Виды охлаждения силового трансформатора

Содержание

Коэффициент полезного действия современных трансформаторов может составлять 95% и более. Тем не менее, перегрев оборудования приводит к потерям мощности и выходу его из строя.

Следовательно, мощные аппараты необходимо оборудовать соответствующим трансформатору типом системы охлаждения. Существует два основных типа таких систем – воздушная и масляная, а также несколько их модификаций.

ВОЗДУШНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Естественное охлаждение трансформаторного оборудования воздухом производится путем его конвекции и неполной передачи тепловой энергии окружающей атмосфере. Подобные трансформаторы называются «сухими» и имеют несколько типов исполнения кожуха со своей маркировкой:

открытое (С),
защищенное (СЗ),
герметизированное (СГ).

Помимо естественного воздушного охлаждения возможна также принудительная система охлаждения сухих трансформаторов.

Данная технология работает посредством дутья воздуха вентиляторами и имеет обозначение СД. Такие аппараты устанавливаются в тех жилых и промышленных помещениях, где использование масляных образцов запрещено из-за горючести охладителя.

Класс термостойкости изоляции напрямую влияет на допустимую разницу между температурой обмотки трансформатора и температурой окружающего охладителя. Это значение установлено ГОСТом 11677-85 и соответствует следующей таблице:

Класс термостойкости	Превышение температуры
А	60 о C
В	75 о C
С	80 о C
F	100 о C
H	125 о C

Осуществляемая воздухом система охлаждения силового трансформатора малоэффективна и применяется для трансформаторного оборудования малой и средней мощности – до 1600 кВ*А при номинальном напряжении до 15 кВ, а также при постоянной пониженной температуре или на временных площадках.

Однако для создания изоляции повышенной термостойкости все чаще стали применяться кремнийорганические (эпоксидные) компаунды. Эта технология позволяет выпускать сухие силовые трансформаторы с номинальной мощностью до 15МВ*А при том же напряжении.

При соответствующем обосновании такое оборудование может эксплуатироваться на электростанциях.

МАСЛЯНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Данная технология распространена в нашей стране в силу надежности, приемлемого срока эксплуатации и относительной дешевизны. Маслонаполненные трансформаторы без дутья воздуха и с естественной конвекцией масла применяются в устройстве распределительных систем – на подстанциях.

Подобный вид охлаждения подходит для силовых трансформаторов с номинальной мощностью до 16МВ*А и маркируется как М.

Тепло, выделяемое магнитопроводом, обмоткой и другими рабочими элементами устройства, передается охладителю – трансформаторному маслу. Оно циркулирует по системе кожух – бак охладителя и охлаждается воздухом атмосферы посредством ребер радиатора.

Эксплуатация масляных систем охлаждения трансформаторов имеет некоторые особенности. Например, персонал, обслуживающий данный агрегат, обязан посещать его с определенной периодичностью и производить отбор газа, а также следить за уровнем масла. Эти действия позволяют определять техническое состояние трансформатора.

Кроме того, герметичность конструкции – важный фактор. Любые подтеки должны влечь за собой ремонт устройства.

Более серьезные аппараты с повышенной мощностью имеют несколько модификаций систем охлаждения со своей маркировкой:

масляное естественное (М);
с естественной циркуляцией охладителя и дутьем воздуха (МД);
с принудительной циркуляцией масла по системе с дутьем (ДЦ);
с направленным масляным потоком (НДЦ);
масляно-водяная система охлаждения с принудительной циркуляцией (Ц);
с направленным потоком охладителя и масляно-водяной системой (НЦ);
с дистиллированной водой в качестве охлаждающей жидкости (Н).

Крупные подстанции, помимо естественной конвекции масла, дополняются автоматическим обдувом воздуха, включающимся при достижении температурой заданного значения.

Здесь вентиляторы помещаются в навесных радиаторах и обдувают их верхнюю часть. Такие аппараты могут работать и без дутья при пониженных нагрузках, если температура охладителя не превышает 55 о С.

При высоких нагрузках усовершенствованная конструкция трансформатора МД обеспечивает повышенный уровень надежности системы. Мощность аппаратов, оборудованных подобным охлаждением, доходит до 80МВ*А.

