Эволюция силовых трансформаторов

30 ноября 1876 года русский электротехник и изобретатель Павел Николаевич Яблочков получил французский патент, в котором был описан принцип действия и способ применения электрического трансформатора.

В 1890 г. русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский предложил конструкцию трехфазного трансформатора, который в трехфазной сети позволил заменить три однофазных агрегата.

Благодаря открытиям и достижениям отечественных ученых в России в начале 20 века была определена ориентация дальнейшего развития электроэнергетики на применение переменного тока высокого напряжения, тогда как зарубежные концепции склонялись в пользу постоянного тока и техники низких напряжений.

Павел Николаевич Яблочков	Михаил Осипович Доливо-Добровольский

Началом массового производства силовых трансформаторов в России можно считать ноябрь 1928 года, когда начал работать Московский трансформаторный завод (ныне - Производственный Комплекс ОАО ХК «ЭЛЕКТРОЗАВОД»). Уже в предвоенный период завод выпускал мощные силовые трансформаторы напряжением до 220 кВ. Первые советские трансформаторы создавались по образцу трансформаторов фирмы General Electric и при участии ее консультанта.

Производственный Комплекс ОАО ХК «ЭЛЕКТРОЗАВОД»

В послевоенные годы были построены новые предприятия: Запорожский трансформаторный завод (ныне ОАО «Запорожтрансформатор»), Тольяттинский электротехнический завод (ныне ООО «Тольяттинский трансформатор») и другие. Именно эти два завода приняли на себя основную нагрузку по производству высоковольтных силовых трансформаторов для нужд энергетики.

ОАО «Запорожтрансформатор»	ООО «Тольяттинский трансформатор»

Изготовление силовых трансформаторов предельных мощностей постепенно сосредотачивалось на Запорожском трансформаторном заводе, а выпуск значительного количества трансформаторов небольшой мощности (до напряжения 20 кВ) — на Минском электротехническом заводе, построенном в конце 50-х годов (ныне ПРУП «Минский электротехнический завод им. В. И. Козлова»).

После распада СССР значительное количество трансформаторных мощностей оказалось за пределами России: на Украине, в Беларуси, Казахстане. Отечественным трансформаторным заводам — ОАО ХК «Электрозавод», ООО «Тольяттинский трансформатор», ОАО «Уралэлектротяжмаш», ОАО «ЭТК «Биробиджанский завод силовых трансформаторов» — в новых условиях пришлось внести существенные коррективы в выпускаемую номенклатуру и сбытовую политику, чтобы противостоять в конкурентной борьбе своим недавним партнерам из стран ближнего зарубежья и мощным западным фирмам.

Прогресс трансформаторостроения в ХХ веке в основном характеризовался следующими направлениями:

• обеспечение повышения предельных параметров трансформаторов в связи с ростом мощности энергосистем и энергоблоков;

• снижение размеров, массы и потерь энергии в каждом трансформаторе определенной мощности и класса напряжения.

Отечественное трансформаторостроение вышло на высокий уровень развития также благодаря деятельности ученых и специалистов таких организаций как Всесоюзный электротехнический институт (ФГУП «ВЭИ им. В.И.Ленина»), Всесоюзный институт трансформаторостроения (ОАО «ВИТ»), Московский энергетический институт (МЭИ (ТУ)), Ивановский энергетический институт (ИГЭУ).

Прогресс в технико-экономических показателях трансформаторов в первую очередь обусловлен улучшением качества активных и изоляционных материалов, а также конструктивными достижениями, реализуемыми через так называемую параметрическую и структурную оптимизацию. Первая позволяет находить наилучшие значения параметров, вторая — наиболее рациональные конструктивные схемы взаимного расположения деталей и узлов трансформатора.

Как известно, материалы, используемые при производстве трансформаторов, подразделяются на:

• активные,
• изоляционные,
• конструкционные.

В качестве активных материалов применяются:

• электротехническая сталь (для изготовления магнитопровода);
• медь (для изготовления обмоток).

Одним из основных активных материалов трансформатора является тонколистовая электротехническая сталь. Долгое время для магнитных систем трансформаторов применялась листовая сталь горячей прокатки с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм. Качество этой стали постепенно улучшалось, однако удельные потери в ней были высоки.

Появление в конце 40-х годов холоднокатаной текстурованной (т. е. с определенной ориентировкой кристаллов) стали, имеющей значительно меньшие удельные потери и более высокую магнитную проницаемость, позволило увеличить индукцию в магнитной системе и существенно уменьшить массу активных материалов при одновременном уменьшении потерь энергии в трансформаторе. Вместе с этим было получено уменьшение расхода остальных материалов — изоляционных и конструкционных.

