Трансформаторы сухого типа и трансформаторы с жидкостным наполнением: всестороннее сравнение

Основное инженерное различие между трансформаторами сухого типа и трансформаторами с жидкостным наполнением заключается в их диэлектрической изоляции и охлаждающей среде: в трансформаторах сухого типа используются системы твердого окружающего воздуха, литой смолы или лаковых систем, пропитанных вакуумом под давлением (VPI), что делает их исключительно пожаробезопасными, экологически чистыми и подходящими для установки внутри помещений или экологически чувствительных установок без защиты от разливов, тогда как в трансформаторах с жидким заполнением используются минеральные масла или синтетические эфирные жидкости для превосходного рассеивания тепла и диэлектрической прочности, что делает их идеальными для высокого напряжения. внешние подстанции, тяжелые промышленные нагрузки и экономичное распределение электроэнергии.

Краткий обзор: сводная таблица

Фундаментальное отличие: изоляция и охлаждающая среда

Фундаментальное инженерное различие между трансформаторами сухого типа и трансформаторами с жидкостным наполнением полностью заключается в химическом состоянии и термодинамическом поведении их диэлектрической изоляции и охлаждающей среды, при этом трансформаторы сухого типа полагаются на циркуляцию атмосферного воздуха в сочетании с герметизацией из твердой смолы или лака, тогда как трансформаторы с жидкостным наполнением используют циркулирующие диэлектрические жидкости для непрерывного извлечения тепловой энергии из сердечника и сборок обмоток.

С точки зрения электроизоляции, диэлектрическая прочность определяет максимальное электрическое поле, которое материал может выдержать до того, как произойдет электрический пробой. Жидкие диэлектрические жидкости, такие как очищенное минеральное масло или синтетические эфирные соединения, обладают значительно более высоким напряжением диэлектрического пробоя (обычно превышающим 40–60 кВ в стандартном зазоре) по сравнению с окружающим воздухом. Эти превосходные диэлектрические характеристики позволяют заполненным жидкостью устройствам поддерживать малые физические зазоры между первичными обмотками, вторичными обмотками и заземленным стальным сердечником, что приводит к очень компактной геометрии сердечника и катушки для приложений сверхвысокого напряжения (110 кВ, 220 кВ и выше). И наоборот, трансформаторы сухого типа используют твердые диэлектрические материалы, такие как эпоксидная смола, армированная стекловолокном, или высокотемпературная бумага Nomex, дополненные воздушными зазорами, что требует большего физического расстояния для достижения эквивалентных номинальных значений импульсной стойкости (BIL).

С термодинамической точки зрения рассеивание тепла в трансформаторах определяется конвекцией, проводимостью и излучением. В жидкостных трансформаторах используется естественная термосифонная гидродинамика или принудительная циркуляция жидкости (режимы охлаждения ONAN, ONAF, OFAF). Тепло, вырабатываемое внутри медных или алюминиевых обмоток, передается непосредственно в окружающую жидкость, которая циркулирует вверх через ряды радиаторов, где тепло рассеивается в окружающий воздух. Напротив, в трансформаторах сухого типа используются вентиляторы с естественной конвекцией воздуха (AN) или принудительной обдувкой (AF), направляемые через внутренние каналы охлаждения, залитые в конструкции обмоток. Поскольку воздух имеет значительно меньшую объемную теплоемкость и теплопроводность, чем трансформаторное масло, трансформаторы сухого типа работают при более высоком повышении внутренней температуры, что требует использования специализированных высокотемпературных систем изоляции обмоток, рассчитанных на рабочие пределы класса F (повышение температуры на 105 °C) или класса H (повышение температуры на 150 °C, доступно для особых требований).

Кроме того, плотность магнитного потока и конструкция сердечника в этих двух топологиях оптимизированы по-разному. Поскольку жидкостное охлаждение поддерживает более низкие пиковые рабочие температуры в стальном сердечнике, пластины кремниевой стали в устройствах с жидким заполнением испытывают меньшие потери на гистерезис и вихревые токи на килограмм. Трансформаторы сухого типа должны балансировать пределы магнитного насыщения и состояния повышенного теплового равновесия. При выборе систем распределения электроэнергии инженеры должны оценить, как номинальные классы изоляции, факторы снижения характеристик окружающей среды и геометрия охлаждающих каналов влияют на долгосрочную эксплуатационную надежность в требовательных коммерческих и промышленных сетевых средах.