Подобные устройства оборудуются электронасосами, встроенными в маслопровод и обеспечивающими непрерывную циркуляцию охлаждающей жидкости через трубы радиаторов. Последние же обдуваются воздухом посредством внешних вентиляторов.

Трансформаторы ДЦ отличаются компактными габаритами при повышенной мощности. Обусловлено это скоростью циркуляции масла, интенсивному и беспрерывному дутью вентиляторов, а также большей площади охлаждаемой поверхности, что увеличивает теплоотдачу охладителя.

Кроме того, конструктивные особенности трансформаторов ДЦ позволяют изменить традиционное устройство агрегата: масляный бак и аппарат охладителя могут устанавливаться раздельно, соединяясь маслопроводом.

Направленный поток охлаждающей жидкости – масла – повышает эффективность системы охлаждения, соответственно увеличивая номинальную мощность силового трансформатора, не изменяя его габариты. Обозначение данных аппаратов – НДЦ.

МАСЛЯНО-ВОДЯНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Повышенная мощность от 160МВ*А означает и повышенную теплоотдачу рабочих элементов трансформатора типа Ц. Такие устройства оборудуются масляно-водяной системой охлаждения, где по трубам охлаждающих радиаторов, помимо масла, циркулирует и вода.

Она принудительно движется по трубам охлаждающего устройства, погруженным в охлаждаемую среду – масло. На входе в охладитель смонтированы температурные датчики, обеспечивающие получение показаний температуры, допустимое значение которой – не более 70 о С.

Независимо от поданной нагрузки и рабочей температуры, масляно-водяная система охлаждения трансформатора обеспечена непрерывной работой всех охлаждающих устройств. Их включение происходит автоматически вместе с подачей напряжения на агрегат.

Если таких устройств несколько, порядок и количество их одновременной работы напрямую зависит от температуры охлаждающей жидкости – масла, а также от величины нагрузки на трансформатор.

Подобные агрегаты обозначаются НЦ и являются одной из максимально эффективных систем. Однако сложная конструкция, обслуживание и эксплуатация обуславливают их применение на электростанциях. Такие аппараты могут иметь мощность уже от 630МВ*А.

Помимо перечисленных систем охлаждения силовых трансформаторов набирают популярность такие экзотические типы как Н. Сейчас их сложно встретить, однако есть мнение, что число их будет расти. Здесь в качестве основной охлаждающей среды применяется дистиллированная вода, содержащая присадки и являющаяся качественным охладителем и диэлектриком.

Трансформаторы типа Н также могут комбинироваться с принудительным воздушным оборудованием. Данный вариант подходит для различных подстанций, однако его обслуживание обходится дороже стандартных систем охлаждения.

Наиболее передовые технологии охлаждения трансформаторного оборудования разрабатываются на основе полупроводников, которые при сверхнизких температурах обладают сверхпроводимостью. Такие аппараты в будущем будут иметь значительно меньшие габариты и массу при повышенной номинальной мощности – не менее 1000ГВ*А.

В нашей стране энергетическая система постепенно модернизируется, но наиболее популярным видом охлаждения силовых трансформаторов остаются сухая, масляная, масляно-водяная, а также различные комбинированные типы. За годы эксплуатации данные технологии доказали свою надежность и эффективность.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Нормальная продолжительная безаварийная работа силовых трансформаторов обеспечивается при условии контроля и соблюдения допустимых пределов различных параметров, одним из которых является температурный режим. Соблюдение температурного режима в пределах установленных для того или иного типа трансформатора норм обеспечивается специально предусмотренными системами охлаждения. Рассмотрим, какие бывают системы охлаждения силовых трансформаторов.

Охлаждение типа С, СГ, СЗ, СД

Буква С в маркировке показывает, что силовой трансформатор сухой – то есть в нем не предусмотрено использование трансформаторного масла для охлаждения. В данном случае обмотки и магнитопровод трансформатора охлаждаются естественной циркуляцией воздуха. Существуют модификации данной системы охлаждения: СГ – герметичное исполнение, СЗ – защищенный корпус.

