Силовые масляные трансформаторы

Силовые масляные трансформаторы: конструкция, принцип действия, эксплуатация и техническое обслуживание

Силовой масляный трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения с неизменной частотой. Основное назначение – передача и распределение электроэнергии в сетях высокого, среднего и низкого напряжения. Трансформаторное масло (минеральное или синтетическое) выполняет функции изоляции и охлаждения активной части, состоящей из магнитопровода и обмоток.

Конструктивные элементы силового масляного трансформатора

Конструкция трансформатора представляет собой сложный инженерный комплекс, где каждый элемент выполняет критически важную функцию.

• Активная часть:
  • Магнитопровод (сердечник): Изготавливается из холоднокатаной электротехнической стали с ориентированной зернистой структурой. Листы стали изолируются друг от друга лаковым или оксидным покрытием для снижения потерь на вихревые токи. Конструкция – стержневая, броневая или бронестержневая. Собирается внахлест для обеспечения непрерывности магнитного потока.
  • Обмотки: Выполняются из медного или алюминиевого провода (прямоугольного или круглого сечения) с бумажной, масло-бумажной или комбинированной изоляцией. Располагаются на стержнях магнитопровода. Различают обмотки высшего (ВН), среднего (СН) и низшего (НН) напряжения. Конструктивно обмотки могут быть цилиндрическими, винтовыми, непрерывными или дисковыми.
• Бак трансформатора: Герметичный стальной резервуар, заполненный трансформаторным маслом. Конструкция бака может быть гладкой, с радиаторами (трубчатое или панельное охлаждение) или с принудительным охлаждением (вентиляторы, масляные насосы). Для трансформаторов большой мощности бак часто имеет гофрированные стенки или расширительный бак (консерватор) для компенсации теплового расширения масла.
• Система охлаждения: Классифицируется по ГОСТ и МЭК. Обозначение состоит из букв: первая – вид охлаждающей среды (масло – «М», вода – «В»), вторая – способ циркуляции (естественная – «Н», принудительная – «Д», циркуляция с помощью насосов – «Ц»).
  • МН (масляное естественное): Естественная циркуляция масла и воздуха.
  • МДН (масляно-воздушное с дутьем): Естественная циркуляция масла, принудительный обдув радиаторов вентиляторами.

  МЦ (масляно-водяное с принудительной циркуляцией): Принудительная циркуляция масла через водоохладители.

• Вводы (проходные изоляторы): Обеспечивают герметичный вывод токоведущих частей из бака. Состоят из фарфоровой или полимерной изоляционной оболочки, токопроводящей жилы и уплотнительных элементов. Для напряжений 110 кВ и выше применяются вводы с маслонаполненной или конденсаторной бумажно-масляной изоляцией.
• Система защиты:
  • Расширительный бак (консерватор): Соединен с основным баком, компенсирует изменение объема масла, уменьшает площадь контакта масла с воздухом. Часто оснащается воздухоосушителем (силикагелевым фильтром).
  • Газовое реле (реле Бухгольца): Устанавливается в трубопроводе между баком и консерватором. Реагирует на выделение газов при медленных повреждениях (сигнал) и на резкое падение давления при внезапных авариях (отключение).
  • Дыхательный аппарат (воздухоосушитель): Поглощает влагу из воздуха, поступающего в консерватор.
  • Предохранительная мембрана (клапан сброса давления): Защищает бак от разрушения при резком повышении давления внутри.
• Переключающее устройство (РПН или ПБВ):
  • ПБВ (Переключение без возбуждения): Устройство для изменения коэффициента трансформации при отключенном трансформаторе. Обычно имеет 3-5 положений.
  • РПН (Регулирование под нагрузкой): Позволяет изменять напряжение на обмотке ВН или СН без перерыва в подаче энергии. Сложный механизм, часто имеющий отдельный масляный бак и приводной механизм.

Принцип действия и основные параметры

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку в магнитопроводе создается переменный магнитный поток, который, пронизывая витки вторичной обмотки, наводит в ней электродвижущую силу (ЭДС). Соотношение напряжений приблизительно равно соотношению чисел витков (коэффициент трансформации).

