УДК 621.314.21-213.34

И.Я.Чернов, В.В.Шилов, В.Е.Налбатов, Н.А.Волков, В.Л.Кузнецов

АНАЛИЗ ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОВРЕМЕННЫХ ЗАРУБЕЖНЫХ ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ

Постановка проблемы. Взрывобезопасные передвижные комплектные трансформаторные подстанции (КТП) предназначены для питания трехфазным переменным током токоприемников угольных и сланцевых шахт, опасных по газу (метану) и (или) угольной пыли, а также защиты линий низшего напряжения (НН) от токов утечки и их максимальной токовой защиты.
Серия современных КТП, выпускаемых в Украине ОАО «Донецкий энергозавод», включает в себя мощности 100, 160, 250, 400, 630 и 1000 кВА. Разработана и проходит испытания КТП мощностью 1250 кВА. Находится в стадии разработки КТП мощностью 1600 кВА.
Конструкция КТП каждые 8...10 лет претерпевает изменения в связи с освоением промышленностью современных комплектующих изделие новых более качественных материалов, более совершенных конструкций составных частей, деталей и сборных единиц.
Особенно необходимость совершенствования подстанций диктуется освоением в Украине новых угледобывающих комплексов высокой энерговооруженности, что требует мощных (до 2000 кВА) высоконадежных КТП. В условиях стесненного пространства шахты их разработка требует неординарных конструкторских решений.
Подстанции серии КТПВ, разработанные в конце 90-х годов, в основном удовлетворяют эксплуатационные службы угольных шахт Украины и стран СНГ, однако уже требуют усовершенствования, чему в значительной степени способствует опыт эксплуатации лучших образцов К1 зарубежных фирм, конкурирующих на рынках Украины и стран СНГ.
Подстанции, аналогичные отечественным, поставляются в страны СНГ фирмами Великобритании, Германии, Польши, Чехии, а в последнее время также как чисто российскими предприятиями, например, ЭРСМ Энергия (Новокузнецк), так и совместными предприятиями, например ООО Сиб-Дамель-Новомаг (Ленинск-Кузнецкий).
В соответствии с требованиями эксплуатации и стандартов по безопасности, являющихся общими для всех КТП, последние обеспечивают выполнение следующих главных функций:
а) преобразование электроэнергии;
б) обеспечение взрывобезопасности;
в) обеспечение электробезопасности;
г) защита линий НН от короткого замыкания (КЗ);
д) контроль сопротивления изоляции линий НН;
е) возможность транспортирования по рельсовым путям шахты к жесту установки, а также перемещения вслед за продвижением лавы. Каждая из этих главных функций подразделяется на несколько вспомогательных (второстепенных).
Рассмотрим более подробно их выполнение.
В современных отечественных КТП в качестве высшего напряжения (ВН) используется напряжение 6 или 10 кВ, а со стороны НН - 400, 690, 1200 или 3300 В. При этом, учитывая, что в условиях шахты может использоваться электрооборудование на разное напряжение, желательным является переключение обмоток трансформатора с напряжения 400 на 690 В или с 690 на 1200 В. К силовому трансформатору предъявляются также требования по обеспечению качества напряжения, потере напряжения в самом трансформаторе (пониженное напряжение КЗ), экономичности (низкие потери мощности, соотношение потерь холостого хода (XX) и К3), расходу активных материалов, габаритным размерам и массе. Эти требования обусловлены спецификой эксплуатации трансформатора в условиях шахты, ограниченными размерами выработок, стохастическим характером нагрузки, наличием взрывоопасной среды и т.д.

Анализ публикаций. Разрозненные сведения о технико-экономических показателях современных зарубежных взрывозащищенных КТП опубликованы в ряде новейших каталогов фирм-изготовителей, однако они нуждаются в обобщении, в том числе в уточнении противоречащих друг другу данных и их систематизации для аналитических исследований.
В настоящее время существуют следующие наиболее надежные зарубежные трансформаторные подстанции.
 

Цель статьи. Оценка достигнутого мирового уровня технико-экономических показателей современных зарубежных взрывозащищенных КТП, определение тенденций развития трансформаторостроения и опыта создания КТП за рубежом.
 

Результаты исследований.