Возможно наличие принудительной циркуляции воздуха на корпус трансформатора – это охлаждение системы СД.

Системы охлаждения С и их модификации характеризуются низкой эффективностью, поэтому применяются на трансформаторах малой мощности, как правило, до 1,6 МВ*А класса напряжения 6 и 10 кВ.

На трансформаторы данной системы охлаждения монтируются датчики температуры для возможности контроля температуры по каждой из фаз трансформатора.

Система охлаждения М

Более мощные трансформаторы требуют более производительной системы охлаждения – масляной. Масло обеспечивает более эффективный отвод тепла от обмоток и магнитной системы трансформатора, обеспечивая их равномерное охлаждение.

Система охлаждения М предусматривает естественную циркуляцию масла в баке трансформатора. Тепло масла передается баку трансформатора, который охлаждается окружающим воздухом. Данная система охлаждения не предусматривает принудительной циркуляции воздуха.

Для более эффективного охлаждения на баке трансформатора устанавливаются радиаторы, состоящие из ребер или труб, по которым осуществляется циркуляция масла.

Система охлаждения М используется на силовых трансформаторах номинальной мощностью до 16 МВ*А. Отсутствие дополнительных устройств в конструкции трансформаторов данной системы охлаждения упрощает их эксплуатацию.

Обслуживающему персоналу необходимо лишь проверять уровень масла и температуру его верхних слоев. Уровень масла должен примерно соответствовать среднесуточной температуре окружающей среды с учетом нагрузки трансформатора (это актуально для всех типов охлаждения). Температура верхних слоев масла трансформаторов с охлаждением М и Д не должна превышать 95 град.

На рисунке ниже показан трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением (с естественной циркуляцией масла) серии ТМ-250/6-10-66 мощностью 250 кВа, предназначенный для преобразования переменного трехфазного тока напряжением 6 — 10 кВ на стороне ВН, на стороне НН 0,23; 0,40; 0,69 кВ как для внутренней, так и для наружной установки.

Силовой серии TM-250/6-10 с термосифонным фильтром для непрерывной очистки масла: 1 — катки; 2 — болт заземления; 3 — бак; 4 — съемные радиаторные охладители; 5 — крышка; 6 — селикогелевый воздухоосушитель; 7 — расширитель с маслоуказателем; 8 — выводы BH; 9 — выводы НН; 10 — ртутный термометр; 11 — пробка для заливки и взятия проб масла; 12 — переключатель; 13 — пробивной предохранитель; 14 — термосифонный фильтр очистки для непрерывной масла.

Охлаждение типа Д

Система охлаждения трансформатора Д – с дутьем и естественной циркуляцией масла. Трансформаторы данной системы охлаждения конструктивно имеют вентиляторы обдува, устанавливаемые в навесные радиаторы, по которым циркулирует трансформаторное масло.

Обдув трансформатора данной системы охлаждения включается при достижении температуры верхнего слоя трансформаторного масла 55 и более град., либо при достижении номинальной нагрузки трансформатора, не зависимо от температуры масла. Система охлаждения Д является более эффективной и используется для трансформаторов номинальной мощностью 16-80 МВ*А.

Системы охлаждения ДЦ, НДЦ

Система охлаждения ДЦ отличается от системы Д наличием принудительной циркуляции масла. Вентиляторы обдува, как и в системе Д охлаждают радиаторные трубы. По радиаторным трубам непрерывно циркулирует трансформаторное масло, которое перекачивается электрическими насосами, встроенными в маслопроводы бака трансформатора.

Быстрая циркуляция масла по радиаторам и их обдув обеспечивают высокую теплоотдачу. Благодаря данной системе охлаждения значительно снижены габариты силового трансформатора (автотрансформатора) и увеличена их номинальная мощность до пределов 63-160 МВ*А.

Принудительная циркуляция масла позволяет отойти от традиционной конструкции трансформаторов – бак трансформатора и охладитель могут стоять раздельно, соединенные между собой маслопроводами.