Ключевые параметры, регламентируемые ГОСТ и ТУ:

• Номинальная мощность (S_ном), кВА: Полная мощность, на которую трансформатор рассчитан для длительной работы в номинальных условиях.
• Номинальные напряжения обмоток (U_ном1/U_ном2), кВ: Линейные напряжения первичной и вторичной обмоток.
• Номинальный ток обмоток, А.
• Напряжение короткого замыкания (U_к), %: Напряжение, которое необходимо подвести к первичной обмотке при замкнутой вторичной, чтобы в ней протек номинальный ток. Характеризует полное сопротивление обмоток и определяет ток КЗ.
• Потери мощности, кВт:
  • Потери холостого хода (P_хх): Потери в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи. Определяются при номинальном напряжении на первичной обмотке при разомкнутой вторичной.
  • Потери короткого замыкания (P_кз): Потери в меди обмоток (на нагрев) от протекания тока. Определяются при замкнутой накоротко вторичной обмотке и таком напряжении на первичной, чтобы токи были номинальными.
• Схема и группа соединения обмоток: Обозначается, например, как Y/D-11 (звезда/треугольник, группа 11). Определяет сдвиг фаз между первичным и вторичным напряжениями.

Классификация силовых масляных трансформаторов

Таблица 1. Классификация трансформаторов по ключевым признакам

Критерий классификации	Типы	Краткая характеристика
Назначение	Повышающие, понижающие	Устанавливаются на электростанциях и в узловых подстанциях соответственно.
Число обмоток	Двухобмоточные, трехобмоточные, с расщепленной обмоткой	Трехобмоточные имеют обмотки ВН, СН, НН. Расщепленная обмотка НН снижает ток КЗ.
Уровень напряжения	До 35 кВ, 110-220 кВ, 330-750 кВ, 1150 кВ и выше	Определяет конструкцию вводов, изоляционные расстояния, методы испытаний.
Исполнение	Общего назначения, для собственных нужд электростанций, тяговые, печные	Специализированное исполнение для конкретных условий работы.

Эксплуатация и техническое обслуживание

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

• Внешний осмотр: Проверка уровня и состояния масла (по цвету), целостности вводов, отсутствия течей, состояния силикагеля в воздухоосушителе, показаний термометров и газового реле.
• Контроль температуры: Наблюдение за температурой масла (верхних слоев) и обмоток (косвенными методами или по встроенным датчикам). Превышение допустимой температуры ускоряет старение изоляции.
• Анализ масла: Регулярный отбор проб для химического и хроматографического анализа. Определение:
  • Электрической прочности (пробивное напряжение).
  • Содержания растворенных газов (водород, ацетилен, метан, этан, этилен и др.). Метод DGA (Dissolved Gas Analysis) является основным средством ранней диагностики скрытых дефектов (перегревы, разряды, дуги).
  • Кислотного числа, содержания влаги.
• Измерения сопротивления изоляции: Мегаомметром проверяется сопротивление изоляции обмоток относительно бака и между обмотками.
• Измерение сопротивления обмоток постоянному току: Выявляет нарушения в пайках, контактах, обрывы.
• Проверка коэффициента трансформации и группы соединений.
• Испытания повышенным напряжением: Проводятся после ремонта или длительного простоя для проверки прочности основной и междувитковой изоляции.

Преимущества и недостатки масляных трансформаторов

• Преимущества:
  • Высокая диэлектрическая прочность масла, позволяющая создавать компактные конструкции на высокие напряжения.
  • Эффективный отвод тепла за счет конвекции масла, что обеспечивает высокие единичные мощности (до 1000 МВА и более).
  • Хорошая ремонтопригодность и отработанная технология обслуживания.
  • Относительно низкая стоимость по сравнению с сухими трансформаторами на высокие напряжения и мощности.
• Недостатки:
  • Пожаро- и взрывоопасность при авариях с разгерметизацией бака.
  • Необходимость постоянного контроля качества и объема масла.
  • Экологические риски при утечке масла в грунт.
  • Требовательность к системам защиты (газовое реле, аварийный слив).

