Отчет о вводе в эксплуатацию устройства мощностью 40 МВА, на который потребовалось 14 месяцев, только что был получен инженером подстанции. Устройство должно обслуживать регион с 60 000 потребителями. Внутри бака находится 28 000 литров масла, а также 20 тонн сердечно-обмоточной сборки и система охлаждения устройства, отвечающая за регулирование температуры с бюджетом на повышение температуры в 65K. Инженер осознает, что простота стального бака имеет потенциальные осложнения в виде растворенной газовой химии, управления горячими точками, равновесия влаги между бумагой и жидкостью, а также переключателя отводов, который отвечает за переключение под нагрузкой.
Цель этой статьи — предоставить информацию о силовых трансформаторах, погруженных в жидкость, о том, как эти устройства действуют как трансформаторы высокого напряжения, о том, как функционирует система охлаждения, о различиях между минеральным маслом и эфирами, о сложности схем отказов, связанных с управлением работой трансформатора, и ценах на машины различной мощности.
Короче говоря, силовой трансформатор, заполненный жидкостью, — это тип трансформатора, который охлаждается и изолируется с использованием жидкости, в большинстве случаев минерального масла, которое используется примерно в 75–85% единиц, в то время как при риске пожара или опасных воздействий на окружающую среду используются масла, такие как натуральные и синтетические эфиры. Метод жидкостного охлаждения обеспечивает большую способность к охлаждению, чем охлаждение воздухом, температура допускается (65K), равная (65K) и выше 50–60K для сухих трансформаторов.
Что такое силовой трансформатор, погруженный в жидкость?
Погруженный в жидкость силовой трансформатор — это тот, в котором активная часть трансформатора, включая обмотку и сердечник, размещена в стальном баке, заполненном изоляционной жидкостью. Роль изоляционной жидкости двойная. Прежде всего, она действует как диэлектрик, изолируя проводники от земли и обеспечивая некоторые части изоляции вместе с бумагой и прессованной доской. Во-вторых, она действует как охладитель и уносит тепло от обмотки и сердечника к баку и радиаторам, которые затем охлаждаются воздухом.
Это сочетание двух функций является причиной высокой эффективности жидкостного погружения. Воздух является плохим диэлектриком и также плохим проводником тепла, что делает возможным рассеивание тепла от обмотки сухого типа с гораздо большими усилиями. Кроме того, теплопроводность жидкости примерно в тридцать шесть раз выше, чем у воздуха, и она поглощает гораздо больше тепла на литр, чем воздух. Таким образом, начиная с нескольких сотен кВА, практически каждый трансформатор считается трансформатором жидкостного типа (который часто называют трансформатором, погруженным в масло).
Почему жидкостное погружение выигрывает в масштабе
Причины, по которым жидкостное погружение лучше, когда речь идет о размерах трансформаторов, можно просто изложить:
- Тепловой запас: Согласно IEC 60076-2, среднее повышение температуры обмоток, используемых в трансформаторах с масляным погружением, равно или ниже 65 градусов Цельсия, что приводит к более высоким непрерывным номинальным значениям благодаря лучшему теплообмену, который можно достичь.
- Диэлектрическая прочность: Поскольку масло имеет диэлектрическую прочность 40-70 кВ/2,5 мм, его можно использовать для уменьшения зазора и объема, поскольку оно значительно выше, чем у его воздушного аналога.
- Способность к перегрузке: Жидкие трансформаторы созданы для того, чтобы выдерживать перегрузки в течение коротких периодов времени – например, как предписывает IEC 60076-7, перегрузки в размере 130 % могут продолжаться в течение 2 часов.
- Самовосстанавливающийся диэлектрик: Небольшие разряды в масле создают газ, который растворяется, и масло возвращается в свое нормальное рабочее состояние, в отличие от воздушного зазора, который не может самовосстанавливаться.
- Диагностируемость: Жидкость выражает химический отпечаток каждого процесса, происходящего внутри нее, что делает анализ растворенных газов наиболее эффективной системой раннего предупреждения в электротехнике.
