Силовые трансформаторы: устройство и особенности

Силовой трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода и двух или более обмоток, по которым протекает электрический ток.

При работе трансформатора на его изоляцию длительное время воздействует электрическое поле, которое соответствует номинальному рабочему напряжению. Кроме того, возможны кратковременные перенапряжения, вызванные коммутационными процессами в электрической сети, аварийными режимами работы или воздействием атмосферных грозовых разрядов. В таких условиях обмотки трансформатора и другие его токоведущие части нагреваются, что приводит к старению изоляции и снижению ее диэлектрических свойств. Правильно выбранная изоляция обмоток обеспечивает длительный срок его службы в условиях электрических, тепловых, механических и других воздействий, которым трансформатор подвергается в процессе эксплуатации. Обмотки трансформаторов небольшой мощности обычно имеют лаковую, бумажную или тканевую изоляцию.

В мощных силовых трансформаторах, как правило, в качестве электроизоляционной среды используются специальные трансформаторные масла. По сравнению с сухими трансформаторами маслозаполненные имеют более сложную конструкцию.

Силовой масляный трансформатор состоит из бака с радиаторами, заполненных маслом, и магнитопровода с обмотками. Бак снабжен заливной пробкой и указателем уровня масла. При повышении температуры объем трансформаторного масла увеличивается. Для компенсации объемного расширения бак выполняется гофрированным. Кроме того, в баке устанавливают предохранительный клапан, который  служит для предотвращения избыточного давления. 

Место установки силовых трансформаторов негерметичного исполнения необходимо подбирать с учетом требований противопожарных и санитарных норм, так как масло и его пары опасны для здоровья людей, и являются горючими, а при некоторых условиях и взрывоопасными материалами.

Несмотря на указанные недостатки современные масляные трансформаторы имеют ряд преимуществ и пользуются большой популярностью. Силовые трансформаторы с герметичной конструкцией полностью безопасны, так как масло не взаимодействует с окружающей средой. Они не требуют никакого профилактического осмотра или дополнительного ухода, кроме долива масла до необходимого уровня. Масляные силовые трансформаторы отличаются невысоким реактивным сопротивлением. Они имеют длительный срок службы, так как обмотки, погруженные в масляную ванну, полностью защищены от воздействия окружающей среды. Герметичность конструкции зачастую позволяет эксплуатировать масляные трансформаторы без каких-либо ремонтных или профилактических работ в течение 20-25 лет. 

Требования к трансформаторным маслам

Для заполнения силовых трансформаторов используют специальные трансформаторные масла,  получаемые из нефтяных дистиллятов методами селективной, фенольной, кислотно-щелочной очистки, гидрокрекинга. Срок службы и надежность трансформаторов напрямую зависит от качества и характеристик применяемых трансформаторных масел, поэтому к их свойствам предъявляется ряд общих требований, наиболее важными из которых являются следующие:

• обеспечение хорошего теплоотвода (большая теплоемкость, теплопроводность; низкая вязкость);
• отсутствие в составе серных кислот, которые разрушают элементы трансформаторов;
• высокая электрическая прочность.

Одним из основных требований, предъявляемых к трансформаторным маслам, является их чистота. Наличие механических примесей, продуктов окисления, влаги и воздуха значительно снижают электрическую прочность. Согласно действующему нормативу РД 34.45-51.300-97 "Объем и нормы испытаний электрооборудования":

• содержание воды в заливаемом трансформаторном масле должно составлять не более 0,001 %, а для негерметичных систем – не более 0.0025 %;
• концентрация воздуха в масле для герметичных систем не должна превышать 0,5 %;
• содержание механических примесей, должно быть не хуже 11-го класса чистоты для трансформаторов напряжением до 220 кВ и не хуже 9-го класса чистоты для остальных трансформаторов.

