Сухі та заповнені рідиною трансформатори: всебічне порівняння

Основна технічна відмінність між сухими трансформаторами та трансформаторами, наповненими рідиною, полягає в їхній діелектричній ізоляції та охолоджувальному середовищі: у сухих трансформаторах використовується тверде навколишнє повітря, лита смола або системи лаку, просоченого вакуумним тиском (VPI), що робить їх винятково пожежобезпечними, екологічно чистими та придатними для внутрішніх або екологічно чутливих установок без захисту від розливу, тоді як трансформатори, наповнені рідиною, використовують мінеральні. масляні або синтетичні ефірні рідини для чудового розсіювання тепла та діелектричної міцності, що робить їх ідеальними для відкритих підстанцій високої напруги, важких промислових навантажень та економічно ефективного розподілу електроенергії.

Короткий огляд: підсумкова таблиця

Фундаментальна відмінність: ізоляція та охолоджувач

Основна інженерна різниця між сухими трансформаторами та блоками, заповненими рідиною, повністю полягає в хімічному стані та термодинамічній поведінці їх діелектричної ізоляції та охолоджувального середовища, де сухі трансформатори покладаються на циркуляцію атмосферного повітря в поєднанні з твердою смолою або лаковою інкапсуляцією, тоді як трансформатори, заповнені рідиною, використовують циркулюючі діелектричні рідини для безперервного витягання теплової енергії з вузлів сердечника та обмотки.

З точки зору електричної ізоляції, діелектрична міцність визначає максимальне електричне поле, яке може витримати матеріал до того, як відбудеться електричний пробій. Рідкі діелектричні рідини, такі як рафінована мінеральна олія або синтетичні ефірні сполуки, мають значно вищі діелектричні напруги пробою (зазвичай понад 40 кВ до 60 кВ через стандартний зазор) порівняно з навколишнім повітрям. Ці чудові діелектричні характеристики дозволяють блокам, наповненим рідиною, підтримувати жорсткі фізичні зазори між первинними обмотками, вторинними обмотками та заземленою сталевою серцевиною, що призводить до дуже компактної геометрії сердечника та котушки для застосувань із надвисокою напругою (110 кВ, 220 кВ і вище). Навпаки, сухі трансформатори залежать від твердих діелектричних матеріалів, таких як епоксидна смола, армована скловолокном, або високотемпературний папір Nomex, доповнений повітряними проміжками, що вимагає більшого фізичного інтервалу для досягнення еквівалентних показників витримки імпульсу (BIL).

Термодинамічно розсіювання тепла в трансформаторах регулюється конвекцією, провідністю та випромінюванням. Заповнені рідиною трансформатори використовують переваги природної термосифонної гідродинаміки або примусової циркуляції рідини (режими охолодження ONAN, ONAF, OFAF). Тепло, що утворюється в мідних або алюмінієвих обмотках, передається безпосередньо в навколишню рідину, яка циркулює вгору через радіатори, де тепло розсіюється в навколишнє повітря. Навпаки, сухі трансформатори використовують природну конвекцію повітря (AN) або примусові повітродувки (AF), які спрямовуються через внутрішні охолоджувальні канали, вставлені в конструкції обмоток. Оскільки повітря має значно нижчу об’ємну теплоємність і теплопровідність, ніж трансформаторне масло, сухі трансформатори працюють при вищих підвищеннях внутрішньої температури, вимагаючи спеціальних високотемпературних систем ізоляції обмоток, розрахованих на робочі межі класу F (підвищення температури 105 °C) або класу H (підвищення температури 150 °C, доступне для спеціальних вимог).

Крім того, щільність магнітного потоку та конструкція сердечника оптимізовані по-різному для цих двох топологій. Оскільки рідинне охолодження підтримує нижчі пікові робочі температури в сердечнику, ламінування кремнієвої сталі в блоках, наповнених рідиною, мають менший гістерезис і втрати на вихрові струми на кілограм. Трансформатори сухого типу повинні збалансувати межі магнітного насичення проти станів підвищеної теплової рівноваги. Визначаючи системи розподілу електроенергії, інженери повинні оцінити, як рейтинги класу ізоляції, коефіцієнти зниження навколишнього середовища та геометрія каналів охолодження впливають на довгострокову експлуатаційну надійність у вимогливих комерційних і промислових мережевих середовищах.

