Проблеми сучасного трансформаторобудування в Росії

Шабалін І.А.
Донецький національний технічний університет

       Протягом декількох десятиліть розвиток трансформаторобудування в Росії було зосереджено головним чином на підвищенні потужності та робочої напруги трансформаторів. У СРСР в минулому досягнуті межі (потужності 1250 МВА та робочої напруги - 1200 кВ), для перевищення яких навряд чи з'являться підстави в першому десятилітті XXI століття.
       Після розділу СРСР практично всі заводи країн СНД, що зосереджені на випуску трансформаторів, зазнають подібних труднощів, а саме:
       - різке падіння обсягів виробництва через відсутність замовлень;
       - відсутність фінансування, необхідного для відновлення техно-логічного устаткування і проведення перспективних розробок;
       - значне збільшення середнього віку кадрового состава фахівців, що з'явилося наслідком падіння обсягу виробництва і недоліку фінансових ресурсів.
       В роботі розглянуті деякі, на наш погляд, актуальні для теперішнього часу проблеми сучасного трансформаторобудування в Росії з урахуванням закордонного досвіду.

       Початком виробництва високовольтних силових трансформаторів у Росії можна вважати листопад 1928 р., коли почав працювати Московський трансформаторний завод (згодом - Московський електрозавод). Незабаром продукція заводу стала задовольняти потреби країни у високовольтних трансформаторах. Вже в передвоєнний період завод випускав потужні силові трансформатори напругою до 220 кВ. Після війни були організовані нові трансформаторні заводи й, насамперед, Запорізький трансформаторний завод, Тольятінський електротехнічний завод та ін. Ці заводи прийняли на себе основне навантаження по виробництву високовольтних силових трансформаторів для енергетики. Московський электрозавод став усе більше спеціалізуватися на виготовленні силових трансформаторів для електричних печей, шунтувальних реакторів всіх класів напруги, вимірювальних трансформаторів напруги, регулювальних трансформаторів і ін.
       В 50-х роках було освоєне виробництво трансформаторів для мереж напругою 400 кВ (згодом 500 кВ), в 60-х - для мереж 750 кВ, а в 70-х - 1150 кВ.
       За післявоєнні роки в м. Запоріжжя була створена потужна технологічна й дослідницька база із заводом технологічного устаткування та Всесоюзним інститутом трансформаторобудування.
       Після розділу СРСР у зв'язку з економічною кризою потреба в трансформаторах різко скоротилася, і заводи були змушені шукати замовлення на трансформатори поза раніше встановленою спеціалізацією. Так «Електрозавод» розширив номенклатуру трансформаторів головним чином за рахунок силових трансформаторів загального призначення напругою до 500 кВ включно.
       На кінець 90-х років технічні можливості виробників трансформаторів у Росії були представлені наступними підприємствами:
       ОА ОХК «Електрозавод»:
       - силові трансформатори загального призначення потужністю до 400 МВА й напругою до 525 кВ; шунтувальні і інші реактори потужністю до 300 МВар у фазі і напругою до 1200 кВ;
       - силові трансформатори для живлення електричних печей різного призначення потужністю до 83 МВА й напругою до 220 кВ;
       - регулювальні трансформатори для поздовжнього і поперечного (за значенням і фазою) регулювання напруги в мережі потужністю до 92 МВА;
       - іспитові трансформатори різного призначення;
       - розподільні та інші трансформатори класів напруги до 35 кВ, у тому числі сухі пожежебезпечні на напругу до 10 кВ, а також з нагревостійкою ізоляцією класів Н и Р;
       - вимірювальні трансформатори напруги до 1200кВ (електромагнітного і ємнісного типів) і струму для мереж до 110 кВ.
       АТ «Трансформатор» (м. Тольяті):
       - силові трансформатори потужністю до 400 МВА, напругою до 525 кВ, у тому числі для різко змінного навантаження, пересувні для установки на платформах, сейсмостійкі та ін.
       ВАТ «Уралелектротяжмаш» (м. Єкатеринбург) :
       - перетворювальні трансформатори для різних схем випрямлення потужністю до 80 МВА, напругою до 110 кВ;
       - силові трансформатори загального призначення потужністю до 125 МВА й напругою до 220 кВ;
       - реактори масляні та сухі різного призначення;
       - трансформатори сухі розподільні і перетворювальні потужністю до 3150 кВА.