1. Технические характеристики и конструкция силовых трансформаторов и их составных частей.
Анализ показывает, что подстанции, выпускаемые ОАО «Донецкий энергозавод», по своим характеристикам находятся на уровне лучших зарубежных образцов. Так, удельные потери в трансформаторе мощностью 1000 кВА новой разработки находятся на уровне польских трансформаторов и лишь несколько уступают немецким и английским, поскольку в последних применена электротехническая сталь марки М-2Н толщиной 0,3 мм с удельными потерями 1,17 Вт/кг.

 1.1. Трансформаторы фирмы Вгush, Англия [1].
 Магнитопровод трансформатора КТП фирмы Вrush, набран из пластин листовой холоднокатаной текстурованной электротехнической стали с низкими удельными потерями в соответствии со стандартом Б.С.6404 (Англия). Для обеспечения точности сборки сердечник монтируется с применением специальных зажимных технологических приспособлений Пластины стержня крепятся вместе посредством переплетенных стеклолент, а пластины ярма удерживаются ярмовыми балками и стягиваются шпильками. Ярмовые балки обеспечивают опрессовку обмоток в осевом направлении. Обмотки трансформаторов изготавливаются из электролитически меди с изоляцией класса нагревостойкости 220, пропитанной силиконовых лаком. Обмотки НН выполняются либо двухслойной конструкции с параллельным соединением прямоугольных проводников, либо многослойной - с одним витком в слое, намотанным медной лентой с шириной, равной высоте обмотки. Обмотки ВН изготавливаются непрерывными в виде дисков, закрепленных прокладками и рейками для формирования охлаждающих каналов между обмотками НН и ВН.
Обмотки ВН имеют отводы для регулирования коэффициента трансформации минус 5 и минус 10 %. Отводы располагаются в центре обмотки, изолируются трубками из силиконового каучука и выведены на панель, расположенную вверху трансформатора. Доступ к панели осуществляется через люк на крышке.
Силовой трансформатор устанавливается в корпус прямоугольной формы с гофрированными боковыми стенками и выпуклой (для предотвращения накопления пыли и повышения жесткости) крышкой. Гофрированные стенки выполняются из цельного стального листа и привариваются к прочному фланцу вверху и к днищу внизу. Ржавчина и окалина после арки кожуха удаляются методом дробеструйной обработки. Для обеспечения защиты от вредных воздействий окружающей среды применяются высококачественные покрытия по методике фирмы.
Для транспортирования трансформатора в шахте разработаны варианты конструкции шасси:
а) цельные стальные колеса;
б) колеса с шинами из специального материала;
в) полозья и каретки разной формы для удовлетворения требований индивидуальных заказчиков.

1.2. Трансформаторы фирмы Ostroj-Hansen+Reinders, Чехия [2].
По конструкции трансформатор типа ТSЕ подстанции ТN6 выполнен аналогично трансформатору фирмы Вrush. Это трансформатор сухого типа с естественным воздушным охлаждением. Активная часть трансформатора собрана на магнитопроводе из холоднокатаной текстурованной стали с прямоугольным стыком стержней и ярм прямоугольного сечения.
Обмотки изготавливаются из медного провода прямоугольного сечения с нагревостойкой изоляцией и испытываются напряжением: обмотка ВН - 20 кВ, обмотка НН - 4 кВ.
Активная часть трансформатора размещена в стальном взрывонепроницаемом корпусе и крепится к стенкам корпуса при помощи перемычки. Стенки оболочки гофрированные с охлаждающими ребрами. Крышка размещена вверху корпуса и выполнена выпуклой (полукруглой). Конструктивно корпус трансформатора состоит из трех частей:
а) входного отсека проходных изоляторов со стороны ВН;
б) выходного отсека проходных изоляторов со стороны НН;
в) отсека силового трансформатора.
К отсекам ВН и НН при помощи болтов крепятся распределительные устройства высшего и низшего напряжения (РУВН и РУНН).