Эти преимущества компенсируются известными недостатками жидких систем, а именно опасностью пожара и утечек, весом, а также сложностью мероприятий по обслуживанию, присущих использованию машин, содержащих жидкость. Вот почему отрасль полагается на инженерные решения, стандарты и строгое соблюдение правил для минимизации этих рисков.
Как работает жидкостное охлаждение и изоляция
В трансформаторах с жидким наполнителем охлаждение осуществляется естественной илиForced вентиляцией воздухом. В базовом режиме ONAN (масло естественное, воздух естественный):
- Тепло, производимое сердечником и обмотками, нагревает масло, окружающее трансформатор, что делает его менее плотным;
- Нагретое масло перемещается по каналам внутри обмоток к верхней части бака;
- Нагретое масло поступает в консерватор, а затем через радиаторы, где оно охлаждается воздухом;
- Охлажденное масло возвращается обратно в нижнюю часть трансформатора и снова течет в обмотки, чтобы повторить цикл.
Современные конструкции позволяют контролировать процесс охлаждения с помощью систем потока масла в больших трансформаторах с использованием насосов для принудительного прокачивания масла через обмоточные каналы (режимы OF) и вентиляторов перед радиаторами (режимы AF). Указанные режимы охлаждения отражаются в обозначении на табличке, таком как ONAN, ONAF, OFAF и т.д.
| Код охлаждения | Значение | Типичное увеличение мощности | Общее использование |
|---|---|---|---|
| ОНАН | Масло естественное, воздух естественный | Базовая мощность | Большинство распределительных и средних мощностей |
| ОНАФ | Масло естественное, воздух принудительный (вентиляторы) | +20–30% во время работы вентиляторов | Циклические нагрузки, запас перегрузки |
| ОФАФ | Масло принудительное, воздух принудительный | +30–45% | Средние и большие трансформаторы мощности |
| ОДАФ | Направленный поток масла, принудительный воздух | Наивысший номинал на единицу | Большие трансформаторы мощности >60 MVA |
Хотя устройство с номиналом 40 MVA ONAN может иметь номинал 50 MVA ONAF при использовании вентиляторов, поскольку вентиляторы примерно удваивают тепло, рассеиваемое со стороны воздуха, изоляция работает как композитное средство. Бумага и прессованная доска составляют изоляционный барьер, в то время как жидкость занимает все существующее свободное пространство. Также важно отметить, что необходимо учитывать равновесие влаги в бумаге и масле. Бумага легко впитывает воду, а масло способно растворять воду. В приложении трансформатора с наполнителем на основе эфира масло позволяет бумаге поглощать высокое количество влаги, что замедляет процесс старения, в то время как в стандартных устройствах с минеральным изоляционным маслом вода проникает в бумагу быстрее, что ускоряет старение бумаги.
Минеральное масло против эфиров
Выбор типа жидкости является одной из самых важных спецификаций для погружного трансформатора. Основные варианты:
| Жидкость | Температура вспышки | Биодеградируемость | Устойчивость к влаге | Относительная стоимость жидкости | Наилучшее соответствие |
|---|---|---|---|---|---|
| Минеральное масло | ~160°C | Медленная | Низкий | Базовый уровень | Стандартные подстанции |
| Высокотемпературное минеральное | ~300°C | Медленная | Низкий | +20–40% | Внутренние, более высокий запас безопасности |
| Природный эфир | >300°C | >90% за 28 дней | Высокий | +30–60% | Области экологического и пожарного риска |
| Синтетический эфир | >300°C | Умеренное | Высокий | +60–100% | Внутренние, высоковольтные, критически важные активы |
Минеральное масло по-прежнему считается самым распространенным вариантом из-за своей низкой стоимости и широкого применения благодаря достаточным характеристикам при эффективной установке с правильным противопожарным разделением и удержанием масла. Эфиры используются в случаях, когда необходимо соблюдать местные законы или правила относительно использования минерального масла - в помещениях, вокруг водоемов, в компактных городских хранилищах и активно на участках, использующих возобновляемые ресурсы. Следует отметить, что эфиры довольно дороги по сравнению с минеральным маслом - $3000 – $8000, что полностью зависит от мощности трансформатора - и такие инвестиции будут оправданы в виде одобрения всех разрешений, условий страхования и уменьшения старения бумаги.