       Основним постачальником потужних силових трансформаторів на російський ринок вважався Запорізький трансформаторний завод - „Запорожтрансформатор”. Наявність у м. Запоріжжя Інституту трансфор-маторобудування, заводу нестандартного устаткування та заводу високовольтної апаратури створило можливості розробки і постачання будь-якого виду трансформаторного устаткування.

       При проектуванні трансформаторів прагнуть задовольнити вимогам стандартів і специфікацій при мінімальній вартості трансформатора. При цьому прагнуть збільшити щільність магнітного потоку в сердечнику, що передбачає застосування сталі, що допускає високу індукцію з мінімальним збільшенням втрат і рівня шуму.
       При роботі втрати в трансформаторі складаються із втрат холостого ходу, що виникають внаслідок перемагнічування активної сталі сердечника і навантажувальних втрат (або втрат короткого замикання), що представляють собою втрати в проводі обмоток, а також додаткових втрат у стінках бака та інших металевих частинах, викликаних потоком розсіювання.
       Підвищення вартості енергії стимулює зниження як втрат холостого ходу, так і навантажувальних (останніх, особливо в генераторних і інших трансформаторах, що мають високий коефіцієнт навантаження). За останні 30 років втрати в трансформаторах знижені в середньому на 50%.
       Втрати холостого ходу. Протягом останніх років відбулося значне поліпшення характеристик орієнтованої холоднокатаної сталі, що було стимульовано ростом конкуренції на світовому ринку та появою аморфної сталі.
       Зниження втрат холостого ходу відбувалося завдяки:
       - застосуванню поліпшених марок сталі;
       - удосконаленню технології виготовлення магнітної системи і особливо розкрою сталі;
       - удосконаленню конструкції сердечника і, насамперед, стиків листів сталі.
       Сьогодні на ринку є сталь з втратами 1,05 Вт/кг при товщині 0,3 мм і 1,0 Вт/кг при товщині 0,27 мм при індукції 1,7 Тл.
       Близько 50% втрат у сталі становлять втрати на вихрові струми і 50% - на гістерезис, тому підприємства, що виготовляють сталь прагнуть зменшити товщину листів. Можна чекати, що сталь із товщиною 0,15 мм буде мати питомі втрати порядку 0,7 Вт/кг при тій же індукції.
       Істотним резервом зниження втрат холостого ходу є вдосконалення технології розкрою сталі і складання магнітної системи. Показником стану технології є коефіцієнт погіршення питомих втрат у трансформаторі в порівнянні зі сталлю в стані поставки. У цей час він дорівнює близько 1,4 і навіть вище.
       Навантажувальні втрати. На відміну від втрат холостого ходу зниження навантажувальних втрат не супроводжувалося істотним поліпшенням матеріалів.
       Навантажувальні втрати в проводі складаються із втрат постійному струму в проводі обмотки, втрат на вихрові струми в проводі і додаткових втратах у стінках бака та металевих частинах конструкції.
       Головним засобом зниження навантажувальних втрат є зменшення щільності струму у проводі шляхом збільшення його перетину. Однак це має два негативних наслідки: по-перше - збільшуються розміри сердечника, його вага і втрати холостого ходу; по-друге - збільшуються втрати, викликані вихровими струмами.
       Застосування компактного транспонованого проводу, що складається з великого числа ізольованих друг від друга і транспонованих провідників із загальною ізоляцією, частково зняло перший недолік і більшою мірою другий.
       У великих трансформаторах застосовується транспонований провод у якому число елементарних провідників може досягати 80.
       Провод може мати ізоляцію з эпоксидною смолою, що після полімеризації в процесі сушіння надає йому більшу твердість і підвищує міцність обмоток при впливі струмів короткого замикання.
       Додаткові втрати в металевих частинах викликані потоком розсіювання, створюваним обмотками, що в свою чергу залежить від конфігурації обмоток і не залежним від щільності струму. При зниженні втрат в проводі в навантажувальних втратах зростає частка додаткових втрат поза обмотками, особливо в трансформаторах з великим значенням опору КЗ.
       Раніше контроль поля розсіювання здійснювався насамперед для того, щоб уникнути неприпустимого нагрівання в окремих крапках стінок бака і інших металевих частин, особливо в трансформаторах великої потужності.