Силовые трансформаторы эксплуатируются в различных климатических условиях, поэтому подвергаются длительному воздействию как высоких, так и низких температур.  Следует учитывать, что при понижении температуры вязкость масла значительно снижается вплоть до его застывания, что ухудшает эффективность теплоотвода и делает невозможным циркуляцию масла в системе. Согласно стандарту "Спецификация на свежие нефтяные изоляционные масла для трансформаторов и выключателей", разработанному международной электротехнической комиссией, по температуре застывания трансформаторные масла подразделяются на три класса:

• I –для южных районов (температура застывания ниже -30 °С);
• II - для северных районов (температура застывания ниже -45 °С);
• III - для арктических районов (температура застывания -60 °С и ниже).

При длительной эксплуатации трансформаторов под нагрузкой повышается температура масла, которое является горючим материалом и представляет повышенную пожарную опасность. Поэтому для трансформаторных масел важным свойством является точка вспышки –  температура, при которой их пары вспыхивают от поднесенного к ним пламени в нормальных условиях. Точка вспышки для арктических масел колеблется в пределах +90…+115 °С.  Для обычных масел она составляет +130…+170 °С.

С точки зрения пожарной безопасности не менее важной характеристикой  является точка его воспламенения – температура, при которой масло самовозгорается при наличии воздуха. Для современных трансформаторных масел точка воспламенения должна составлять +350…+400 °С.

Масло окисляется не только на поверхности, но и при взаимодействии с растворенным в нем воздухом. При давлении в 1 кгс/см2 его содержание в масле может составлять до 11 % по объему. Поэтому перед монтажом трансформаторов необходимо проводить дегазацию масла. Наличие даже небольшого количества растворенного воздуха вызывает реакции окисления даже в герметичных системах, поэтому трансформаторные масла должны иметь высокие антиокислительные свойства. 

Следует иметь в виду, что масло с более высокой температурой вспышки позволяет лучше провести осушение и дегазирование перед заливом в трансформатор.

Эксплуатация трансформаторных масел

Так как срок службы и надежность работы трансформаторов в большой степени зависит от качества и чистоты используемого трансформаторного масла, то перед заливкой в оборудование оно должно проходить тщательный контроль и проверку по всем показателям технических условий, а также подвергаться очистке, осушке и дегазации с помощью специального оборудования. Для увеличения срока службы масла многие трансформаторы имеют азотную защиту или оснащаются пленочными диафрагмами. Эти устройства защищают масло от воздействия на него атмосферного кислорода.

В процессе эксплуатации силовых трансформаторов свойства и характеристики залитых масел ухудшаются под воздействием электрического поля, воздуха, повышенных температур. Масло может вступать в реакцию с некоторыми конструкционными материалами, образуя при этом различные примеси и нерастворимые осадки. Основным процессом, определяющим изменение свойств масла, является его  окисление. Перечисленные факторы приводят к снижению пробивного напряжения и температуры вспышки, увеличению кислотного числа и тангенса угла диэлектрических потерь. Нерастворимые осадки могут забивать каналы циркуляции масла, снижая эффективность теплоотвода. «Старение» масла является причиной повышения энергопотребления оборудованием и может вызвать аварийную ситуацию или выход из строя электрического оборудования.

В этой связи уже залитое в оборудование масло должно ежегодно проходить контроль по таким показателям как кислотное число, реакция водной вытяжки, наличие воды и механических примесей, количество образовавшихся отложений, температура вспышки, пробивное напряжение, тангенс угла диэлектрических потерь. 

Масло с неудовлетворительными показателями подлежит замене или восстановлению на специальном оборудовании. Регенерацию масла можно производить неоднократно. Так как стоимость нового трансформаторного масла относительно высока, то использование восстановленного масла обычно оказывается экономически целесообразным. Однако простой замены масла на новое или восстановленное часто оказывается недостаточно – на внутренних поверхностях трансформатора остаются отложения. Для их удаления трансформатор необходимо промыть горячим нафтеновым или регенерированным маслом. 

Другие сферы применения трансформаторных масел

Трансформаторные масла применяются также в качестве жидкой теплоотводящей, дугогасящей и изоляционной среды в измерительных трансформаторах,  масляных выключателях, конденсаторах высокого напряжения. Кроме того, трансформаторными маслами пропитывают бумагу, картон, ткань, используемые в качестве изоляционных материалов, повышая таким образом их  электрическую прочность.