Применение холоднокатаной стали позволило также уменьшить внешние габариты и увеличить удельную мощность трансформатора, что особенно важно для трансформаторов большой мощности, внешние размеры которых ограничиваются условиями перевозки по железным дорогам.

Одной из существенных особенностей холоднокатаной стали является анизотропия ее магнитных свойств, т.е. различие этих свойств в различных направлениях внутри листа или пластины стали. Наилучшие магнитные свойства (наименьшие удельные потери и наибольшую магнитную проницаемость) эта сталь имеет в направлении прокатки.

Конструкция магнитной системы трансформатора с учетом анизотропии магнитных свойств холоднокатаной стали должна быть выполнена так, чтобы во всех ее частях — стержнях и ярмах — вектор индукции магнитного поля имел направление, совпадающее с направлением прокатки стали.

Существенно улучшить параметры трансформаторов можно посредством перехода на так называемые аморфные стали. Однако соответствующие технологии пока не отработаны, что не позволяет пока говорить о массовом использовании аморфных сталей при производстве трансформаторов.

Другой активный материал трансформатора — металл обмоток — в течение долгого времени не подвергался изменению. Низкое удельное электрическое сопротивление, легкость обработки, удовлетворительная коррозионная стойкость и достаточная механическая прочность электролитической меди сделали ее единственным материалом для обмоток трансформаторов в течение ряда десятилетий. Однако, малое распространение природных запасов медных руд заставило искать пути замены меди другими металлами, и в первую очередь, алюминием, более широко распространенным в природе.

При переходе на алюминиевые обмотки был решен ряд задач технологического характера, связанных с технологией намотки алюминиевых обмоток, пайкой и сваркой алюминия. В настоящее время все новые серии трансформаторов общего назначения мощностью до 16 000 кВ•А включительно проектируются с алюминиевыми обмотками.

Открытие в 80-х годах XX века проводниковых материалов, обладающих свойством высокотемпературной сверхпроводимости, открыло новые перспективы создания трансформаторов меньших габаритов со сниженными потерями. Удалось преодолеть главное препятствие использования сверхпроводимости: громоздкие криогенные системы для получения жидкого гелия были заменены простыми установками жидкого азота при атмосферном давлении. Именно это направление совершенствования конструкции трансформаторов может рассматриваться в качестве одного из наиболее перспективных.

1 - катки; 2 - спускной кран для масла; 3 - изолирующий цилиндр; 4 - обмотка высшего напряжения; 5 - обмотка низшего напряжения, 6 - сердечник; 7 - термометр; 8 - выводы низшего напряжения; 9 - выводы высшего напряжения; 10 - расширитель для масла; 11 - газовые реле; 12 - указатель уровня масла; 13 - радиаторы

Главным изоляционным материалом в силовых трансформаторах является трансформаторное масло — жидкий диэлектрик, сочетающий высокие изоляционные свойства со свойствами активной охлаждающей среды и теплоносителя.

В качестве изоляции обмоточного провода (медного или алюминиевого) используется кабельная бумага, которая имеет класс нагревостойкости А. Применение более нагревостойкой изоляции в масляных трансформаторах смысла не имеет, так как именно наличие масла ограничивает предельные температуры. В сухих силовых трансформаторах, где охлаждение обеспечивается воздухом, класс нагревостойкости обмоточной изоляции более высокий (В, F и т.д.).

Основные части трансформатора — это магнитопровод и обмотки. Магнитопровод трансформатора выполняют из листов электротехнической стали, изолированных с двух сторон. Такая конструкция магнитопровода дает возможность в значительной степени ослабить в нем вихревые токи, и в конечном итоге увеличить коэффициент полезного действия. Часть магнитопровода, на которой располагают обмотки, называют стержнем.

В однофазных трансформаторах имеются два стержня (в трехфазных — три) и соединяющих их два ярма.

Стержневая плоскошихтованная конструкция магнитопровода имеет наибольшее распространение, особенно в трансформаторах большой и средней мощности. Достоинства этой конструкции — простота изоляции обмоток, лучшие условия охлаждения, относительная простота ремонта.

Трехфазные трансформаторы обычно выполняют на магнитопроводе стержневого типа с тремя стержнями.