       Сьогодні такий контроль виконується також для зниження додаткових втрат. З цією метою застосовують провідні екрани, що служать для відхилення магнітного потоку від поверхні, або електромагнітні шунти, що збирають і направляють частину магнітного потоку в бажаному напрямку.
       Перевагою електромагнітних провідних екранів є їхня простота і можливість додання їм необхідної форми для захисту поверхні складної конфігурації. Їхній недолік полягає в тому, що в самому екрані виникають втрати, які повинні бути оцінені, а самі екрани повинні мати охолодження. При цьому необхідний контроль відхиленого екраном потоку розсіювання, що може індуцировати втрати в інших деталях, виготовлених з магнітного матеріалу.
       Електромагнітні шунти направляють магнітний поток по шляхах, де можуть бути тільки невеликі втрати, бажано поза стінки бака і інших металевих частин. Перевагою електромагнітних шунтів, набраних з електротехнічної сталі, є кращий контроль поля розсіювання та втрат, створених цим полем. Недоліком є труднощі додання шунтам необхідної форми при захисті деталей складної конфігурації.
       Екранування дозволяє знизити додаткові втрати більш ніж на 50%. У сучасних трансформаторах додаткові втрати можуть становити від 10 до 50% навантажувальних.
       Існуючі розрахункові методи дозволяють визначити найбільш вигідне розташування захисних пристроїв (екранів або шунтів), втрати, створювані полем розсіювання, і температуру в місці найбільших втрат.

       Шум трансформаторів викликаний головним чином вібрацією магнітної системи, що обумовлено магнітострикцією листів електротехнічної сталі, тобто періодичною зміною довжини листів із частотою магнітного потоку. Шум, створюваний електродинамічними впливами на обмотки, у нормальному режимі роботи трансформатора починає переважати тільки при значному зниженні шуму магнітної системи, що має місце при зниженні робочої індукції до значення 1,4 Тл і нижче. Шум створюють також вентилятори системи охолодження.
       Магнітострикція анізотропної електротехнічної сталі дорівнює приблизно 1,5 10•6 мкм/м (при індукції 1 Тл).
       Механічні впливи на електротехнічну сталь (різання, удар), а також її стиск у напрямку прокатки погіршують, а випал сталі поліпшує магнитострикційні характеристики. Рівні звуку перебувають у прямої залежності від розмірів трансформатора, маси та електричної потужності. Зменшення індукції магнітної системи на 10% знижує рівень звуку трансформатора на 3 дба.
       Відхилення напрямку магнітного потоку від напрямку прокатки сталі, нерівномірність розподілу магнітного потоку по перетину магнітопроводу, несинусоідальність магнітного потоку значно погіршують магнітострикцію сталі в магнітній системі.
        Малий рівень шуму магнітної системи досягається за рахунок застосування сталі з підвищеною площинністю листів, косих стиків з східчастим перекриттям, рівномірності пресування і відбудування власних частот механічної системи від частот, що збуджують вібрацію.
       Тому рівень шуму магнітної системи залежить від її конструкції, характеристик сталі та технологічних процесів розкрою сталі і складання магнітної системи.
       Вібрації активної частини трансформатора передаються на бак через олію. Бак може істотно підсилювати вібрацію активної частини за рахунок резонансу окремих ділянок і деталей бака. Максимальні вібрації стінок бака мають місце в центрі полів, створюваних ребрами жорсткості.
       Рівномірний розподіл ребер жорсткості допомагає зменшити віброактивність бака і випромінюваного їм шуму. Для цих же цілей можуть застосовуватися антивібратори, установлені у точках максимальної вібрації стінок, а також нанесення на стінки бака антивібраційного покриття.
       Малий рівень шуму вентиляторів досягається шляхом зменшення окружної швидкості обертання лопаток, віброізоляції корпуса вентилятора, балансування обертових частин, поліпшення аеродинамічних характеристик деталей на вході та виході потоку повітря.
       З підвищенням частоти напруги рівень звуку трансформатора зростає. При наявності в напрузі вищих гармонік рівень звуку також підвищується. Тому трансформатори, що працюють з випрямними установками у вторинному ланцюзі, або в режимі переривчастого навантаження, мають підвищений рівень звуку в області високих частот.
       Підвищений рівень звуку трансформаторів, що живлять електричні печі, наприклад сталеплавильні, може збільшуватися також за рахунок шуму, створюваного обмотками через кидки струму при виникненні переривчастої електричної дуги в печі.