Таблица сравнения основных структур

Понимание принципа работы: Эксплуатационная стабильность твердой диэлектрической изоляции во многом зависит от минимизации частичных разрядов (ЧР) в микроскопических пустотах внутри эпоксидной смолы. В процессе вакуумного литья жидкая эпоксидная смола впрыскивается под высоким вакуумным давлением, чтобы полностью устранить пузырьки воздуха, гарантируя, что уровни частичного разряда остаются в пределах строгих технических стандартов (обычно ниже 10 пикокулон) при 1,2-кратном номинальном напряжении.

Трансформаторы сухого типа

Трансформаторы сухого типа представляют собой статические электромагнитные устройства, в которых используются системы твердой изоляции и конвекция окружающего воздуха для передачи переменной электрической энергии между цепями без использования горючих жидких диэлектриков, что делает их основным выбором для систем распределения электроэнергии внутри помещений с высокой плотностью и экологическим контролем.

В категории трансформаторов сухого типа существуют две доминирующие технологии проектирования: блоки с вакуумной пропиткой под давлением (VPI) и трансформаторы сухого типа с литой смолой (CRT). В трансформаторах VPI используется высокотемпературный полиэфирный или силиконовый лак, наносимый при чередовании циклов вакуума и давления для проникновения в многослойную ленту и изоляцию из номекса, окружающую обмотки. После пропитки сборка сердечник-катушка термически отверждается в печи, образуя прочную, влагостойкую и устойчивую к механическим нагрузкам матрицу. С другой стороны, устройства с ЭЛТ имеют высоковольтные обмотки, полностью герметизированные эпоксидной смолой, смешанной с наполнителем из порошкового кремнезема, внутри форм для вакуумного литья. Эта прочная литая оболочка обеспечивает абсолютную защиту от агрессивных атмосферных загрязнений, химических паров, высокой влажности и частиц в воздухе, эффективно устраняя риск поглощения влаги в периоды отсутствия напряжения.

Требования к механической конструкции трансформаторов сухого типа основаны на классах защиты корпуса (от стандартных блоков открытого типа IP00 для установки внутри чистых распределительных шкафов до вентилируемых защитных шкафов IP23 или IP31 для общих внутренних этажей предприятий). В узкоспециализированных промышленных средах применяются невентилируемые шкафы со степенью защиты IP54, оснащенные теплообменниками типа «воздух-вода» или «воздух-воздух». Обмоточные проводники обычно изготавливаются из высококачественной электролитической меди или полосовой фольги из электротехнического алюминия. Обычно поставляемые группы векторов включают Dyn11, Yyn0, Ynd11, Ynyn0 и Yd11 для удовлетворения различных требований к заземлению системы и фазовому сдвигу.

С точки зрения эксплуатации современные промышленные установки часто включают в себя специализированные понижающие распределительные устройства для питания низковольтных центров управления двигателями, коммерческих сетей отопления, вентиляции и кондиционирования и чувствительных ИТ-серверных инфраструктур непосредственно в центре нагрузки. Устранение длинных низковольтных кабелей значительно снижает потери в медных линиях $I^2R$ , улучшает регулирование напряжения и повышает общую системную электрическую эффективность внутри коммерческих и промышленных объектов.

Технические характеристики сухого типа

Рекомендации по техническому обслуживанию: Хотя агрегаты сухого типа требуют значительно меньшего обслуживания, чем агрегаты жидкого типа, ежегодная проверка должна включать проверку сопротивления обмотки микроомметром, испытание сопротивления изоляции (IR) мегомметром при 2,5 кВ постоянного тока и строгую проверку термисторных контроллеров вентилятора принудительной вентиляции (датчики PT100), встроенных непосредственно в низковольтные обмотки.

Жидкостные трансформаторы

Трансформаторы с жидкостным наполнением представляют собой мощные электромагнитные силовые агрегаты, в которых сердечник и сборки обмоток погружаются в герметичный или оборудованный расширительным баком резервуар, заполненный диэлектрической жидкостью, что позволяет использовать динамику жидкости для обеспечения высокой тепловой охлаждающей способности и превосходной диэлектрической прочности в электрических сетях среднего и высокого напряжения.

Структурная анатомия заполненного жидкостью трансформатора основана на герметичном стальном резервуаре, оснащенном внешними радиаторами охлаждения, пластинами магнитного сердечника, изготовленными из зернистой кремниевой стали с высокой проницаемостью (CRGO), и медными или алюминиевыми обмотками с изоляцией из целлюлозной бумаги. Диэлектрическая жидкость служит двойной цели: она действует как основной электроизоляционный барьер между высоковольтными выводами и заземленным стальным резервуаром, а также служит динамическим теплоносителем. Поскольку во время работы от электричества выделяется тепло, конвекционные потоки перемещают теплую жидкость вверх к верхней части резервуара, где она попадает в гофрированные стенки ребер или внешние банки радиатора. Охлаждающие вентиляторы или принудительные жидкостные насосы можно включать с помощью термостата для увеличения мощности рассеяния тепла в условиях пиковой нагрузки.

