Замена масляных трансформаторов на сухие

Уже много десятилетий в электрических сетях применяются трансформаторы с масляной изоляцией. Конструкция этих электрических машин хорошо отработана, накоплен огромный положительный опыт эксплуатации.

В качестве основной изоляции таких трансформаторов используется минеральное масло. В последние десятилетия предпринимаются попытки заменить минеральное масло другими жидкостями из соображений экологии: использованное минеральное масло требует специальной переработки, при попадании в окружающую среду создаёт вредное устойчивое загрязнение. Но эти попытки замены пока имеют ограниченный успех — предлагаемые заменители минерального масла либо превосходят его в цене, либо уступают по своим характеристикам.

Если говорить о минеральном масле с точки зрения электротехники (отложив в сторону вопросы экологии), то оно имеет несомненные достоинства, которые определяют его массовое использование:

• Минеральное масло отличный изолятор, обладает высокой диэлектрической прочностью.
• Минеральное масло хорошо отводит тепло от обмоток трансформатора за счёт высокой теплоёмкости и свойства конвекции.
• Минеральное масло это диагностируемый вид изоляции — по химическому составу масла можно с высокой достоверностью выявить процессы деградации в трансформаторе.

Помимо достоинств, минеральное масло имеет и недостатки:

• Минеральное масло это горючая жидкость. При возникновении замыканий в трансформаторе оно может гореть и даже взрываться. Использование масляных трансформаторов предполагает наличие специальных защитных строительных конструкций на случай пожара — маслоприёмник для масла, огне- и взрывоупорные стены и т. п.
• Масса минерального масла значительна, что требует соответствующих опор и фундаментов для размещения трансформатора.
• Масло стареет в процессе эксплуатации и может загрязняться. Старое загрязнённое масло (даже при загрязнении в доли процента) теряет свои изоляционные свойства. Поэтому в процессе эксплуатации требуется регулярный лабораторный контроль его состава, и замена масла при необходимости.

В последние десятилетия активно развивалась другая альтернатива масляным трансформаторам — трансформаторы с сухой (твёрдой) изоляцией. Твёрдая изоляция в отличие от минерального масла не является пожаро- и взрывоопасной, и не требует большого объёма технического обслуживания, наличия лабораторий для анализа, расходных материалов (таких как масло для замены).

Если говорить об экономической составляющей, то цена сухих трансформаторов выше, чем масляных. Но для сухих трансформаторов требуется существенно меньший объём строительных материалов, меньший объём строительно-монтажных и наладочных работ. Сухие трансформаторы существенно безопаснее, проще и дешевле в эксплуатации. Плюс сухие трансформаторы экологичнее, поскольку не содержат материалов, требующих замены и утилизации в процессе эксплуатации.

Говоря о сухих трансформаторах, необходимо отметить, что по конструкции изоляции они делятся на две группы — трансформаторы с литой изоляцией и с воздушно-барьерной.

Литая изоляция формируется путём заливки обмоток трансформатора расплавленным изоляционным материалом, который отвердевает при охлаждении. Главным недостатком такой конструкции является уязвимость изоляции перед температурными процессами, поскольку литая изоляция представляет собой единый твёрдый блок. При существенных колебаниях температуры обмоток (нагрузки трансформатора) и окружающей среды литая изоляция имеет тенденцию к растрескиванию. Это ограничивает возможность перегрузок  трансформаторов с литой изоляцией и возможность их применения в районах с суровым климатом. Таким образом, по этим эксплуатационным свойствам трансформаторы с литой изоляцией уступают масляным.

Воздушно-барьерная изоляция представляет собой комбинацию твёрдой полимерной изоляции (в виде тонкой плёнки или покрытия на проводе) и воздушных промежутков. Воздушные промежутки играют роль не только изоляции, но и обеспечивают охлаждение обмоток, как за счёт естественной конвекции, так и путём принудительной циркуляции воздуха.  Такие трансформаторы имеют стойкость к перегрузкам и колебаниям климатических факторов сравнимую с масляными трансформаторами. В силу этих обстоятельств, сухие трансформаторы с воздушно-барьерной изоляцией успешно используются для замены масляных.

Трансформаторы КПМ представляют собой сухие трансформаторы с воздушно-барьерной изоляцией оригинальной конструкции — «воздушно-барьерный монолит». По своей конструкции обмотки трансформаторов КПМ являются самонесущими — они сами по себе обладают необходимой прочностью и не нуждаются в дополнительных конструктивных элементах по типу каркаса. И могут успешно использоваться как альтернатива масляным трансформаторам.

При замене масляных трансформаторов на сухие следует учитывать следующие обстоятельства:

• Трансформаторы трансформаторных подстанций электрических сетей, как и трансформаторы собственных нужд подстанций, как правило имеют стабильный режим работы. Если с момента ввода объекта его режим существенно не изменился, то масляный трансформатор обычно может быть заменён на воздушно-барьерный монолит КПМ аналогичной мощности.
• Бытовая нагрузка (жилые дома, административно-бытовые здания, офисы) имеет устойчивую тенденцию к росту. Поэтому при замене трансформаторов, как правило, замена производится на трансформатор большей мощности.
• Как правило, трансформаторы для собственных нужд электростанций имеют расщеплённую обмотку низшего напряжения и широкий диапазон регулировки РПН (большое количество ступеней). Также к ним предъявляются требования повышенной стойкости к токам короткого замыкания (КЗ) и способность выдерживать кратковременные перегрузки — групповой самозапуск двигателей собственных нужд. Стойкость трансформаторов воздушно-барьерный монолит КПМ к токам КЗ обычно не хуже, а в ряде случаев лучше, чем масляных трансформаторов. Сухие трансформаторы КПМ могут быть изготовлены с расщеплённой обмоткой низшего напряжения (НН) и снабжены РПН с требуемым количеством ступеней. В части стойкости к токам группового самозапуска электродвигателей рекомендуется указывать при заказе расчётные (или экспериментальные) величины тока самозапуска и длительности самозапуска.
• Особое внимание следует обратить на параметры заказных спецификаций трансформаторов промышленных предприятий. Как правило, от момента строительства этих предприятий их основное оборудование и технологические циклы сильно изменились. Соответственно изменились величина и характер нагрузки. В этом случае рекомендуется производить замену не по номинальным параметрам масляного трансформатора, а на основе реальных графиков нагрузки. Отдельно следует обратить внимание на широкое распространение в промышленности устройств силовой электроники — тиристорных устройств плавного безударного пуска, частотных приводов, импульсных блоков питания и т. п. Эти устройства могут существенно искажать форму кривых как напряжений, так и токов в сети. Особенно важен последний момент, поскольку российские стандарты (в отличие от международных) не лимитируют искажения формы кривой токов. Несмотря на опасность таких явлений для электрооборудования. Рекомендуется вносить в заказные спецификации предельные уровни искажений формы кривых токов и напряжений в электрических сетях промышленного предприятия. Которые необходимо определять на основе соответствующего инструментального обследования.

В целом,  замена масляного трансформатора сухим аналогом КПМ — это вполне реальная задача. Ниже в таблице перечислены распространенные типы масляных трансформаторов и их аналоги КПМ.