1.3. Трансформаторы фирмы Аllenwest Wallacetown, Англия [3].
Магнитопровод трансформатора КТП типа А-77/D выполнен трехстержневым. Стержни и ярма набраны из холоднокатаной текстурованной электротехнической стали марки М-2Н внахлест с «косым стыком» между ними. Ярма стянуты ярмовыми балками, на которых закреплены устройства для опорной изоляции обмоток.
Первичные обмотки трансформатора непрерывного типа выполнены из прямоугольного провода с горизонтальными каналами охлаждения, что обеспечивает необходимую температуру обмоток и равномерный потенциал напряжения вдоль поверхности дисков. Обмотки ВН выполнены из медной ленты и имеют форму цилиндра с высотой, равной высоте обмотки. Это обеспечивает конструкции высокую электродинамическую стойкость при КЗ.
Активная часть трансформатора размещается в прямоугольном корпусе с волнистой (гофрированной) боковой поверхностью. Волнистые стенки приварены к фланцам, верхний из которых обеспечивает взрывонепроницаемое соединение с крышкой трансформатора, имеющей куполообразную форму для предотвращения накопления пыли. Корпус по виду и уровню взрывозащиты выполнен в соответствии с требованиями европейских стандартов ЕN 50014 и ЕN 50018.

1.4. Трансформаторы фирмы Веcker, Германия [4].
Силовой трансформатор подстанции ТS 1281 фирмы Becker Имеет магнитопровод из холоднокатаной текстурованной стали марки М-2Н «косым стыком». Листы стали имеют жаростойкое покрытие. Низкие удельные потери в стали и «косой стык» стержней и ярм позволяют увеличить индукцию в стержнях до предельно допустимого значения 1,6...1,7 Тл. Конструктивно магнитопровод выполнен по классической схеме.
Обмотки ВН непрерывной конструкции с дисковыми катушками из прямоугольного провода и двухслойные обмотки НН имеют изоляционные материалы класса нагревостойкости 200. Обращает на себя внимание тщательное изготовление обмоток, пропитка силиконовыми лаками без наплывов и с чистой поверхностью в охлаждающих каналах.
Характерным для трансформаторов является конструкция взрывобезопасного корпуса, обеспечивающая высокоэффективное охлаждение. Корпус по периметру гофрированный с использованием специальных профилей, изготавливаемых по оригинальной технологии. Изнутри волнистая поверхность имеет специальное матовое покрытие черного цвета, что способствует эффективному поглощению тепла, выделяемого активной частью трансформатора.

1.5. Трансформаторы фирмы Bartec, Германия [5] .
Трансформаторами фирмы Bartec комплектуются взрывозащищенные КТП типа IТ3SсА. Трансформаторы такого типа поставляются также для КТП, изготавливаемых АО «Карбоавтоматика» и фирмы Martech-Plus (Польша).
Активная часть трансформатора выполнена по классической схеме с магнитопроводом из холоднокатаной текстурованной электротехнической стали и «косым стыком» стержней и ярм.
Обмотки трансформатора цилиндрического типа концентрически расположены на стержнях магнитопровода. Класс нагревостойкости изоляции Н (180 °С).
За основу конструкции корпуса принята идея фирмы «Siemens» 60-70-х гг. прошлого столетия. Путем применения специальной технологии получен корпус круглой формы с полностью гофрированной поверхностью (без сварки), которая имеет высокий коэффициент теплоотдачи. Такие корпуса применялись для трансформаторов мощностью до 400...630 кВА. В отличие от корпусов фирмы «Siemens» корпуса трансформаторов упомянутых фирм выполнены с помощью сварки гофрированных элементов.

2. Технические характеристики и конструкция РУВН.

2.1. РУВН подстанций фирм Brush и «Baldbwin & Francis LTH» (Англия) выполнены на базе высоковольтного элегазового выключателя SF6N/TM и содержит:
а) рубильник-разъединитель на ток 630 А с положениями «ВКЛ», ОТКЛ», «ЗЕМЛЯ», который сблокирован с высоковольтным выключателем и крышкой с запиранием в этих положениях;
б) элегазовый выключатель на ток 630 А с пружинным ручным или двигательным приводом включения, имеющий соленоидный отключающий механизм;
в) защитное устройство от перегрузки с мгновенным срабатыванием
при КЗ и регулируемыми уставками 400, 600 и 800 % от номинала;
г) комплект разрядников, ограничивающих перенапряжение до значения не более 9,5 кВ;
д) однофазный трансформатор напряжением 6300/110 В и мощностью 150 ВА, герметизированный эпоксидной смолой;
е) вводную коробку для подключения двух кабелей напряжением 6 кВ;
ж) счетчик срабатывания высоковольтного выключателя;
з) устройство для подключения пульта дистанционного отключения;
и) индикаторы «ВКЛ»/«ОТКЛ», амперметр и вольтметр, расположенные за армированным стеклом на передней панели корпуса.