       При включенні силових трансформаторів іноді виникає підвищений рівень шуму, що може залишатися протягом декількох годин. Це відбувається через залишкову намагніченість, що виникає, наприклад, під час проведення профілактичних вимірів активного опору обмоток при постійному струмі. Для зняття залишкової намагніченості іноді досить зробити кілька включень і відключень трансформатора на робочу напругу.
       Рівень вібрацій силових трансформаторів, як правило, незначний. Однак у реакторах, особливо в шунтувальних реакторах великої потужності, рівень вібрацій може бути більшим і становити небезпеку для цілісності окремих частин реактора. Це пояснюється тим, що в магнітній системі реакторів є немагнітні зазори. Сили магнітної взаємодії елементів магнітної системи викликають вібрацію елементів магнітопроводу з періодичністю робочої напруги. Для зменшення вібрації елементів у зазорах установлюються дистанційні деталі підвищеної твердості.
       Конструкція повинна забезпечувати мінімальні взаємні переміщення елементів магнітопроводу. Наявність витріщання магнітного потоку в зазорах магнітної системи викликає поява поперечної його складової. Це викликає коливання також і в поперечному напрямку.
       Таким чином, у шунтувальних реакторах має місце додаткове джерело вібрацій, що розширює спектр частот елементів магнітної системи. Це може викликати не тільки посилення чутного шуму, але й значне збільшення вібрацій.
       Для обмеження шуму і вібрацій шунтувальних реакторів крім всіх мір, застосовуваних у трансформаторах, використовуються деякі додаткові.
       Основна проблема, яку доводититься вирішувати, це усунення резонансу магнітної системи і окремих її частин. Наявні методи розрахунку дозволяють вирішити цю задачу. Для віброізоляції від бака часто застосовується установка активної частини на елементи, що демпфірують. Зокрема, активна частина шунтувальних реакторів установлюється на пружинних амортизаторах. Особливої уваги в шунтувальних реакторах вимагає забезпечення відсутності резонансу окремих частин бака.
       Максимальні припустимі рівні шуму нормовані Держстандартом 12.2.024-87. Так для трансформаторів потужністю 63 МВА і напругою 220 кВ, що мають систему охолодження Д, максимально припустимий рівень шуму становить 99 дба.
       Якщо виникає потреба зниження шуму раніше встановлених трансформаторів, можуть бути використані зовнішні міри зниження шуму. Вони полягають в установці звукових екранів на самому трансформаторі або на деякій відстані від нього. Екрани можуть бути встановлені з усіх боків трансформатора та як можно ближче до трансформатора. Краї екрана повинні виступати за трансформатор однаково в сторони і нагору. За допомогою такого екрана рівень шуму може бути зменшений на 10 дба.
       Більше зниження може бути отримане при повнім укритті трансформатора звуковбирними панелями. При цьому повинні бути вирішені питання виносу за межі вкриття системи охолодження. Такий тип звукоізоляції може знизити рівень звуку на 1-20 дба. Ще більшого зниження можна досягти за допомогою вкриття, установленого на окремому фундаменті що має товсті цегельні стіни. Вартість зовнішніх засобів зниження шуму трансформатора може виявитися вище, ніж подорожчення трансформатора зі зниженою індукцією, що має низький рівень шуму.
       Останнім часом з'явилися повідомлення про створення методів активного зниження шуму, які використовують для зниження вібрації та шуму. Елементи, що впливають на шум, установлюються на баці чи поблизу його. Система датчиків дозволяє управляти роботою елементів, що впливають на шум , залежно від навантаження трансформатора і погодних умов. Такі методи дозволяють знизити рівень шуму на 12-15 дба. Вартість таких засобів, за твердженням авторів нижче, ніж вартість установки екранів.

       Ушкодження силових трансформаторів трапляються відносно рідко. У багатьох енергосистемах ушкоджуваність становить частки відсотка у рік. На порядок і більше рідше випадки, коли ушкодження супроводжуються пожежею. Проте екологічний збиток, що виникає в цих випадках, край небажаний. Іноді джерелом пожежі є високовольтні уведення, що мають просочену олією ізоляцію. Застосування уведень, що не мають горючих елементів конструкції, дозволяє вирішити цю проблему.