В отличие от охлаждения типа Д, вентиляторы обдува охлаждения ДЦ должны быть всегда включены в работу вместе с насосами принудительной циркуляции масла. В случае отключения одной из систем охлаждения трансформатор не может находиться в работе.

НДЦ отличается от охлаждения ДЦ наличием направленного потока масла, что позволяет повысить эффективность охлаждения и соответственно увеличить мощность трансформатора, не изменяя его размер.

Системы охлаждения Ц, НЦ

Трансформаторы и автотрансформаторы мощностью от 160 МВ*А оборудуются системами охлаждения типа Ц. Это охлаждение масляно-водяное, по радиаторам трансформатора осуществлена циркуляция не только масла, но и воды.

Вода принудительно циркулирует по трубкам охлаждающего устройства, между которыми, в свою очередь, циркулирует трансформаторное масло. Перед входом в охладитель монтируются специальные датчики температуры для контроля температуры циркулируемого масла, которая не должна превышать 70 град.

Устройства принудительной циркуляции масла и воды должны быть всегда в работе, не зависимо от температуры и нагрузки, они должны включаться в работу автоматически одновременно с подачей напряжения на трансформатор (автотрансформатор).

При наличии конструктивно нескольких охладительных устройств, количество их одновременного включения в работу определяется величиной нагрузки и температурой охлаждающей среды – трансформаторного масла.

Данная система охлаждения одна из наиболее эффективных систем, но ее основным недостатком является сложность конструктивного исполнения и эксплуатации.

Для трансформаторов (автотрансформаторов) мощностью от 630 МВ*А применяется более эффективная масляно-водяная система охлаждения с направленным потоком масла – НЦ.

Охлаждение трансформаторов в закрытых камерах

В закрытых камерах, закрытых трансформаторных подстанциях, где расположены силовые трансформаторы, должна быть предусмотрена система вентиляции, которая обеспечивает нормальную работу трансформаторов во всех нормированных режимах.

Помещение, в котором расположен силовой трансформатор, должно быть спроектировано таким образом, чтобы в процессе эксплуатации трансформатор не подвергался перегреву, что обеспечивается при наличии достаточной внутренней площади в помещении, а также наличию эффективной системы вентиляции.

Особое внимание уделяется трансформаторам системы охлаждения С, которые охлаждаются естественной циркуляцией воздуха. В камерах трансформаторов данного типа устанавливается принудительная вентиляция, осуществляющая циркуляцию воздуха для более эффективного охлаждения.

При работе любого трансформатора, независимо от типа, происходят потери энергии, ведущие к нагреву рабочих элементов, в особенности обмоток и сердечника.

Продолжительное безаварийное функционирование всех элементов, в частности изоляции, напрямую зависит от точности соблюдения температурного режима.

При этом, чем мощнее устройство, тем эффективнее необходимы системы охлаждения трансформаторов. Основные типы охлаждения силовых трансформаторов, технические характеристики, достоинства, недостатки и область использования каждого из них.

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ "С"

Система охлаждения сухих трансформаторов маркируется в отечественных нормативах буквой "С". В таких устройствах не предусмотрено использование охлаждающего масла.

Нормализация температуры магнитопровода и обмотки происходит путем естественной циркуляцией конвекционных потоков воздуха.

Существует несколько разновидностей систем охлаждения для оборудования такого типа:

С – открытое исполнение корпуса;
СГ – устройство герметично;
СЗ – корпус защищен от внешнего механического воздействия;
СД – возможна установка дополнительных элементов для принудительной циркуляции воздушных потоков направленных на охладительный радиатор корпуса.

Воздушное охлаждение характеризуется низкой эффективностью, поэтому для контроля температуры обмоток каждой фазы в таких устройствах устанавливается термические сенсоры. Сухие трансформаторы имеют небольшую мощность, параметры большинства моделей не превышают 1600 кВА при напряжении до 15 кВ.

В соответствии с ГОСТ 11677-85 максимально допустимое превышение температуры обмотки трансформаторного оборудования разных классов серии "С" не должно превышать следующих граничных величин:

"А" – 60°С;
"Е" – 75°С;
"В" – 80°С;
"F" – 100°C;
"Н" – 125°С.