2.2. РУВН подстанции КТСВП фирмы ЭРСМ-ЭН (Россия) содержит:
а) разъединитель, встроенный в отдельный корпус;
б) высоковольтный вакуумный выключатель BB/TEL, фирмы Таврида-электрик, Севастополь [6] ;
в) три ограничителя перенапряжения типа KP-TEL;
г) однофазный высоковольтный трансформатор оперативного напряжения;
д) три трансформатора тока;
е) высоковольтный предохранитель;
ж) блок управления BU-TEL;
з) микропроцессорный терминал защит ТМЗП-6,3-2.

2.3. РУВН подстанции фирмы Allenwest Wallacetown (Англия) включает в себя:
а) высоковольтный выключатель AW2000/E10 на напряжение 7,2 кВ и ток 630 А;
б) устройство защиты AWT10, обеспечивающее защиту от перегрузки и КЗ с регулируемыми уставками тока в пределах четырех – десяти кратного номинального, измерение напряжения от 3,3 до 11 кВ, защиту ста
замыкания на землю;
в) два кабельных ввода штепсельного типа.

2.4. Ряд исполнений РУВН подстанций фирмы Becker выполнено на базе элегазового выключателя типа Rollarc R400 микропроцессорным блоком, обеспечивающим функции защиты от перегрузки и КЗ, защиты от замыкания на землю и дистанционного отключения [7] .

2.5. В РУВН подстанций IT3ScA фирмы Bartec, АО «Карбоавтоматика» и Martech-Plus ряд исполнений также выполнен на базе высоковольтного элегазового выключателя Rollarc R400 с микропроцессорным блоком защиты типа SEPAM-1000, выполняющим защиту от перегрузки, КЗ, асимметрии фазных напряжений и недопустимой температуры и осуществляющим контроль за состоянием изоляции и уровнем напряжения и тока.

2.6. РУВН подстанции TN6 фирмы Ostroj-Hansen+Reinders состоит из трех составных частей: вводного отделения, отделения разъединителя, аппаратного отделения.
Вводное отделение имеет два кабельных ввода типа VP 67 для подключения высоковольтного гибкого или бронированного кабеля диаметром до 60 мм. В нем установлены проходные изоляторы с устройством крепления жил кабеля.
Отделение разъединителя представляет собой прямоугольную оболочку, внутри которой размещен трехполюсный разъединитель XX с корозамыкателем (250 А, 6,3 кВ) и блок визуального контроля наличия питающего напряжения, состоящий из разделительных конденсаторов, блока стабилитронов и трех блоков индикации на светодиодах. Каждый блок состоит из трех светодиодов, что позволяет контролировать наличие напряжения в каждой из фаз.
Аппаратное отделение включает в себя:
а) высоковольтный контактор;
б) трансформатор напряжения 6/0,22 кВ для питания аппаратов
управления и защиты;
в) высоковольтные предохранители;
г) блок типа ecoMUZ, предназначенный для защиты от токов КЗ;
д) вспомогательный источник питания для собственных нужд;
е) кнопку включения высоковольтного контактора, кнопку аварийного (дистанционного) отключения комплектного распределительного устройства, питающего КТП, кнопку местного отключения контактора, переключатель проверки и тестирования.

2.7. РУВН подстанции MAR-630/6 и MAR-1000/6 фирмы INCO (Чехия) выполнено в круглой оболочке с кабельной коробкой, имеющей два кабельных ввода. В аппаратном отсеке расположен разъединитель XX с ручным приводом, сблокированным с выключателем на стороне НН. На крышках аппаратного отсека и кабельной коробки установлено разгрузочное устройство (гаситель пламени) для снижения давления взрыва внутри отсеков.

 

3. Технические характеристики и конструкция РУНН.