Порівняльна таблиця основної структури

Принцип роботи. Стабільність роботи твердої діелектричної ізоляції значною мірою залежить від мінімізації часткового розряду (PD) у мікроскопічних пустотах всередині епоксидної смоли. Під час процесу вакуумного лиття рідка епоксидна смола впорскується під високим вакуумним тиском, щоб повністю усунути повітряні бульбашки, гарантуючи, що рівні часткового розряду залишаються в межах суворих технічних стандартів (зазвичай нижче 10 пікокулонів) при номінальній напрузі в 1,2 рази.

Сухі трансформатори

Сухі трансформатори є статичними електромагнітними пристроями, які використовують системи твердої ізоляції та конвекцію навколишнього повітря для передачі змінної електричної енергії між ланцюгами без використання рідких діелектричних легкозаймистих речовин, що робить їх основним вибором для внутрішніх приміщень, високої щільності та екологічно контрольованого розподілу електроенергії.

У категорії сухих трансформаторів існують дві домінуючі технології проектування: блоки з вакуумним просоченням (VPI) і сухі трансформатори з литої смоли (CRT). У трансформаторах VPI використовується високотемпературний поліефірний або силіконовий лак, який наноситься в циклах вакууму та тиску, що чергуються, щоб проникнути через багатошарову стрічку та ізоляцію Nomex, що оточує обмотки. Після просочення вузол із сердечником і котушкою термічно затверджується в печі, утворюючи тверду, вологостійку та стійку до механічних навантажень матрицю. З іншого боку, блоки CRT мають обмотки високої напруги, повністю інкапсульовані в епоксидну смолу, змішану з наповнювачем із кремнезему всередині форм для вакуумного лиття. Ця міцна лита оболонка забезпечує абсолютний захист від агресивних атмосферних забруднень, хімічних парів, високої вологості та частинок у повітрі, ефективно усуваючи ризики поглинання вологи під час періодів знеструмлення.

Особливості механічної конструкції для сухих трансформаторів залежать від класів захисту корпусу (від стандартних відкритих корпусів IP00 для встановлення в чистих шафах розподільних пристроїв до вентильованих захисних корпусів IP23 або IP31 для звичайних підлог у приміщеннях). У вузькоспеціалізованих промислових середовищах застосовуються невентильовані корпуси зі стандартом IP54, оснащені теплообмінниками повітря-вода або повітря-повітря. Провідники обмотки зазвичай виготовляються з високоякісної електролітичної міді або електричної алюмінієвої стрічкової фольги. Векторні групи, які зазвичай постачаються, включають Dyn11, Yyn0, Ynd11, Ynyn0 і Yd11 для задоволення різноманітних вимог щодо заземлення системи та зсуву фаз.

З точки зору експлуатації, сучасні промислові установки часто інтегрують спеціалізовані блоки понижувального розподілу для живлення низьковольтних центрів керування двигунами, комерційних мереж HVAC та чутливої ​​інфраструктури ІТ-серверів безпосередньо в центрі навантаження. Усунення довгих кабелів низької напруги значно зменшує втрати $I^2R$ мідної лінії, покращує регулювання напруги та підвищує загальну електричну ефективність системи всередині комерційних і промислових об’єктів.

Технічні характеристики сухого типу

Порада щодо технічного обслуговування: хоча агрегати сухого типу вимагають значно меншого обслуговування, ніж агрегати рідинного типу, щорічний огляд повинен включати перевірку опору обмотки мікроомметром, тестування опору ізоляції мегомметром (ІЧ) при 2,5 кВ постійного струму та сувору перевірку терморезисторних контролерів вентилятора примусової вентиляції (датчики PT100), вбудованих безпосередньо в обмотки низької напруги.

Трансформатори, заповнені рідиною

Заповнені рідиною трансформатори — це потужні електромагнітні блоки живлення, які занурюють сердечник і вузли обмоток у герметичний або обладнаний консерватором резервуар, наповнений діелектричною рідиною, використовуючи динаміку рідини для забезпечення високої теплоємності охолодження та чудової діелектричної міцності в мережах середньої та високої напруги.

Структурна анатомія заповненого рідиною трансформатора зосереджена на герметично закритому сталевому резервуарі, оснащеному зовнішніми радіаторами охолодження, шарами магнітного сердечника, виготовленими з високопроникної зернисто-орієнтованої кремнієвої сталі (CRGO), і мідними або алюмінієвими обмотками з целюлозним папером. Діелектрична рідина виконує подвійну мету: вона діє як основний електричний ізоляційний бар’єр між високовольтними проводами та заземленим сталевим резервуаром і служить динамічною рідиною для передачі тепла. Оскільки під час роботи електрики утворюється тепло, конвекційні потоки рухають теплу рідину вгору до верхньої частини резервуара, де вона потрапляє в гофровані стінки ребер або зовнішні блоки радіаторів. Вентилятори охолодження або примусові рідинні насоси можуть бути включені термостатом, щоб збільшити тепловіддачу під час пікового навантаження.