Конструкции, заполненные жидкостью, обычно подразделяются на две основные механические конфигурации: герметичные резервуары из гибкого гофрированного картона и резервуары-расширители, оснащенные резиновыми камерами с воздушными камерами. Герметичные трансформаторы исключают контакт между внутренней диэлектрической жидкостью и кислородом/влагой окружающего воздуха, полностью предотвращая окисление жидкости, образование шлама и деградацию диэлектрика, вызванную влагой. Конструкции консерваторов, обычно предназначенные для крупных коммунальных подстанций и объектов тяжелой промышленности, предусматривают расширение и сжатие жидкости через верхний резервуар, при этом используются осушающие сапуны из силикагеля или герметичные резиновые мембраны для предотвращения атмосферного загрязнения.

Тепловые, КПД и шумовые характеристики

Тепловая динамика определяет граничные пределы нагрузки трансформатора, условий окружающей среды и допусков к перегрузке. Трансформаторы сухого типа работают в более высоких точках теплового равновесия. В стандартных агрегатах сухого типа используются системы изоляции класса F, рассчитанные на максимальное повышение температуры на 105°C выше базовой температуры окружающей среды на 40°C. Для тяжелых условий эксплуатации, повышенных температур окружающей среды или особых требований предусмотрены системы изоляции класса H, рассчитанные на повышение температуры до 150°C. Напротив, трансформаторы, заполненные жидкостью, работают в условиях строгих тепловых ограничений, обычно определяемых температурными ограничениями класса А (повышение температуры обмотки на 65°C и повышение температуры верхнего масла на 60°C выше температуры окружающей среды).

Профили эффективности между архитектурами сухого типа и архитектурами с жидкостным наполнением демонстрируют различные характеристики при различных коэффициентах нагрузки. Трансформаторы, заполненные жидкостью, обычно обеспечивают более низкие потери холостого хода (сердечник) и потери нагрузки (медь) в условиях высокой нагрузки благодаря более плотной геометрии обмотки и улучшенному рассеиванию тепла жидкостью. Следовательно, жидкостные трансформаторы обычно обеспечивают превосходную энергоэффективность в непрерывных энергосистемах с полной нагрузкой. Однако современные трансформаторы сухого типа с литой изоляцией, изготовленные с сердечником из высококачественной стали CRGO или из аморфного металла, обеспечивают исключительно конкурентоспособный профиль эффективности в условиях частичной нагрузки, типичных для коммерческих зданий и предприятий легкой промышленности.

Акустические шумовые характеристики являются еще одним важным отличием в городских условиях и внутри помещений. Трансформаторы сухого типа генерируют уровни акустического шума, главным образом, за счет магнитострикции сердечника и потока воздуха охлаждающего вентилятора. Поскольку воздух является менее плотной акустической демпфирующей средой, чем диэлектрическое масло, агрегаты сухого типа, естественно, демонстрируют более высокие базовые уровни звукового давления (дБА). При установке агрегатов сухого типа рядом с занятыми офисными помещениями или больничными палатами устанавливаются звукопоглощающие кожухи, антивибрационные прокладки и низкоскоростные акустические вентиляторы для обеспечения строгого соблюдения муниципальных постановлений по шуму в помещениях.

Рекомендации по установке и месту установки

Инженерные требования к трансформаторам сухого типа и трансформаторам с жидкостным заполнением продиктованы требованиями пожарной безопасности, защитой окружающей среды и физическими ограничениями строительных работ.

Трансформаторы сухого типа обеспечивают непревзойденную гибкость установки внутри коммерческих сооружений, высотных зданий, подземных сооружений и полов промышленных предприятий. Поскольку герметизация из твердой эпоксидной смолы является самозатухающей, огнестойкой и полностью не содержит горючих жидкостей, агрегаты сухого типа устраняют необходимость в специальных наружных противопожарных стенах, взрывоустойчивых сводах или автоматических системах пожаротушения из-за затопления. Кроме того, для агрегатов сухого типа не требуются ямы для сбора нефти, водосборники или водомасляные сепараторы, что значительно снижает расходы на гражданское строительство и требования к занимаемой площади внутри помещений.