3.1. В аппаратном отсеке РУНН фирмы Brash расположены:
а) блок контроля изоляции JSC 45, контролирующий ее сопротивление при включенной нагрузке и при отключенной сети с выводом информации на дисплей, который расположен на передней панели корпуса и три уровня сигнализации:
- уровень сигнализации с уставками 50, 100, 200, 350, 500 кОм;
- уровень отключения с уставками 10, 50, 100, 200, 350 кОм;
- уровень с временем задержки расцепления до 70 мс, 200, 300, 400, 500, 650, 900, 1200 и 1500 мс, а также тремя уровнями срабатывания:
A) (уровень сопротивления изоляции выше установленного для срабатывания);
Б) (уровень сопротивления изоляции ниже установленного для срабатывания, но выше установленного для отключения, при котором устройство не срабатывает, но подает сигнал об опасности);
B) (уровень изоляции ниже установленного для отключения и устройство выдает сигнал на высоковольтный выключатель
отключения);
б) узел контроля замыкания на землю;
в) узел проверки блока контроля изоляции с омметром;
г) узел защиты от КЗ типа JSC 34 фирмы Brush с уставками тока от 250 до 6000 А;
д) два трансформатора тока со вторичным током 1 А для защиты от тока КЗ;
е) устройство для деблокировки узла защиты от тока КЗ после его срабатывания;
ж) амперметр и вольтметр;
з) трансформатор напряжения 1200/110 В;
и) трансформатор для питания индикаторов.
РУНН имеет три низковольтных вывода, каждый из которых снабжен выключателем с ручным приводом на ток 630 А с отключающей способностью 15 кА.
3.2. РУНН подстанции фирмы AllenwestWallacetown. В качестве РУНН в этой КТП применяется модульная станция MCS2002, имеющая:
а) блок входных контакторов 1200 А МССВ;
б) шесть вакуумных контакторов на ток 300 А на вставных шасси;
в) один реверсивный контактор на 400 А;
г) трансформатор собственных нужд и освещения мощностью 3 кВА напряжением 120 В с тремя выходами, включаемыми тремя вспомогательными контакторами;
д) главный модуль с шестью выводами, обеспечивающими:
- защиту от перегрузки;
- защиту от КЗ;
- контроль сопротивления изоляции с блокировкой при сопротивлении изоляции от 5 до 40 кОм;
е) цветной дисплей с жидкокристаллическими индикаторами, сигнализирующими о состоянии подстанции и о срабатывании защит при перегрузке, КЗ, дистанционном отключении, блокировках, замыкании на землю и асимметрии фазных напряжений;
ж) устройство передачи информации на центральный пульт управления с запоминанием;
з) штепсельные разъемы на ток 250 А.

3.3.В качестве РУНН в подстанциях TS 1281 фирмы Becker применяются две компактные пусковые станции КЭ 1004, расположенные друг над другом и соединенные корпусами с корпусом силового трансформатора. Отличительной особенностью станций является модульный принцип расположения аппаратуры коммутации, защиты и сигнализации. В качестве коммутирующих аппаратов используются вакуумные контакторы. Релейно-контакторные модули выполнены в унифицированных корпусах и могут быть оперативно установлены в корпус и извлечены из него, для чего на днище корпуса станции предусмотрены гнезда с роликами для их перемещения.
В обеих полостях (станциях) располагается «энергетическая шина», предусмотренная для четырех отсеков на номинальный ток 450 А, которая в верхнем блоке РУНН выполнена на один контактор при напряжении сети 230 В и на три контактора при 1 кВ. РУНН может быть укомплектовано:
а) релейно-контакторным вдвижным модулем НРС-450 со встроенным реверсивным выключателем без предохранителей;
б) сдвоенным релейно-контакторным модулем для маломощных приводов;
в) осветительным модулем для двух отводов (напряжением 230 В и мощностью 1 и 10 кВА);
г) компактным модулем со встроенным электронным блоком с функциями контроля на токи 80 или 115 А. Комбинация представленных модулей позволяет удовлетворить все требования потребителей.
Корпус РУНН выполнен во взрывозащищенном исполнении. Дверь корпуса с быстродействующим замком оборудована центральной блокировкой и ее можно открыть только тогда, когда все выводы отключены, а модули выдвинуты.
На боковой стенке РУНН имеются штепсельные разъемы, рассчитанные на токи 80, 115 и 450 А. Здесь также располагается отделение с искробезопасными цепями и дисплеями, отображающими значения контролируемых величин.
Контакторные модули, смонтированные в прямоугольном корпусе, включают в себя вакуумные контакторы с управляющей и контролирующей электроникой. Контакторы состоят из трех вакуумных камер с отдельными приводными катушками. Самостоятельный привод каждой камеры позволяет микропоцессорному командоаппарату отключать контактор точно при прохождении тока в каждой фазе через ноль. При этом командоаппарат фиксирует концевые положения отключенного полюса и блокирует его в нулевом положении.
Электронный блок с командоаппаратом выполняет следующие функции управления и слежения за работой контакторного модуля:
а) контроль и защита от перегрузки и КЗ;
б) контроль и защита от утечки тока отключенного вывода (функция блокировочного реле утечки);
в) защита от утечки на землю во время работы;
г) контроль асимметрии фазы;
д) преобразование искробезопасного импульса и передача его к формационному блоку.
Встроенный командоаппарат ведет непрерывную запись о работе контактора. Записываются ток перегрузки и отключение КЗ.