       Якщо відбувається внутрішнє ушкодження в олієнаповненому трансформаторі, під дією електричної дуги утворюється великий обсяг газів, що є продуктом розкладання олії, а це в свою чергу приводить до швидкого збільшення тиску у баці. У випадку важкого ушкодження, коли відбувається електричний пробій ізоляції лінійного відводу на землю в потужному трансформаторі, захисні пристрої іноді не здатні не відключити трансформатор від мережі за досить короткий проміжок часу, не знизити тиск у баці. У цьому випадку може відбутися розрив бака, що викличе розлив великої кількості олії і спричинити пожежу внаслідок контакту розігрітих газів з киснем повітря. Подстанційна автоматична система пожежогасіння водою в таких випадках виявляється малоефективною.
       Якщо вдається відключити трансформатор протягом 60-80 мс, розриву бака можна запобігти. У більшості випадків трансформаторні баки (якщо вони посилені) можуть витримувати тиск, що є результатом важкого КЗ, при відключенні протягом досить короткого часу. Результативним також є посилення рознімання і інших з'єднань бака. У той же час бак повинен бути досить еластичним, щоб забезпечити збільшення обсягу при підвищенні тиску. Якщо ж коефіцієнт розширення бака малий, використовуються додаткові заходи.
       Збільшення ефективного обсягу може бути досягнуте при використанні розширника із плівковим захистом і з досить великим обсягом повітря над плівкою. Для цього розширник повинен бути приєднаний до бака за допомогою патрубка великого діаметра. Для цього ж може бути використане підключення додаткової ємності.
       Основним горючим матеріалом у трансформаторі є трансформаторна олія. До цього часу не знайдено досить ефективного замінника олії.
       У Японії, де екологічні проблеми найбільш гострі, широко застосовуються трансформатори, заповнені елегазом (нейтральним газом), що є гарним діелектриком.
       В експлуатації перебувають трансформатори потужністю до 300 МВА і напругою до 275 кВ. Розробляються трансформатори більшої потужності на напругу 500 кВ.
       Розподільні трансформатори, що встановлюють в цехах підприємств і інших приміщень, можуть бути або сухими, наприклад з ізоляцією типу „Номекс” або з обмотками, залитими в эпоксид, або з рідкою ізоляцією (негорюча рідина). Трансформатори, залиті негорючою рідиною, мають менші в порівнянні з сухими вагу і втрати. Донедавна як негорюча рідина застосовувалися аскарели, що відносяться до групи трихлордифенілов. Вони токсичні, практично не розкладаються природним шляхом, їхня утилізація утруднена. Із цих причин застосування трихлордефенілов у трансформаторах (і інших виробах) було заборонено.
       У теперішній час для заповнення трансформаторів застосовуються кремнійорганічні рідини і складний ефір Мк1е1 7131. Основним їхнім недоліком є висока вартість: в 4-4,5 рази дорожче трансформаторної олії.

       Актуальними напрямками розвитку трансформаторобудування на сьогодні є наступні:
       - розробка та застосування нових високоефективних матеріалів (головним чином електротехнічної сталі і ізоляції). Варто очікувати, що ця тенденція збережеться в найближчому майбутньому, оскільки вона стимулюється високою вартістю втрат холостого ходу трансформаторів;
       - удосконалювання характеристик потужних трансформаторів, особливо понад- і ультрависокої напруги (СВН і УВН);
       - створення трансформаторів з використанням високотемпературної надпровідності;
       - удосконалення пристроїв регулювання напруги в трансформаторах, у тому числі по фазі напруги;
       - керування терміном служби трансформаторів.

       Дотепер не існує заміни для целюлозної ізоляції, що могла б зрівнятися з нею за своєю ефективністю. Із всіх відомих синтетичних матеріалів можна виділити картон «Номекс», розроблений фірмою „Вайдман” разом з „Дьюпон”. Картон має наступні переваги:
       - тривала стабільність при температурі вище 220°С;
       - відсутність термічного руйнування з виділенням газу або інших вторинних продуктів при роботі в охолоджуючий рідині при високій температурі;
       - мала усадка по товщині в процесі сушіння і під дією статичних та динамічних нагрузок при температурі до 190°С у мінеральній олії;
       - низька діелектрична проникність в олії;
       - стабільність розмірів у процесі сушіння і роботи в олії та повітрі;
       - гарні ізоляційні властивості в олії та повітрі незалежно від змісту вологи.