По способу соединения стержней с ярмами различают магнитопроводы стыковые и шихтованные. В стыковых магнитопроводах стержни и ярма собирают раздельно, а затем соединяют посредством крепежных частей. Такая конструкция магнитопровода облегчает посадку обмоток на стержни, так как для этого достаточно снять только верхнее ярмо. Но при шихтовой сборке магнитопровода, когда листы собирают «внахлестку», воздушный зазор в месте стыка стержней и ярем может быть сделан минимальным, что значительно снизит магнитное сопротивление и соответственно уменьшит потери холостого хода. Кроме того, механическая прочность шихтованного магнитопровода намного выше, чем стыкового. Все это привело к тому, что шихтованные магнитопроводы получили в России наибольшее распространение. Листы магнитопровода стягивают посредством ярмовых балок, бандажей из стеклоленты и шпилек, изолированных от листов изоляционными шайбами и трубками.

Форма поперечного сечения стержней обычно многоступенчатая, причем число ступеней зависит от мощности трансформатора. Ступенчатое сечение стержней обеспечивает лучшее использование площади внутри обмотки, так как периметр ступенчатого стержня приближается к окружности. В трансформаторах большой мощности для улучшения теплоотдачи между пакетами стали магнитопровода устраивают вентиляционные каналы.

Обмотки трансформаторов выполняют из проводов круглого и прямоугольного сечения, которые, как указывалось выше, изолируются кабельной бумагой.

Наиболее распространены концентрические катушечные обмотки. При этом обычно ближе к стержню располагают обмотку низкого напряжения (НН), так как она требует меньшей электрической изоляции от заземленного стержня, а затем обмотку высокого напряжения (ВН). Между обмотками делается вертикальный канал, в котором располагается изоляционный цилиндр из электрокартона, а также происходит циркуляция масла.

В комплект обмотки входят также отводы для присоединения к вводам, размещаемым на крышке трансформатора, ответвления для регулирования напряжения, емкостные кольца и электростатические экраны емкостной защиты от перенапряжений.

Непрерывная обмотка состоит из катушек, соединенных между собой последовательно. Катушки наматываются прямоугольным проводом, располагаемым «плашмя». Характерной особенностью непрерывной обмотки является выполнение так называемых перекладных катушек. Между катушками размещаются прокладки из электрокартона, создающие горизонтальные каналы для охлаждения обмотки. Эти прокладки укрепляются на вертикальных рейках посредством специального выреза типа «ласточкин хвост».

Трехфазный силовой двухобмоточный трансформатор схематично можно представить следующим образом. Магнитопровод трехфазного трансформатора образует как бы два «окна», которые так и принято называть. Для упрощения обычно ограничиваются представлением расположения в окне только одной фазы, предполагая, что другая фаза в этом окне располагается симметрично, а в соседнем — аналогично.

Устройство силового трехфазного трансформатора

1 - магнитопровод; 2 - обмотка высокого напряжения; 3 - обмотка низкого напряжения;
4 - стальной бак с трансформаторным маслом; 5,6 - изоляторы;
7- переключатель; 8 - охлаждающие трубы; 9 - расширительный бачок;
10 - измеритель уровня масла; 11 - заливное отверстие

Силовой трансформатор может иметь несколько обмоток. Обычно речь идет о трехобмоточных трансформаторах, когда кроме обмоток НН и ВН появляется еще обмотка СН среднего напряжения. Эти обмотки считаются основными, и именно по их количеству определяется вид трансформатора: двухобмоточный или трехобмоточный. Кроме основных в трансформаторе могут быть регулировочные обмотки, с помощью которых обеспечивается регулирование напряжения под нагрузкой (схема РПН). В основных обмотках СН или ВН могут быть участки, посредством которых обеспечивается регулирование напряжения с отключением трансформатора. Это так называемая схема ПБВ — переключение без возбуждения.

Наиболее распространенные схемы расположения обмоток в окне магнитопровода мощных трансформаторов:

• двухобмоточный трансформатор с вводом в середину обмотки ВН;
• двухобмоточный трансформатор с расщепленной обмоткой ВН;
• двухобмоточный трансформатор с регулированием напряжения без возбуждения (ПБВ);
• трехобмоточный трансформатор с регулированием напряжения в обмотках СН (ПБВ) и ВН (РПН);
• двухобмоточный трансформатор с регулированием напряжения (РПН) в виде специальной регулировочной обмотки (РО).

Кроме обмоток и магнитопровода, которые в совокупности образуют активную часть трансформатора, в его состав входят другие узлы и блоки: бак, система охлаждения, вводы и др.