Выводы:
1. Современные подстанции зарубежных фирм выполнены с учетом тенденции развития угледобывающей техники, т.е. увеличения мощности в единице КТП до 3000...3500 кВА, и с напряжением на стороне НН 1000... 3300 и даже 6000 В.
2. Большинство КТП на стороне ВН оснащены распределительным устройством с высоковольтным выключателем и максимальной токовой защитой, способным отключить ток КЗ равный 10... 15 кА. Используются вакуумный или элегазовый выключатель с ограничителями перенапряжений. Перед высоковольтным выключателем устанавливается разъединитель XX с блокировкой во включенном и отключенном положениях. Корпус РУВН выполнен с взрывозащитой вида «d» (взрывонепроницаемая оболочка).
3. Силовой трансформатор имеет магнитопровод из холоднокатаной текстурованной электротехнической стали с нижним уровнем удельных потерь до 1,17 Вт/кг. Стыки стержней и ярм выполняются под углом 45°, и как правило, на всех стержнях (по типу step-lap).
4. Обмотки трансформатора изготовлены из прямоугольного медного провода со стекловолокнистой изоляцией класса нагревостойкости 200 или 220 с пропиткой силиконовыми лаками. Регулировочные отводы выполнены по центру обмотки ВН. Низковольтные обмотки выполнены либо двухслойными, либо спиральными из медной ленты.
5. Поверхность корпуса трансформаторов выполнена гофрированной по всему периметру у корпусов овальной формы или только боковых стенок у корпусов прямоугольной формы. Взрывонепроницаемость корпуса обеспечивается взрывозащитой вида «d»(взрывонепроницаемая оболочка).
В силовых трансформаторах фирмы Becker применяется также взрывозащита вида «е» (повышенная надежность против взрыва).
6. Распределительное устройство НН представляет собой станцию управления с количеством отходящих присоединений от двух до восьми, которые, как правило, выполняются в виде унифицированных выдвижных контакторных модулей. Корпус РУНН снабжается крышкой с быстрооткрываемым замком.
Для управления используются микропроцессорные блоки с программным заданием контролируемых величин. По желанию потребителей информация может передаваться на центральный диспетчерский пульт шахты. Микропроцессорный блок может быть выполнен с запоминанием параметров для получения информации, например, о перегрузках, количестве отключаемых КЗ и т.п.

Список литературы:
1. Информационный листок фирмы Brush. Выставка Уголь/Майнинг, Новокузнецк, 2004.-2 с.
2. Инструкция по обслуживанию подстанции TN6/1250, фирма Ostroj-Elgor+Reinders, 01.02.2005.-50 с.
3. Каталог фирмы Allenwest Wallacetown, 2003,- 4 с.
4 Техническое описание подстанции TS1281, фирма Becker, 16.09.2005.-4 с.
5 Информационный листок фирмы Bartec. Выставка Уголь/ Майнинг, 2005.-2 с.
6. Руководство по эксплуатации на выключатели вакуумные серии BB/TEL, фирма Таврида Электрик, 2002.- 28 с.
7. Техническое описание элегазового контактора Rollarc, R400 D фирмы Merlin Gerin, 2005.-4 с.