       Незважаючи на відносно високу вартість застосування «Номекса» доцільно в спеціальних трансформаторах, що працюють при високих температурах, наприклад у тягових трансформаторах для залізничного транспорту. Доцільно його вибіркове застосування у звичайних силових трансформаторах, що може дозволити підвищити припустимі перевантаження, збільшити механічну міцність та ін.
       У зв'язку з тенденцією заміни деяких металевих частин ізоляційними з метою зниження втрат, викликаних потоком розсіювання, також знаходить застосування «Номекс».

        Потужні високовольтні трансформатори забезпечують енергією великі райони й повинні мати дуже високу ступінь надійності. Тому, у першу чергу, прямо, або побічно повинні вирішуватися питання, що впливають на безвідмовну роботу таких трансформаторів.
       Перемикаючі пристрої під навантаженням є ланкою, що насамперед привертає увагу при розгляді питань забезпечення безвідмовної роботи. Існуючі перемикаючі пристрої, хоча й володіють високою для електромеханічних пристроїв надійністю, не можуть повністю задовольняти всім вимогам. Здійснюючі перемикання під струмом контактори цих пристроїв вимагають заміни дугогасячих контактів через кожні 100-300 тисяч перемикань (останнім часом до 500 тисяч). Механічна частина має ресурс 500-1500 тисяч перемикань.
       Розвиток безконтактних пристроїв з керованими тиристорами, як комутуючими елементами, може в майбутньому підвищити надійність цього вузла. Поки ж у найбільш відповідальних випадках деякі споживачі, там де це можливо, наприклад у генераторних трансформаторах, бажають не мати перемикаючих пристроїв або мати пристрої перемикання без навантаження.
       Поля розсіювання в потужних трансформаторах можуть викликати неприпустимо високі місцеві нагрівання. Зіткнення таких нагрітих до високої температури місць із твердою ізоляцією або олією може викликати їхнє розкладання з виділенням газу. Останній може бути занесений потоком олії або під дією електричного поля в область високої напруженості електричного поля, що може привести до електричного пробою ізоляції. Тому в потужних трансформаторах прагнуть у максимальному ступені знизити втрати, викликані полем розсіювання, і не допустити нагрівання деталей конструкції вище 120—140°С.
       Для впевненого рішення цих завдань необхідний детальний розрахунок індукції поля розсіювання, у результаті якого можуть бути вжиті заходи по регулюванню поля, захисту небезпечних місць провідними екранами або магнітними шунтами, заміні окремих металевих деталей ізоляційними.
       Застосування моніторингу концентрації розчинених в олії газів є додатковою гарантією відсутності цієї небезпеки.
       Електродинамічна міцність. Наявність великих потоків розсіювання в сполученні з більшими значеннями струмів КЗ збільшує механічні зусилля в обмотках великих трансформаторів. Проблема ускладнюється тією обставиною, що випробування великих трансформаторів на міцність при струмах КЗ можуть проводитися тільки на спеціальних стендах і дуже дорого коштують, а іноді при дуже великій потужності практично неможливі.
       Надійні розрахунки зусиль, що діють на кожну ділянку обмотки, стали можливі тільки після розробки складних комп'ютерних програм. Сполучення розрахунків з даними, отриманими в результаті випробувань аналогічних трансформаторів і окремих вузлів, допомагає вирішити це завдання.
       Необхідний пошук шляхів посилення механічної міцності обмоток. Наприклад, застосування транспонованого проводу крім зниження втрат у випадку просочення його ізоляції эпоксидным компаундом значно підвищує міцність обмотки після полімеризації компаунда при сушінні обмотки.
       Застосування синтетичних матеріалів, наприклад арамидного картону, як опорного матеріалу та прокладок обмотки замість целюлозних матеріалів, що піддаються впливу вологи і температури, також дозволяє збільшити механічну міцність обмоток.
       Зниження рівнів ізоляції для трансформаторів СВН і УВН має особливо важливе значення, оскільки допомагає зменшити розмір трансформатора, поліпшити його техніко-економічні характеристики, перебороти транспортні обмеження.

       Ріст споживання енергії супроводжується вимогою економічності енергопостачання, підвищення його якості та надійності. Одним з основних вимог є зниження втрат електроенергії економічно виправданими засобами.
