Ущерб сухим трансформаторам, вызванный гармониками, и меры противодействия

Гармонические искажения стали серьезной угрозой для безопасной эксплуатации сухих трансформаторов по мере распространения нелинейных нагрузок в электрических сетях. В данной статье объясняется, как гармоники повреждают сухие трансформаторы и что можно сделать для обеспечения их безопасной работы.

Сухой силовой трансформатор с красными эпоксидными обмотками и синим монтажным основанием

Ущерб, наносимый гармониками

• Увеличение потерь и аномальный перегрев. Гармонические токи усиливают поверхностный эффект и эффект близости в обмотках трансформатора. Сопротивление переменному току возрастает, что приводит к заметному увеличению потерь в меди, а высокочастотный гармонический поток также увеличивает потери на вихревые токи и гистерезис в магнитопроводе — потери на вихревые токи растут примерно пропорционально квадрату частоты, а потери на гистерезис — примерно пропорционально частоте. Эти дополнительные потери превращаются в тепло, что приводит к аномально высокому повышению рабочей температуры.
• Ускоренное старение изоляции и сокращение срока службы. Сухие трансформаторы охлаждаются за счет конвекции воздуха (охлаждение естественным воздухом AN или принудительное воздушное охлаждение AF), поэтому они чувствительны к температуре. Длительное воздействие высокой температуры ускоряет тепловое старение изоляционных материалов, таких как эпоксидная смола и бумага Nomex. Согласно модели старения в IEC 60076-12:2008, скорость старения изоляции экспоненциально возрастает с повышением температуры, примерно удваиваясь при каждом повышении на 6 К, что значительно увеличивает риск пробоя.
• Снижение нагрузочной способности (требуется снижение номинала). Поскольку гармоники выделяют дополнительное тепло, трансформатор больше не может выдавать свою паспортную мощность и должен работать при пониженной нагрузке. Трансформатор, выбранный с той же паспортной мощностью для работы в условиях гармоник, фактически может нести меньшую нагрузку, что снижает коэффициент использования мощности и приводит к потере стоимости активов.
• Усиление вибрации и шума. Гармонические магнитные поля изменяют частотные компоненты магнитострикции магнитопровода и могут вызывать резонанс в конструктивных элементах, что делает трансформатор заметно более шумным, часто с высокочастотным визгом. Длительная вибрация также может ослабить крепежные элементы или деформировать обмотки.

Стратегии снижения воздействия

Ссылки на стандарты

• IEC 60076-12:2008 — Силовые трансформаторы. Часть 12. Руководство по нагрузке для силовых трансформаторов с сухой изоляцией
• IEC 60364-5-54 — Электроустановки низковольтные. Часть 5-54: Выбор и монтаж электрооборудования. Заземляющие устройства и защитные проводники
• IEC 61936-1:2021 — Электроустановки переменного тока напряжением свыше 1 кВ. Часть 1. Общие правила

Резюме

Гармоники являются «невидимым убийцей» трансформаторов с сухой изоляцией: вызываемый ими перегрев ускоряет старение изоляции, причем такое старение носит накопительный и необратимый характер. Ни одна отдельная мера не является достаточной; необходим комплексный подход — в идеале, схема соединения Dyn11 или трансформатор с К-фактором на этапе проектирования, а также правильно настроенные активные фильтры или реакторы в процессе эксплуатации.

Снижение уровня шума не только устраняет угрозы безопасности, но и повышает эффективность эксплуатации и срок службы, обеспечивая стабильность и надежность энергосистемы.

Отредактировано: Leon