Силовые трансформаторы и шунтирующие реакторы

Общая мощность установленных силовых трансформаторов на подстанциях 35–750 кВ энергосистем России составляет в настоящее время 573,7 ГВА (в том числе на подстанциях 35–110 кВ – 269,9 ГВ А). Эксплуатируются силовые трансформаторы на напряжение от 6 кВ до 1150 кВ и номинальной мощностью от 5 кВ А до 1200 MB A.

Для силовых трансформаторов мощностью 120 MB A и выше около 45% их числа перешло за срок службы 25 лет, а около 30% – за 30 лет. Если не будет проводиться замена трансформаторов на новые, то к 2015 г. более половины трансформаторов выйдет за 30-летний срок службы. Из 197 шунтирующих реакторов 42 работают свыше 25–30 лет.

По предельным мощностям отечественные силовые трансформаторы находятся на мировом уровне по трансформаторам на ультравысокое напряжение. Опережение в части освоения 1150 кВ выразилось в разработке и кратковременной опытной эксплуатации таких трансформаторов и шунтирующих реакторов.

Технический уровень наших силовых трансформаторов значительно отстает от зарубежного по эксплуатационным характеристикам из-за отставания в части материалов с необходимыми параметрами – твердой изоляции, уплотнений, электротехнической стали с малыми потерями. Значительная часть аварий происходит по вине вводов низкой надежности. Отрицательной особенностью отечественных трансформаторов являются повышенные потери. Ряд типов трансформаторов большой мощности не обладает достаточной динамической стойкостью к воздействию КЗ.

Крупнейшими производителями трансформаторов в мире являются две фирмы США – General Electric и Westinghouse, на их долю приходится около 1/3 всей трансформаторной продукции в мире. Ежегодно производится этими фирмами около 100 млн кВ А трансформаторов на сумму примерно 3 млрд долл.

Далее по объему производства следуют японские фирмы (Hitachi, Toshiba, Fuji, Mitsubishi). Япония производит трансформаторов больше, чем любая европейская страна.

Крупнейшие производители трансформаторов в Европе – концерн ASEA-Brown Boveri, фирмы Trafo-Union (Siemens), General Electric-Alstom, Jeumont-Schneider, Ansaldo, АСЕС, NEI, Hawker Siddeley. Крупнейший завод в Европе – в Нюрнберге, фирмы Trafo-Union (Siemens), который имеет возможность производить в год более 40 млн кВ А трансформаторов. Примерно такими же производственными возможностями обладает ПО "Запорожтрансформатор" (Украина). Зарубежными фирмами выпускаются силовые трансформаторы на напряжения до 765 кВ, в Японии изготовлены и испытаны на месте установки три фазы по 1000 MB A группы 1050/525 кВ силового трансформатора для ВЛ 1000 кВ.

Весьма актуальным для современных трансформаторов является снижение потерь. Введенное за рубежом в последние 10–15 лет понятие "капитализированные потери" – стоимость электроэнергии, расходуемой на потери в трансформаторе за все время срока его службы, – используется для оценки экономичности трансформатора. Приближенно считают трансформатор неэкономичным, если капитализированные потери превышают его стоимость.

Борьба с потерями, в первую очередь, относится к потерям холостого хода. Используются электротехнические стали с пониженными потерями, оптимизируется конструкция сердечника и технология его сборки. Наименьшие потери холостого хода имеют трансформаторы с сердечниками из аморфного сплава, широко применяющиеся в распределительных сетях за рубежом.

Стремление к снижению потерь стимулирует применение сердечников из аморфных сплавов. Так, для трансформаторов мощностью 300 кВ А и 2 MB A фирмы Hitachi с сердечниками Metglas потери холостого хода на 20% меньше обычных. Наиболее широкое распространение такие трансформаторы получили в США и Великобритании.

Быстро развивается трансформаторостроение с использованием элегазовой изоляции, что решает многие вопросы экологии. Следует ожидать распространения элегазовой изоляции на мощности более 100 MB A и на напряжения вплоть до самых высших классов. Уже шесть лет работает трансформатор фирмы Mitsubishi с изоляцией элегаз плюс перфлуорокарбон и жидкостным охлаждением мощностью 300 MB A на напряжение 275 кВ.

Опыт показывает, что продление службы до 30–40 лет возможно при условии грамотного обслуживания, наблюдения за состоянием трансформатора и своевременного устранения развивающихся дефектов. Срок службы 45–50 лет следует признать критическим.

Основные новые решения при создании трансформаторов:

– широкое внедрение систем автоматизированного проектирования, позволяющее резко повысить степень оптимизации конструкции и сократить время разработки новых моделей;

– применение цифрового моделирования высокой точности электрических и магнитных полей в трансформаторе, позволяющее выбрать наилучшую конструкцию изоляции и магнитопровода;

– использование в сердечниках стали с пониженными потерями, уменьшенной толщины, шихтовка сердечника с косым стыком, точная сборка и стыковка сердечника;

– применение ленточной стяжки сердечника;

– вытеснение слоевых обмоток дисковыми, применение ленточных кабелей для обмоток;

– разработка методов снижения шума трансформаторов: оптимизация конструкции, снижение магнитострикции в сердечнике, разработка мер пассивного и активного шумоглушения;

– использование изоляционных материалов повышенной нагревостойкости в наиболее нагретых зонах трансформатора;

– снижение уровней испытательных напряжений, которое допускает использование современных ограничителей перенапряжений.

Отечественные разработчики считают этот опыт удачным, однако имеется и неудачный опыт фирмы Westinghouse, который несколько затормозил за рубежом внедрение пониженных уровней в практику:

– использование в качестве изоляционной среды элегаза для трансформаторов, когда необходимо исключить пожаробезопасность, усовершенствование систем пожаротушения;

– разработка конструкций без масла, с обмоткой из кабеля с изоляцией из СПЭ и воздушным охлаждением.