Что такое сухие трансформаторы? Технические характеристики и область применения

При использовании электроэнергии необходимо изменение напряжения одного уровня на другой. Сухие трансформаторы (иначе - с воздушным охлаждением) выполняют эту функцию настолько безопасно и эффективно, что они широко используются для внутренней установки в общественных и жилых зданиях, где другие типы этих устройств считаются слишком рискованными.

Типы трансформаторов: жидкостные и сухие

В принципе, есть два различных типа такого устройства: с жидкостной изоляцией и охлаждением (жидкостный тип) и с охлаждением воздухом или воздушно-газовой смесью (сухой тип).

Для трансформаторов первого типа охлаждающей средой может быть обычное минеральное масло. Применяются также и другие субстанции, такие как трудновоспламеняемые углеводороды и кремнийорганические жидкости. Такие трансформаторы имеют сердечник и обмотки, погруженные в бак с жидкой средой, которая служит и изолятором, и охладителем.

Наиболее распространенные силовые сухие трансформаторы имеют обмотки, залитые эпоксидной смолой, служащей изолятором. Она защищает проводники от пыли и атмосферной коррозии. Однако поскольку пресс-формы для литья катушек применяются только с фиксированными размерами, то возможностей для изменения конструкции таких устройств меньше. В диапазоне, обычно используемом в электроснабжении небольших промпредприятий, а также общественных и жилых зданий, сухие трансформаторы полностью дублируют ряд мощностей своих жидкостных аналогов.

Основные параметры

Самый ответственный момент при эксплуатации рассматриваемых устройств – это обеспечение температурного режима обмоток. Чтобы помочь в выборе или приобретении аппарата сухого типа для электроснабжения различных объектов, рассмотрим несколько основных эксплуатационных параметров:

1. Мощность, кВА.
2. Номинальное напряжение первичной и вторичной обмотки.
3. Теплоотдача изоляционной системы – сумма максимальной температуры окружающей среды + средний подъем температуры в обмотках + разница между средним подъемом температуры в обмотках и самым высоким показателем в них.
4. Сердечник и катушки – особое значение имеют возможные повреждения сердечника или накопление расслоений (медных или алюминиевых проводников).

Существуют различные конструктивные типы трансформаторов, определяемые, прежде всего, применяемыми способами изоляции их обмоток. Среди них известны: вакуумная пропитка, капсулирование и литая катушка. Рассмотрим каждый из них отдельно.

Изоляция способом вакуумной пропитки (VPI)

Эта технология создает лаковое покрытие проводников путем чередования циклов давления и вакуума. VPI-процесс использует полиэфирные смолы. Он обеспечивает проводникам лучшее покрытие лаком, чем при обычном погружении в состав. Катушки, покрытые им, затем помещаются в печь, где происходит запекание. Они получаются гораздо более устойчивыми к возникновению коронных разрядов. Как выглядит такой трансформатор? Фото его размещено ниже.

Изоляция способом вакуумного капсулирования (VPE)

Этот метод обычно превосходит VPI-процесс. Несколько погружений добавляются в процессе изготовления для капсулирования катушки, после чего их покрытие запекается в печи. Эти трансформаторы имеют лучшую защиту от воздействия агрессивных и влажных сред, чем их VPI-аналоги. Как выглядит такой трансформатор? Фото его представлено ниже.

Капсулирование (герметизация)

Капсулированные трансформаторы – это обычные устройства с обмотками, покрытыми кремнийсодержащими составами или эпоксидной смолой и полностью заключенные в тяжеловесный кожух. Производственный процесс заполняет обмотки плотной эпоксидной смолой с высокой диэлектрической прочностью, защищая трансформатор от любых воздействующих сред.

Литые катушки (в формованной уплотненной эпоксидной смоле)

Эти устройства содержат катушки, закапсулированные в эпоксидную смолу в процессе формирования. Они полностью заполняются смолой под действием вакуума.

Каждый из способов изоляции обмотки специально подходит для конкретных сред. Очень важно понять, где лучше использовать соответствующие типы устройств. Например, сухие трансформаторы с литой изоляцией стоят примерно на 50% дороже, чем изделия VPE или VPI. Таким образом, выбор конкретного типа устройства может значительно влиять на общую стоимость проекта.

Рекомендации по выбору

При необходимости повышенной стойкости к коронным разрядам (т. е. электрическим разрядам, вызванным напряженностью поля, превышающего диэлектрическую прочность изоляции), когда повышенной механической прочности обмоток не требуется, следует использовать VPI-тип трансформатора.

Применяйте их с литыми катушками, когда требуется дополнительная прочность и защита, например, в агрессивных средах, таких как химические технологические установки, заводы стройматериалов, а также для наружной установки. Агрессивные среды включают вещества, которые могут пагубно сказываться на обмотках других сухих трансформаторов, в том числе соли, пыль, едкие газы, влага и металлические частицы.