Жидкостные трансформаторы, несмотря на свою компактную конструкцию и обеспечивающие эквивалентную высокую мощность, требуют обширных мер безопасности в гражданском строительстве. Рекомендации по установке требуют наличия резервуаров для сбора жидкости, способных вместить 100 % объема трансформаторной жидкости, а также количество осадков на внешних подстанциях. При размещении в помещении или рядом с основными конструкциями здания наполненные жидкостью агрегаты должны быть изолированы в специализированных противопожарных хранилищах, оснащенных автоматическими противопожарными дверями, взрывозащитными стенами и специализированными дренажными системами для предотвращения загрязнения грунтовых вод и почвы в случае катастрофического разрыва резервуара или разлива жидкости.

Техническое обслуживание, надежность и 30-летний жизненный цикл

При оценке долгосрочных эксплуатационных затрат инженеры промышленных предприятий должны учитывать как требования к текущему техническому обслуживанию, так и общую надежность оборудования. Опираясь на более чем 30-летний опыт работы в отрасли, производители разрабатывают трансформаторы сухого типа, обеспечивающие исключительную эксплуатационную надежность с минимальным вмешательством в техническое обслуживание в течение 30-летнего жизненного цикла конструкции.

Поскольку в трансформаторах сухого типа полностью отсутствует жидкостная изоляция, они не требуют регулярного отбора проб жидкости, анализа растворенного газа (DGA), фильтрации жидкости или обслуживания защитной ямы. Плановые проверки агрегатов сухого типа направлены в первую очередь на периодические визуальные проверки, очистку от скоплений пыли из вентиляционных каналов, проверку затяжки клеммных соединений и проверку работы регулятора температуры (например, цепей термистора PT100). При модели затрат на 30-летний жизненный цикл общая стоимость владения (TCO) для трансформаторов сухого типа существенно ниже при установке в помещении благодаря меньшему объему работ по плановому техническому обслуживанию, минимальному времени простоя и нулевому риску устранения разлива жидкости.

И наоборот, жидкостные трансформаторы требуют строгих протоколов профилактического обслуживания на протяжении всего срока службы. Регулярный отбор проб жидкости является обязательным для оценки напряжения пробоя диэлектрика, содержания влаги, числа нейтрализации и концентрации растворенного газа (DGA) для обнаружения зарождающихся тепловых или электрических неисправностей. Ребра радиатора, уплотнения, прокладки и сапуны расширительного бака требуют регулярного осмотра для предотвращения утечек масла и загрязнения окружающей среды.

Соображения безопасности и защиты окружающей среды

Безопасность и экологическая устойчивость являются центральными критериями при проектировании современных систем распределения электроэнергии.

Трансформаторы сухого типа соответствуют высочайшему стандарту пожарной безопасности (класс пожарной выживаемости класса F1 по стандартам IEC). Они производят незначительные выбросы токсичного дыма при внешнем воздействии пожара и не представляют нулевой угрозы для почвы и ресурсов подземных вод. По окончании срока службы литые смоляные и металлические компоненты могут быть аккуратно отделены и переработаны, что способствует устойчивым корпоративным экологическим целям.

Трансформаторы, заполненные жидкостью, в которых используется традиционное минеральное масло, представляют собой неотъемлемую опасность возгорания из-за горючей природы углеводородных жидкостей (температура вспышки обычно составляет от ~ 140 до 150 ° C). Серьезное дуговое замыкание внутри резервуара может привести к испарению масла, что приведет к избыточному давлению в резервуаре, катастрофическому разрыву и серьезным пожарам в бассейне. Чтобы снизить риск возгорания, сохраняя при этом преимущества жидкостного охлаждения, современные спецификации все чаще требуют использования жидкостей на основе синтетических или натуральных эфиров. Эфирные жидкости имеют высокую температуру воспламенения (>300°C, класс K) и легко биоразлагаемы, что значительно снижает риск разливов в окружающей среде в чувствительных водоразделах и сельскохозяйственных зонах.

Выбор на основе приложения

Выбор между сухими и жидконаполненными трансформаторами зависит от ограничений на месте, чувствительности к окружающей среде, уровней напряжения и рабочих профилей:

• Трансформаторы сухого типа являются оптимальным выбором для закрытых коммерческих комплексов, больниц, центров обработки данных, систем подземного железнодорожного транспорта, морских ветряных платформ, химических заводов и промышленных объектов с высокой плотностью размещения, где пожарная безопасность, экологическая чистота и низкие эксплуатационные расходы имеют первостепенное значение.

• Жидкостные трансформаторы остаются лучшим выбором для наружных коммунальных подстанций, сетей передачи сверхвысокого напряжения, тяжелых промышленных установок непрерывного действия, солнечных электростанций, использующих возобновляемые источники энергии, и наружных распределительных сетей, где требуются высокая тепловая мощность, высшая импульсная устойчивость (BIL) и устойчивость к погодным условиям.