Конструкції, наповнені рідиною, зазвичай діляться на дві основні механічні конфігурації: герметично закриті гнучкі гофровані резервуари та резервуари-резервуари, оснащені гумовими камерами з повітряними камерами. Герметичні трансформатори усувають контакт між внутрішньою діелектричною рідиною та атмосферним киснем/вологою, повністю запобігаючи окисленню рідини, утворенню осаду та деградації діелектрика, спричиненій вологою. Конструкції консерваторів, які зазвичай призначені для великих комунальних підстанцій і важких промислових об’єктів, пристосовуються до розширення та стиснення рідини через верхній резервуар, використовуючи осушувачі із силікагелю або герметичні гумові мембрани для запобігання атмосферному забрудненню.

Теплові характеристики, ефективність і шум

Теплова динаміка визначає граничні межі для навантаження трансформатора, роботи в навколишньому середовищі та допусків на перевантаження. Сухі трансформатори працюють у більш високих точках теплової рівноваги. У стандартних блоках сухого типу використовуються системи ізоляції класу F, розроблені для максимального підвищення температури на 105°C вище базової температури навколишнього середовища на 40°C. Для жорстких робочих циклів, підвищених температур навколишнього середовища або особливих індивідуальних вимог призначені системи ізоляції класу H, розроблені для підвищення температури на 150°C. Навпаки, трансформатори, заповнені рідиною, працюють із суворими температурними обмеженнями рідини, які зазвичай регулюються температурними обмеженнями класу А (підвищення температури обмотки на 65 °C і підвищення температури верхньої частини масла на 60 °C над температурою навколишнього середовища).

Профілі ефективності між архітектурами сухого типу та архітектурами, заповненими рідиною, демонструють відмінні характеристики в різних коефіцієнтах навантаження. Трансформатори, наповнені рідиною, зазвичай досягають менших втрат холостого ходу (сердечник) і втрат навантаження (мідь) за високих умов навантаження завдяки щільнішій геометрії обмотки та покращеному розсіюванню тепла рідини. Отже, заповнені рідиною трансформатори зазвичай забезпечують чудову енергоефективність у безперервних додатках із повним навантаженням. Однак сучасні сухі трансформатори з литої смоли, виготовлені з високоякісної сталі CRGO або серцевини з аморфного металу, забезпечують винятково конкурентоспроможні профілі ефективності в умовах часткового навантаження, характерних для комерційних будівель і легких промислових операцій.

Ефективність акустичного шуму є ще однією важливою відмінністю в міському та внутрішньому середовищах. Сухі трансформатори створюють рівень акустичного звуку в основному через магнітострикцію сердечника та повітряний потік охолоджуючого вентилятора. Оскільки повітря є менш щільним середовищем для поглинання звуку, ніж діелектричне масло, блоки сухого типу природно демонструють більш високі базові рівні звукового тиску (дБА). При установці блоків сухого типу поблизу зайнятих офісних приміщень або лікарняних палат розгортаються звукоізоляційні кожухи, антивібраційні прокладки сердечника та низькошвидкісні акустичні вентилятори, щоб забезпечити сувору відповідність муніципальним постановам щодо шуму в приміщенні.

Рекомендації щодо встановлення та розміщення

Інженерні вимоги до сухих трансформаторів проти трансформаторів, заповнених рідиною, диктуються відповідністю пожежній безпеці, захистом навколишнього середовища та обмеженнями фізичних будівельних робіт.

Сухі трансформатори пропонують неперевершену гнучкість установки в комерційних структурах, висотних будинках, підземних спорудах і промислових підприємствах. Оскільки інкапсуляція з твердої епоксидної смоли є самозатухаючою, вогнестійкою та повністю вільною від горючих рідин, блоки сухого типу усувають потребу в спеціальних зовнішніх протипожежних стінах, вибухостійких сховищах або автоматичних системах пожежогасіння. Крім того, установки сухого типу не потребують ям для зберігання нафти, водозбірних басейнів або сепараторів нафти та води, що значно знижує витрати на цивільне будівництво та вимоги до площі приміщення.