Кроме того, обмотки с литой изоляцией обладают улучшенной способностью выдерживать кратковременные и повторяющиеся перегрузки, характерные для многих производственных процессов.

Инженеру зачастую приходится делать выбор между устройством с литой изоляцией или ее VPI/VPE-типом для применения в критических условиях и агрессивных средах. Первый тип, как правило, считается лучшим. Некоторые производители, однако, указывают, что литая смоляная изоляция ограничивает срок службы трансформатора. Коэффициент теплового расширения эпоксидной смолы меньше, чем у медных проводников. Циклическое расширение и сжатие с нагреванием и охлаждением катушек в конечном итоге может вызвать растрескивание смолы. Отмечается также, что трансформатор VPI-типа может лучше справиться с такими процессами и поэтому служит дольше. В конце концов, окончательный выбор остается за инженером-энергетиком.

Жидкостный тип против сухого

Жидкостно-заполненные трансформаторы, как правило, имеют более высокий КПД, чем сухие, поэтому у них больший срок службы. Кроме того, жидкость является более эффективной средой для охлаждения локальных областей высокой температуры в обмотках. Плюс ко всему, жидкостно-заполненные устройства обладают лучшей перегрузочной способностью.

Так, сухой трансформатор 1000 КВА при половинной загрузке имеет уровень потерь примерно 8 кВт, а при полной – около 16 кВт. При этом такой же «тысячник», но жидкостный, имеет примерно вдвое меньшие растраты. Масляный «двухтысячник» при половинной загрузке несет потери 8 кВт, а при полной – 16 кВт. Его сухой аналог характеризуется затратами в 13 и 26,5 кВт соответственно. Это означает то, что сомнительное первенство по уровню потерь держат именно сухие трансформаторы. Цена их при этом выше, чем у жидкостных.

Вследствие более интенсивного охлаждения обмоток жидкостные устройства имеют меньшие габариты (глубину и ширину), чем сухие аналогичной мощности. Это может оказывать влияние на необходимую площадь трансформаторных подстанций (особенно встроенных), а значит, и на стоимость всего объекта. Так, типовой сухой трансформатор 1000 КВА имеет глубину 1,6 м, а ширину 2,44 м. При этом аналогичный масляный при близкой глубине имеет ширину около 1,5 м. Но у этого типа есть, однако, и ряд недостатков.

Например, противопожарная защита более важна для жидкостных трансформаторов при использовании охлаждающей среды, способной к возгоранию. Правда, сухие трансформаторы тоже могут загореться. Неправильно эксплуатируемое устройство жидкостного типа может даже взорваться.

В зависимости от условий эксплуатации для жидкостно-заполненных изделий может потребоваться устройство поддона для сбора охладителя при возможных его утечках.

Возможно, при выборе трансформаторов участок перехода от однозначного предпочтения сухого типа к жидкостному заключается между 500 кВА и 2,5 МВА, причем первый тип предпочтительно используется до нижней границы диапазона, а второй выше нее.

Важным фактором выбора типа является место установки трансформатора, например, внутри офисного здания или снаружи, а также обслуживание промышленных нагрузок.

Сухие трансформаторы мощностью более 5МВА вполне доступны, но многие из них являются жидкостно-заполненными. При наружной установке этот тип также является преобладающим.

Несколько слов о вентиляции

При оснащении трансформатора вентилятором обдува нагрузку можно существенно поднять. Так, для литых обмоток такая функция может поднять длительно допустимую нагрузку на 50% выше номинальной. Для VPE или VPI-типов прирост мощности в этом случае может составить до 33%.

Например, мощность стандартного трансформатора в 3000 кВА с литой обмоткой при оснащении его вентилятором обдува возрастает до 4500 кВА (на 50%). В то же время VPE- или VPI-тип мощностью 2500 кВА при наличии вентилятора поднимет ее до 3,333 кВА (на 33%).

Впрочем, нужно всегда учитывать, что наличие вентилятора обдува снижает общую надежность системы. Если при работе с обдувом под нагрузкой выше номинальной вентилятор откажет, то есть реальный риск возникновения тяжелой аварии, вследствие которой можно потерять весь трансформатор.

А что на российском рынке?

Стоит отметить, что в последние годы в России сформировалась устойчивая тенденция повторять опыт Европы, где до 90% всех вновь устанавливаемых трансформаторов относится к сухому типу. Соответственно реагирует и рынок. Сегодня в РФ есть предложения таких устройств от двух групп производителей. К первой из них можно отнести российские, итальянские, китайские и корейские бренды. В основном предлагаются конструктивные аналоги известных российских марок: ТСЗ, ТСЛ, ТСГЛ. Сколько же стоит такой сухой трансформатор? Цена типового «тысячника» варьируется от 900 тысяч до 1 миллиона рублей.

Ко второй группе относятся немецкие и французские производители. Они предлагают марки серий DTTH, GDNN, GDHN. Во что же обойдется такой импортный трансформатор? Цена все того же «тысячника» составит от 1,5 до 2 миллионов рублей.