Сложность: Режимы отказа и диагностика
Жидкостные трансформаторы выходят из строя определенными способами, поэтому, чтобы знать, как эксплуатировать актив, необходимо понять:
- Старение изоляции: Основная причина отказа, вызванная температурным и влажностным воздействием. Каждые шесть градусов (Цельсия) теплового избытка сокращают срок службы бумажной изоляции вдвое.
- Проникновение влаги: Травмы, полученные внутренней изоляцией через ее дышалки, утечки и стареющие прокладки. Большее количество влаги снижает диэлектрическую прочность.
- Частичные разряды и дуги: Поддержание атмосферы, где газы, производимые, идентичны тем, которые обнаруживает DGA.
- Тепловые отказы: Повышение температуры внутреннего масла из-за плохих контактов или забитых каналов также вызывает развитие газа.
- Неисправность переключателя отводов: Детали внутри масляного корпуса, которые изнашиваются в процессе эксплуатации.
Каждая причина неисправности оставляет “газовый след”: теперь жидкость можно назвать “живым диагностическим образцом” по цене $200–600 визитов в год. С многогазовым онлайн-мониторингом по цене $8000–40000 стало возможным как-то контролировать состояние масляных трансформаторов.
Типичные спецификации по номиналу
| Рейтинг | Класс напряжения | Импеданс | Охлаждение | Типичные потери (без нагрузки / с нагрузкой) |
|---|---|---|---|---|
| 500 кВА | 10–35 кВ | 4–4.5% | ОНАН | ~1.0 / ~5.2 кВт |
| 1,000 кВА | 10–35 кВ | 4.5–5% | ОНАН | ~1.7 / ~10.5 кВт |
| 10 МВА | 35–110 кВ | 7.5–8% | ОНАН/ОНАФ | ~10 / ~50 кВт |
| 40 МВА | 110–220 кВ | 10–12% | ОНАН/ОНАФ/ОФАФ | ~30 / ~170 кВт |
| 100 МВА | 110–220 кВ | 12–14% | ОФАФ/ОДАФ | ~70 / ~380 кВт |
Цифры относятся к спецификации IEC 60076 и изменяются в зависимости от категории потерь, типов материалов и производителя. Тем не менее, тенденция всегда сохраняется: импеданс увеличивается с увеличением номинальной мощности, чтобы контролировать токи во время короткого замыкания, охлаждение становится более интенсивным в процессе работы, а потери увеличиваются медленнее, чем мощность, что приводит к увеличению эффективности с увеличением размера: машина мощностью 100 МВА может достичь эффективности более 99.7%.
Эффективность и экономика жизненного цикла
Стоимость трансформаторов с жидким наполнителем зависит от потерь, и эти потери значительны. Например, если взять электрическое оборудование мощностью 40 МВА с потерями в 30 кВт в холостом режиме и 170 кВт при нагрузке при 60%:
- Потери в холостом режиме составят: 30 кВт, удерживаемые в течение 8,760 часов: 30 × 8,760 = 263 МВтч/год.
- Потери при нагрузке составят: 170 кВт × 0.36 × 8,760 часов = 536 МВтч/год.
- Полученное число: Сумма этих потерь составляет около 800 МВтч/год, что оценивается в $56,000-$80,000 на основе $0.07-0.10/кВтч.
За 25 лет общие потери составят $1.4-$2.0 миллиона – это в несколько раз превышает покупную стоимость оборудования. Таким образом, это основная причина, по которой компании учитывают потери при оценке энергетических расходов и предпочитают приобретать единицы с более высокой ценой, но с меньшими потерями. Существует правило: за каждую разницу в 10 кВт потерь расходы необходимо оценивать в $7,000 – $8,700 в год при непрерывной работе без нагрузки или корректировать в зависимости от коэффициента использования для потерь при нагрузке.