Трансформаторы с сухой системой охлаждения имеют следующие преимущества:

Высокая устойчивость к ударному и переменному напряжению;
Возможность эксплуатации при повышенной влажности и загрязненности;
Высокий уровень пожарной безопасности;
Экологическая безопасность – нет риска загрязнения окружающей среды выбросами масла;
Небольшие размеры;
Низкий уровень шума;
Нет необходимости в систематическом обслуживании;
Высокая устойчивость коротким замыканиям и длительным тепловым нагрузкам;
Гибкость установки – возможна реализация различных вариантов использование внешних вентиляторов, что допускает увеличение мощности некоторых моделей до 50%.

Область применения силовых трансформаторов с сухой системой охлаждения разнообразна. Прежде всего, это системы распределения электроэнергии в зданиях и сооружениях общественного, административного, бытового и жилого назначения с повышенными требованиями пожаро- и взрывозащищенности, а также необходимостью низкого уровня шумового загрязнения.

Чаще всего они применяются в гостиницах, офисных центрах, банках, больницах высотных зданиях любого типа и электротранспорте, как наземном, так и метрополитене.

Рынок может предложить потребителю сухие трансформаторы, рассчитанные на особые условия эксплуатации: тропический или северный климат, регионы с высокой сейсмической активностью.

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ "М"

Для трансформаторного оборудования средней мощности характерно использование более эффективного – жидкостного охлаждения. Чаще всего используется трансформаторное масло. Наиболее простая схема предусматривает естественную циркуляцию охлаждающей жидкости – тип "М".

Тепло, выделяемое обмотками и магнитопроводом, передается через масло в окружающее пространство. Внешний теплообменник представляет собой совокупность трубопроводов, радиаторов и бака накопителя для масла.

Максимальная температура теплоносителя в верхней части теплообменника (наиболее разогретые слои) не должна превышать +95°С.

Для трансформаторов типа "М" применение дополнительных охлаждающих устройств типа воздушного принудительного обдува не предусмотрено. Такое оборудование применяется в устройствах мощностью не более 16 МВА.

Отсутствие подвижных частей и дополнительных приспособлений значительно упрощает использование трансформаторного оборудования. Техобслуживание сводится к контролю уровня температуры масла.

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ "Д"

Принудительное отведение тепла от обмоток и магнитопровода трансформатора реализовано несколькими способами:

Тип "Д" – естественная циркуляция масла и обдув радиаторов вентиляторами. Принудительный обдув включается автоматически при достижении в верхних слоях масла граничной температуры +55°С или при выходе оборудования в рабочий режим с номинальной нагрузкой на обмотки более 100%. Применяется для оборудования мощностью 16-80МВА.

Тип "ДЦ" – кроме обдува в предусмотрена принудительная циркуляция масла.

Масляные насосы встраиваются в бак. Быстрое перемещение жидкости дает следующие преимущества:

существенное возрастание эффективности контроля и нормализации температуры;
компактные размеры теплообменника;
возможность размещения радиаторов отдельно от основного корпуса;
увеличение номинальной мощности трансформатора до 65-160 МВА.

Системы охлаждения трансформатора тип "Д" с обдувом и циркуляцией масла должны функционировать постоянно. Отказ или выход из строя хотя бы одной подсистемы приводит к немедленному отключению все комплекса оборудования

Тип "НДЦ" – фактически повторяет конструкцию трансформаторного оборудования тип "ДЦ" с той разницей, что поток масла имеет строгую направленность. Это делает охлаждение обмоток еще более эффективным.

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ "Ц"

Трансформаторное оборудование мощностью более 160МВА комплектуется масляно-водяной системой отвода тепла. Водяной контур располагается между пластинами радиатора, что помогает более эффективно выводить тепло.

Маслопроводы располагаются в непосредственном контакте с трубами воды. Это повышает коэффициент теплопередачи. Практикуется применение как однотрубного так и двухтрубных контуров.

Такие конструкции устанавливаются, как правило, в закрытых помещениях оборудованных системой отопления, чтобы вода не замерзла при отрицательных температурах. Область применения включает сталелитейные предприятия, обогатительные комбинаты и другие производства с агрессивной средой.

