаны.
• Эксплуатационный контроль: В процессе эксплуатации необходимо визуально контролировать отсутствие течей, контролировать температуру на выходе отвода (часто устанавливаются датчики температуры), а также следить за исправной работой насоса (при его наличии) и вентиляторов обдува радиатора.
• Техническое обслуживание: Включает периодическую очистку ребер радиатора от пыли, проверку момента затяжки внешних контактных соединений, контроль состояния масла (при необходимости — фильтрацию или замену), диагностику насосного оборудования.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос 1: В чем принципиальное отличие отвода-охладителя от обычного проходного изолятора или шинного вывода?

Обычный проходной изолятор или шинный вывод рассеивает тепло только за счет естественной конвекции и излучения с поверхности, что сильно ограничивает его токовую нагрузку. Отвод-охладитель имеет активную систему отвода тепла с циркулирующим теплоносителем, что позволяет отводить тепловую мощность в десятки киловатт с небольшой площади, обеспечивая многократно большие токи.

Вопрос 2: Можно ли установить отводы-охладители на уже работающий трансформатор для увеличения его нагрузочной способности?

Да, такая модернизация возможна и часто применяется. Однако она требует детального теплового и электрического расчета, проверки возможности размещения на крышке бака, а также учета общего теплового режима трансформатора. Работы должны выполняться специализированной организацией.

Вопрос 3: Что надежнее: система с естественной циркуляцией или с принудительной (насосом)?

Система с естественной циркуляцией абсолютно надежна, так как не имеет движущихся частей, но менее эффективна и накладывает жесткие ограничения на расположение радиатора (он должен быть всегда выше отвода). Система с насосом более эффективна и компактна, но вносит дополнительный элемент (насос), требующий технического обслуживания и имеющий ограниченный ресурс. Выбор зависит от требований к компактности и допустимым рискам.

Вопрос 4: Каков типичный срок службы отвода-охладителя и от чего он зависит?

Срок службы при правильной эксплуатации сопоставим со сроком службы трансформатора — 25 лет и более. Наиболее уязвимые элементы: уплотнительные прокладки (требуют периодической замены), насос (ресурс 50-100 тыс. часов), а также возможна деградация полимерной изоляции под воздействием УФ-излучения и загрязнений. Регулярное ТО значительно продлевает ресурс.

Вопрос 5: Что происходит при отказе системы охлаждения (остановке насоса)?

При остановке насоса в системе с принудительной циркуляцией некоторое время будет работать естественная циркуляция, но ее эффективности недостаточно. Произойдет быстрый рост температуры токопровода. Для предотвращения аварии такие системы оснащаются датчиками температуры и/или потока, которые должны подать сигнал на снижение нагрузки или отключение трансформатора. В проектах часто закладывается резервирование насосов.

Заключение

Отводы-охладители являются высокоэффективным инженерным решением для управления тепловыми режимами в узлах вывода больших токов силового электрооборудования. Их применение позволяет оптимизировать габариты подстанционного оборудования, повысить его надежность и энергоэффективность, а также продлить эксплуатационный ресурс. Правильный выбор, основанный на точном расчете тепловыделений, качественный монтаж и регламентное техническое обслуживание являются обязательными условиями для реализации всех преимуществ данной технологии в энергетических системах высокого напряжения и большой мощности.