       Відкриття в 80-х роках матеріалів, що володіють високотемпературною надпровідностю (ВТНП), відкрило нові перспективи створення трансформаторів зі зниженими втратами. Вдалося перебороти головну перешкоду використання надпровідності: громіздкі криогенні системи одержання рідкого гелію були замінені простими установками рідкого азоту при атмосферному тиску.
       Надпровідники мають дві основні особливості: зовсім незначні втрати при відносно великій щільності струму і «перемикаючий режим» — перехід від практично нульового опору до високого опору, коли струм перевищить певне значення - критичний струм. Надпровідний стан існує тільки нижче певної критичної температури.
       Для більшості високотемпературних надпровідників ця температура нижче 110 К . Звичайно робоча температура для зручності приймається рівній температурі киплячого рідкого азоту, тобто 77 К.
       Нормальний струм ВТНП провідника повинен мати значні відповідні області надпровідності і нижче критичного струму. Максимально припустиме підвищення струму повинне визначатися здатністю навантаження охолоджуючого пристрою.
       Для струму, що значно перевищує критичне значення, втрати збільшуються на порядок. Цей режим є режимом обмеження аварійного струму - короткочасним перехідним режимом. Енергія, виділена в провіднику в перехідному режимі, буде поглинена при випарюванні частини охолоджуючої рідини.
       Ці властивості надпровідника можуть дозволити значно підвищити коефіцієнт корисної дії трансформаторів, зробити їх більше компактними, виключити олію як охолоджуючу рідину й прийняти на себе функцію обмеження великих струмів.
       Навантажувальні втрати при номінальному струмі можуть бути знижені на 80-90%. Зменшення ваги на 20-35% полегшить умови перевезення великих трансформаторів. Обсяг трансформатора з використанням ВТНП може бути на 10-35% менше, ніж обсяг звичайного трансформатора (разом з охолоджуючим пристроєм).
       Застосування таких трансформаторів в енергосистемі дозволяє скористатися їхньою здатністю обмежувати струми КЗ. При цьому реактивний опір трансформатора можна було б зменшити на 50%, що дозволило б одержати більш стабільну трансформовану напругу не прибігаючи до ії регулювання. Значення перевантажувальних струмів можуть бути встановлені будь-якими й будуть обмежені тільки потужністю охолоджуючого пристрою. При цьому відсутня проблема старіння, тому що обмотки перебувають у рідкому азоті.
       Роботи, що до удосконалення проводу ведуться з метою збільшення критичної щільності струму для зниження вартості ампер-метра проводу; зниження втрат у магнітному полі, не паралельному поверхні стрічки проводу; збільшення механічної міцності проводу; зниження вартості проводу.
       Як приклад виготовлення ВТНП трансформатора приведемо трансформатор потужністю 630 КВА, напругою 18,7/0,4 кВ, про який повідомлялося на сесії СІГРЕ 1998 р.
       Сердечник трансформатора має температуру навколишнього середовища. Обмотки укладені в циліндричні кріостати. Подвійні стінки криостата виготовлені з эпоксида, і між ними підтримується вакуум, що забезпечується безперервною роботою насоса. Крім того, є ще кілька шарів суперізоляційного матеріалу. Провод обмоток має критичну температуру 110 К.
       Спеціальні випробування, такі як імпульсні випробування ізоляції та випробування міцності при струмах КЗ, були виконані на однофазному прототипі.
       На трифазному трансформаторі були проведені випробування ізоляції індуктированою напругою 37,4 кВ; прикладеним - 50 кВ та імпульсним - 125 кВ. При номінальному струмі втрати склали 337 Вт, а втрати холостого ходу в теплому сердечнику - 2,1 кВт. Загальні теплові втрати рівні приблизно половині втрат у проводі.
       Всі ВТНП провідники чутливі до температури та індукції магнітного поля, тому природно, що увага залучається до створення струмообмежуючих реакторів.
       Повідомлялося про успішний досвід створення моделі ВТНП струмообмежуючого реактора. Параметри реактора: напруга 11 кВ, тривалий робочий струм 400 А, час спрацьовування < 5 мс. При цьому перший пік струму повинен бути обмежений.
       Реактор являє собою поміщену в кріостат з рідким азотом котушку індуктивності із ВТСП резистором усередині. Котушка та безіндуктивний резистор з'єднані послідовно. При збільшенні струму під дією індукції, створюваної струмом у котушці і температури, опір резистора зростає, що приводить до обмеження струму. У міру зниження струму йде зворотний процес. Випробування реактора підтвердили його працездатність.