Гибридные масляно-водяные охладители имеют компактные размеры. В них используются как трубчатые или радиаторные, так и плоские (мембранные) контуры. Максимальная рабочая температура в верхних слоях масла не должна превышать +70°С. Оба охлаждающих контура функционируют непрерывно и включаются в работу автоматически, при подаче электроэнергии на обмотку.

Протечки воды в маслопровод может вывести из строя все электрооборудование. Поэтому давление в масляном контуре немного превышает аналогичный показатель в водяном.

Тип "НЦ" – для систем такого типа характерно применение направленного движения охлаждающих жидкостей.

ОХЛАЖДЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ В ПОМЕЩЕНИИ

Независимо от специфики использования и типа системы охлаждения масляного трансформатора при его расположении внутри здания, помещение нуждается в вентиляции, так как отсутствие интенсивной циркуляции воздуха может стать причиной снижения номинальной мощности.

Как правило, на предприятиях помещения для трансформаторного и сервисного оборудования предусмотрены заранее и имеют вентиляционные отверстия: в нижней части для притока холодного воздуха и в верхней части для оттока теплого воздуха.

Если помещение для трансформаторной подстанции представляет собой отдельно стоящее здание, при большинстве режимов эксплуатации, вполне достаточно естественной циркуляции воздуха.

Принудительная циркуляция необходима следующих случаях:

Помещение имеет небольшую площадь;
Работа оборудования характеризуется частыми перегрузками;
Расположение оборудования в помещении приводит к нарушению естественной циркуляции воздушных потоков;
Температура внешней среды превышает 20 о С;
Эксплуатируются трансформаторы типа С.

МАРКИРОВКА СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ПО МЕЖДУНАРОДНОЙ КЛАССИФИКАЦИИ

В международных нормативах принята четырёхбуквенная маркировка систем охлаждения трансформаторов:

1. Первый символ – обозначение типа охлаждающей жидкости, которая находится в непосредственном контакте с электро несущими обмотками:

"О" – минеральные масла или синтетические хладагенты с температурой воспламенения около 300 o С;
"К" – синтетические хладагенты и изоляционные жидкости с температурой воспламенения более 300 o С;
"L" – изоляционные жидкости и масла с неопределяемой точкой воспламенения.

2. Второй символ – режим циркуляции теплоносителя:

"N" – естественно-принудительная;
"D" – принудительная;
"F" – принудительная в системе охлаждения и термосифонная в обмотках.

3. Третий символ – тип внешнего охлаждающего вещества;

"А" – воздушное;
"W" – водяное.

4. Четвертый символ – способ циркуляции внешних охлаждающих веществ;

"N" – естественный;
"F" – принудительный.

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Системы охлаждения силовых трансформаторов могут включать следующее дополнительное оборудование:

Защитное газовое реле.

При повреждениях масляной системы охлаждения или иных нарушениях функционирования маслопровода, масло начинает разлагаться, выделяя некоторое количество газов.

Газовое реле, в зависимости от заложенной функциональности, может подавать сигнал тревоги (при незначительном количестве газа) или отключать трансформатор, при скачкообразном возрастании объема газа.

Индикатор уровня масла.

Может быть выполнен, как в виде стеклянного патрубка (работает по принципу сообщающихся сосудов), так и в виде аналогового циферблата соединенного с поплавковой системой измерения.

Индикаторы на основе термопар установленные в точках с максимальной температурой масла.

Устанавливаются в емкостях для масла и поглощают образующийся конденсат, препятствуя попаданию влаги в охлаждающую жидкость.

Система регенерации масла.

Используются термосифонные фильтры, наполненные крупнофракционным абсорбентом. Регенерация производится непрерывно, без снятия рабочей нагрузки.

Устройства сброса давления.

Механический предохранительный клапан многоразового срабатывания с возможностью регулировки граничной величины.

Как правило, конечный пользователь, будь то небольшой объект или крупное предприятие, в таких случаях обращается к представителям энергетической компании, которые и порекомендуют организацию, осуществляющую монтаж, подключение и последующее обслуживание трансформаторного оборудования.