Тенденции развития

Современные разработки направлены на повышение надежности, экономичности и экологической безопасности:

• Применение аморфных металлов для магнитопровода, что позволяет снизить потери холостого хода на 60-70%.
• Развитие систем онлайн-мониторинга: непрерывный контроль температуры, газов в масле, частичных разрядов, влажности.
• Использование экологически чистых синтетических масел (эстеры), обладающих высокой температурой воспламенения и биоразлагаемостью.
• Оптимизация систем охлаждения с использованием энергоэффективных вентиляторов и насосов с частотным регулированием.
• Создание герметичных конструкций (трансформаторы с азотной подушкой или полностью герметичные), исключающих контакт масла с атмосферой.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается трансформатор с РПН от трансформатора с ПБВ?

ПБВ (переключатель ответвлений без возбуждения) позволяет изменять коэффициент трансформации вручную только после полного отключения трансформатора от сети. Обычно имеет ограниченное число ступеней (до 5). РПН (регулятор под нагрузкой) позволяет производить переключение ответвлений без разрыва нагрузки, автоматически поддерживая заданный уровень вторичного напряжения. Это сложное и дорогостоящее устройство, требующее отдельного обслуживания.

Как по данным хроматографического анализа газов в масле диагностировать неисправность?

Преобладание определенных газов указывает на тип дефекта:

• Водород (H₂), метан (CH₄): Корона, частичные разряды в масле или бумаге.
• Ацетилен (C₂H₂): Явный признак дуговых разрядов высокой мощности.
• Этилен (C₂H₄), этан (C₂H₆): Термическое разложение масла при температурах свыше 500-700°C (перегрев).
• Монооксид углерода (CO), диоксид углерода (CO₂): Старение или перегрев целлюлозной изоляции (бумаги).

Для точной диагностики используются методы соотношений газов (методы Дорненбурга, Роджерса, треугольник Дюваля).

Почему при включении трансформатора может сработать дифференциальная защита?

В момент включения ненагруженного трансформатора возникает бросок тока намагничивания (ток холостого хода), который может в 6-10 раз превышать номинальный ток. Этот ток имеет значительную апериодическую составляющую и высшие гармоники, что может быть воспринято дифференциальной защитой как внутреннее КЗ. Современные микропроцессорные защиты имеют блокировку от броска тока намагничивания, анализируя его гармонический состав (преобладание второй гармоники).

Каковы нормы и сроки испытания трансформаторного масла?

Для масла, находящегося в эксплуатации, установлены следующие периодичности контроля (могут корректироваться локальными инструкциями):

• Пробивное напряжение: Для трансформаторов до 35 кВ – 1 раз в год, выше 35 кВ – 1 раз в 6 месяцев.
• Хроматографический анализ газов: Для трансформаторов 110 кВ и выше – не реже 1 раза в 6 месяцев, при наличии онлайн-мониторинга – по его данным.
• Кислотное число, влагосодержание: Не реже 1 раза в год.

После капитального ремонта с заменой или регенерацией масла проводятся все виды испытаний, включая полный химический анализ.

Что такое «трансформатор с литой изоляцией» и в чем его отличие от масляного?

Трансформатор с литой изоляцией (сухой трансформатор) – это трансформатор, обмотки которого залиты эпоксидным компаундом в вакууме. Его ключевые отличия от масляного:

• Отсутствие масла и, как следствие, пожаро- и взрывобезопасность, экологичность.
• Установка в закрытых помещениях без требований к системе пожаротушения.
• Более высокие требования к условиям окружающей среды (чувствительность к влажности, запыленности).
• Ограничение по единичной мощности и напряжению (обычно до 35 кВ, 20 МВА) из-за менее эффективного охлаждения.
• Более высокая стоимость на единицу мощности.

Таким образом, масляные трансформаторы остаются безальтернативным решением для высоковольтных сетей и подстанций на большие мощности.