| Пример 40 МВА | Потери (кВт) | Годовая энергия (МВтч) | Стоимость за 25 лет @ $0.08/кВтч |
|---|---|---|---|
| Потери без нагрузки (P0) | 30 | 263 | $525,000 |
| Потери при нагрузке (Pk) при 60% коэффициенте нагрузки | 170 | 536 | $1,072,000 |
| Всего | — | 799 | $1,597,000 |
| Справочная покупная цена | — | — | $220,000-$400,000 |
Ландшафт брендов и цены
Рынок трансформаторов с жидким погружением включает почти всех производителей трансформаторов без исключений. Типичные детали FOB цены:
| Бренд | Происхождение | 1 МВА | 10 МВА | 40 МВА |
|---|---|---|---|---|
| Hitachi Energy | Япония/Глобальный | $22,000–$34,000 | $55,000–$82,000 | 1ТП4Т250,000–1ТП4Т400,000 |
| Siemens Energy | Германия/Глобально | 1ТП4Т21,000–1ТП4Т32,000 | $50,000–$75,000 | 1ТП4Т240,000–1ТП4Т380,000 |
| ABB | Швейцария/Глобально | 1ТП4Т20,000–1ТП4Т31,000 | $52,000–$78,000 | 1ТП4Т240,000–1ТП4Т390,000 |
| Schneider Electric | Франция/Глобально | 1ТП4Т19,000–1ТП4Т29,000 | $48,000–$72,000 | — (фокус на распределении) |
| Хендай / Тошиба | Корея/Япония | $18,000–$28,000 | $46,000–$68,000 | 1ТП4Т220,000–1ТП4Т350,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Китай | $14,000–$22,000 | $28,000–$48,000 | До 110 кВ класса по запросу |
Ценовые различия между продуктами наблюдаются в основном в дорогих продуктах, где играют роль инженерная сложность, история испытаний и глобальное обслуживание. С другой стороны, в недорогих продуктах ценовые различия почти исчезли из-за стандартизации технологии и увеличения доступности сертификации.
Jiangsu Subian Electric Power – китайская компания, занимающаяся производством распределительных трансформаторов типа с жидким погружением с номинальными мощностями для 35-110 кВ, соответствующими IEC 60076. Линейка продуктов Subian включает трансформаторы, изготовленные с использованием минеральных масел, а также эфиров и имеющие различные конфигурации регуляторов напряжения под нагрузкой и уровни эффективности. Продукция успешно используется коммунальными службами и EPC-подрядчиками по всей Азии и Африке.
Правильная эксплуатация устройства с жидким погружением
Эффективная эксплуатация трансформатора с масляным заполнением должна рассматриваться как рутинная задача, а не проект:
- Проводите отбор проб масла с использованием IEC 60422 ежегодно. Тестирование DGA должно быть завершено, и масло должно быть протестировано на диэлектрическую прочность, содержание воды, кислотность и тангенс угла. В случае изменения любого соотношения продолжайте регулярный отбор проб.
- Квартальный осмотр должен проводиться для следующего: силикагель в дыхателе, уровень масла, утечки, чистота радиатора и окружающая растительность.
- Обслуживание переключателя отводов должно проводиться в зависимости от его использования. Переключатели отводов масляных типов обычно служат от 50,000 до 100,000 переключений.
- Необходимо снимать показания температуры: температура верхнего масла и температура обмотки в соответствии с кривыми нагрузки IEC 60076-7. Исследуйте причину восходящего потока, если он возникает.
- Необходимо провести тестирование защитных устройств. Тестирование должно включать проверку газа реле Бухгольца и защитных отключений, клапана сброса давления и обоих температурных сигнализаций.
Часто задаваемые вопросы
Почему большинство крупных трансформаторов заполнены жидкостью, а не сухого типа?
Жидкостное охлаждение и изоляция оказались значительно лучше, поскольку масло имеет теплопроводность примерно в 30 раз выше, чем у воздуха, и предлагает гораздо большую диэлектрическую прочность. С определенного уровня мощности жидкостное погружение обеспечивает лучшую производительность, уменьшая площадь установки и снижая стоимость. Сухие трансформаторы обычно используются в местах, где опасения по поводу пожара и необходимость в удержании исключают использование масла — для мощностей менее 5 MVA.