Трансформатори, наповнені рідиною, незважаючи на компактну конструкцію для еквівалентної високої потужності, вимагають широких будівельних заходів безпеки. Інструкції з монтажу вимагають резервуарів для рідини, здатних захоплювати 100% об’єму трансформаторної рідини плюс допуск на кількість опадів на зовнішніх підстанціях. У разі розміщення в приміщенні або поруч із основними будівельними конструкціями блоки, заповнені рідиною, повинні бути ізольовані в спеціалізованих вогнезахисних сховищах, обладнаних автоматичними протипожежними дверима, стінами для захисту від вибуху та спеціалізованими дренажними системами для запобігання забрудненню грунтових вод і ґрунту в разі катастрофічного розриву резервуару або розливу рідини.

Технічне обслуговування, надійність і 30-річний життєвий цикл

Оцінюючи довгострокові експлуатаційні витрати, інженери промислових установок повинні враховувати як вимоги до поточного технічного обслуговування, так і загальну надійність обладнання. Використовуючи більш ніж 30-річний досвід промисловості, виробники проектують сухі трансформатори, щоб запропонувати виняткову експлуатаційну надійність з мінімальним втручанням в технічне обслуговування протягом 30-річного життєвого циклу.

Оскільки сухі трансформатори повністю виключають рідку ізоляцію, вони не вимагають звичайного відбору проб рідини, аналізу розчинених газів (DGA), фільтрації рідини або технічного обслуговування захисної ями. Звичайні перевірки блоків сухого типу зосереджені в першу чергу на періодичних візуальних перевірках, очищенні скупчення пилу з вентиляційних каналів, перевірці моменту затягування клемних з’єднань і перевірці роботи регулятора температури (наприклад, ланцюгів термістора PT100). За моделлю витрат на 30-річний життєвий цикл загальна вартість володіння (TCO) для сухих трансформаторів значно нижча у закритому середовищі завдяки меншому обслуговуванню, мінімальному простою та нульовому ризику ліквідації розливу рідини.

І навпаки, заповнені рідиною трансформатори вимагають суворих протоколів профілактичного обслуговування протягом усього життєвого циклу. Регулярний відбір проб рідини є обов’язковим для оцінки напруги пробою діелектрика, вмісту вологи, числа нейтралізації та концентрації розчинених газів (DGA) для виявлення початкових теплових або електричних несправностей. Ребра радіатора, ущільнювачі, прокладки та сапуни консерватора вимагають регулярного огляду, щоб запобігти витоку масла та забрудненню навколишнього середовища.

Безпека та екологічність

Безпека та екологічність є основними критеріями проектування сучасних систем розподілу електроенергії.

Сухі трансформатори відповідають найвищим стандартам пожежної безпеки (клас пожежної стійкості F1 за стандартами IEC). Вони створюють незначні викиди токсичного диму під час зовнішнього впливу вогню та не представляють нульової загрози для ресурсів ґрунту чи підземних вод. Після завершення терміну експлуатації компоненти з литої смоли та металу можна чисто відокремити та переробити, підтримуючи екологічні цілі компанії.

Заповнені рідиною трансформатори, у яких використовується традиційне мінеральне масло, створюють невід’ємну пожежну небезпеку через займисту природу вуглеводневих рідин (зазвичай температура спалаху від ~140°C до 150°C). Сильне дугове розмивання всередині резервуару може призвести до випаровування масла, що спричинить надлишковий тиск у резервуарі, катастрофічний розрив і серйозні пожежі в басейні. Щоб зменшити ризик виникнення пожежі, зберігаючи переваги рідинного охолодження, сучасні специфікації все частіше вимагають синтетичних або природних складних ефірів. Складноефірні рідини мають високу температуру займання (>300°C, рейтинг класу K) і легко біологічно розкладаються, що значно знижує ризик витоку на навколишнє середовище в чутливих вододілах і сільськогосподарських зонах.

Вибір на основі програми

Вибір між сухими та заповненими рідиною трансформаторами залежить від обмежень на місці, чутливості навколишнього середовища, рівнів напруги та робочих профілів:

• Сухі трансформатори є оптимальним вибором для закритих комерційних комплексів, лікарень, центрів обробки даних, підземних залізничних транспортних систем, морських вітряних платформ, хімічних заводів і промислових об’єктів з високою щільністю, де пожежна безпека, екологічна чистота та низький рівень обслуговування є найважливішими.

• Трансформатори, наповнені рідиною, залишаються основним вибором для зовнішніх підстанцій, мереж електропередачі надвисокої напруги, важких промислових безперервних технологічних установок, сонячних електростанцій із відновлюваною енергією та зовнішніх мереж розподілу електроенергії, де потрібна висока теплова потужність, високі показники витримки імпульсу (BIL) і стійкість до погодних умов.