       Кілька нових проектів трансформаторів потужністю 1-10 МВА розробляються в Європі й США.
       «Сименс/JEC Альстом» прагне використовувати можливість виготовлення компактного ВТНП трансформатора, що має невелику вагу, для застосування на локомотивах. Тому що звичайні тягові трансформатори мають високі втрати, застосування ВТНП трансформаторів виявляється вигідним вже при невеликій потужності.
       Інші фірми (Waukexa Electrik і JEC) залучає більша перевантажувальна здатність без старіння і невеликі розміри. Фірма АВВ (разом з ЕDF і за підтримкою РSEL і Швейцарського федерального управління енергії) своєю метою ставить створення пристрою, що об'єднює здатність обмеження аварійних струмів і наявність зменшеного реактивного опору і низьких втрат.
       За деяким даними силовий ВТНП трансформатор потужністю 100 МВА буде мати масу близько 60 т замість 130 т і менші втрати, ніж у звичайного трансформатора (більш ніж в 3 рази).
       Сьогодні важко сказати, яка комбінація властивостей ВТНП трансформаторів виявиться кращою і буде користуватися найбільшим попитом.
       Крім високої ефективності (ККД) і інших характеристик, найважливішою варто вважати низьку вартість термоізоляції й надійність охолоджуючої системи.

       Підвищення тарифів електроенергії та вартості втрат стимулює зниження втрат в трансформаторах. Зниження втрат холостого ходу можливо при використанні поліпшених марок сталі, а також при удосконаленні технології виготовлення магнитної системи. Зниження навантажувальних втрат може бути здійснено головним чином за рахунок зниження додаткових втрат за межами обмоток. Цьому сприяє використання більш вдосконалених методів регулювання магнитного поля розсіяння та використання нових ізоляційних матеріалів в якості конструкційних деталей.
       Глибоке зниження шуму, що є потрібним під час використання трансформаторів у густонаселених районах, вимагає додаткові втрати.
       Можливість ушкодження трансформатора з виникненням пожежі може бути значно зменшена при використанні наступних дій:
       - підвищення міцності баку з приданням підвищеної еластичності;
       - наявність розширювальної ємності, що підключається до баку патрубками великого діаметру;
        - застосування високовольтних уведень із синтетичною ізоляцією (наприклад уведень типу RYP) усуває небезпеку загоряння у випадку їхнього ушкодження;
       - пожаробезпечні розподільні трансформатори можуть виконуватися заповненими негорючою рідиною замість олії (наприклад рідиною типу МIDEL) або сухими, наприклад з арамідною ізоляцією.
       Необхідною умовою можливого продовження терміну служби трансформаторів є проведення моніторингу і періодичної діагностики, що дозволяє вчасно запобігти не тільки розвитку можливих дефектів, але й усунути причини прискореного старіння ізоляції.
       Аналіз фактичних умов експлуатації (навантажувальний і температурний режими, стан захисту від впливу зовнішньої навколишньої атмосфери, кількість впливів струмів КЗ і ін.) дозволяє получити додаткові відомості про стан ізоляції. При цьому повинні враховуватися особливості конструкції даного трансформатора, а також результати заводських випробувань.
       Застосування арамідної ізоляції в найбільш нагрітих частинах трансформатора дозволяє підвищити його навантажувальну здатність і продовжити термін служби.

1. Поволоцкий Л.Я. Экономическая эффективность новой техники в трансформаторостроении. - М.; Энергия, 1980. 120с.
2. Лизунов С.Д. Сушка и дегазация трансформаторов высокого напряжения. – М.; Энергия, 1971.
3. Брянцев А.М. и др. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы – новое электротехническое оборудование. – Электротехника, 1999, №7.
4. Мастрюков Л.А. Управляемый шунтирующий реактор с магнитным регулированием мощности для поперечной компенсации линий электропередачи сверхвысокого напряжения. V симпозиум «Электро-техника 2010 год». Т.1. – М.; ВЭИ, 1999.
5. Lokhanin A.K., Morozova T.I., Snifrin L.N. Technikal and ekonomikal tfficiency of reducing txe insulation level of power Transformers and service experience concerned. Report 33-105, CIGRE, 2000.
6. http://www.news.elteh.ru