В чем разница между трансформаторами с масляным заполнением и трансформаторами с жидкостным заполнением?
Разницы нет. Масляное заполнение — это старый термин для технологии масляных трансформаторов; жидкостное заполнение широко используется, чтобы охватить масло, натуральные эфирные жидкости, синтетические эфирные жидкости и силиконовые жидкости. Поэтому в этом случае рекомендуется использовать термин жидкостное заполнение. Однако, как только жидкость выбрана, желательно упомянуть ее и включить в спецификацию.
Сколько стоит трансформатор с жидкостным заполнением?
Цены значительно варьируются в зависимости от мощности, производителя, количества и типов дополнительных функций; однако, в качестве грубой оценки можно указать следующие стоимости: для моделей 500 kVA они стоят от 6000 до 16,000, в то время как единицы 1000 kVA стоят около 14,000 до 34,000, а 10 MVA стоят от 28000 до 82000. Также необходимо учитывать тот факт, что эфирные жидкости дороже минерального масла, и разница в цене может достигать от 30 до 100 процентов.
Стоят ли трансформаторы с эфирным заполнением своей премии?
Вехой использования эфиров является то, что в случаях, когда обычное минеральное масло будет трудно использовать из-за противопожарных норм или экологических стандартов, эфирные жидкости станут лучшей альтернативой. Причина в том, что они имеют несколько преимуществ, включая температуру вспышки выше 300°C, биодеградируемость и замедление процесса старения бумаги. Хотя жидкости дороже на 30-100%, их использование может быть оправдано возможными разрешениями от соответствующих органов и по причинам страхования, которые в конечном итоге могут подтвердить целесообразность более высокой цены.
Как часто следует проверять трансформаторное масло?
Для трансформаторов в стандартном рабочем режиме частота тестирования должна быть ежегодной, как предписано стандартами IEC 60422. В других случаях, если происходят какие-либо значительные изменения выше базового уровня, то необходимо проводить ежемесячное тестирование для выявления изменений и соответствующих тенденций.
Ссылки
- IEC 60076-1: Силовые трансформаторы – Общие сведения — Рейтинги, повышение температуры и требования к тестированию для трансформаторов с жидким погружением.
- IEC 60076-3: Уровни изоляции и диэлектрические испытания — Требования к импульсным и диэлектрическим испытаниям по классу напряжения.
- IEC 60296: Спецификация минеральных изоляционных масел — Требования к качеству нового трансформаторного масла.
- IEC 60422: Руководство по надзору и обслуживанию минеральных изоляционных масел — Пределы и графики тестирования масла в эксплуатации.
- IEEE C57.12.00: Жидкостные распределительные и силовые трансформаторы — Общие требования Северной Америки для устройств с жидким погружением.
- IEEE C57.104: Интерпретация газов, образующихся в масляных трансформаторах — Интерпретация DGA и уровни действий.
- Официальный сайт Jiangsu Subian Electric Power — Продукты трансформаторов с жидким погружением, варианты жидкостей и документация по тестированию.
Заключение
Трансформаторы с жидким наполнением имеют прочное положение в энергосети, так как они обеспечивают наилучшую возможную эффективность для охлаждения и изоляции значительных электрических машин. Хотя некоторые аспекты — химия жидкостей, управление горячими точками, регуляторы, мониторинг — могут быть сложными, правила и процедуры делают их достаточно простыми для обработки, обеспечивая преимущество в эффективности, которое системы сухого типа не могут достичь.
Основные моменты, которые следует помнить:
- Жидкое охлаждение позволяет достичь >99% эффективности в средних и крупных трансформаторах, не предоставляя никаких преимуществ для машин сухого типа при этом уровне мощности.
- Минеральное масло является традиционной жидкостью; эфирные жидкости оправдывают свою цену, основанную на $30-$100 процентах, практически везде в случае пожара и экологических проблем.
- Ежегодное тестирование DGA может стоить $200-$600, но приносит наибольшую прибыль в электротехнике.
- Будьте готовы заплатить от $6,000 до $400,000, не учитывая потери, принимая во внимание производительность трансформатора.