Kompleksowe rozwiązanie do zwiększenia wydajności transformatorów liniowych: Optymalizacja chłodzenia i zmniejszanie strat w obwodzie magnetycznym

1. Tło i wyzwania

Z ciągłym wzrostem obciążeń elektrycznych i coraz surowszymi wymaganiami dotyczącymi stabilności działania sieci, transformatory przesyłowe stają przed poważnymi wyzwaniami w zakresie efektywności operacyjnej, kontroli wzrostu temperatury oraz długoterminowej niezawodności. Zbyt wysokie temperatury pracy przyspieszają starzenie się materiałów izolacyjnych, skracają żywotność sprzętu i zwiększają ryzyko awarii. Wysokie straty w obwodzie magnetycznym (głównie straty żelazne i miedziane) obniżają efektywność wykorzystania energii, prowadząc do niepotrzebnych kosztów operacyjnych. Aby rozwiązać dwa podstawowe problemy często występujące w transformatorach przesyłowych – znaczny wzrost temperatury i duże straty w obwodzie magnetycznym – opracowano tę kompleksową strategię.

2. Cele rozwiązania

• Znaczne obniżenie temperatury pracy: Kontrolowanie temperatury oleju na szczycie i gorącej strefy cewki w bezpiecznych granicach pracy.
• Skuteczne obniżenie strat w obwodzie magnetycznym: Skupienie się na redukcji strat bezobciążeniowych (strat żelaznych) i strat obciążeniowych (strat miedzianych), co zwiększa ogólną efektywność operacyjną.
• Wzmocnienie niezawodności działania: Redukcja wskaźników awarii spowodowanych nadmiernym ogrzewaniem i stratami, co przedłuża żywotność transformatora.
• Optymalizacja całkowitych kosztów cyklu życia: Poprawa ekonomicznej efektywności transformatora poprzez oszczędzanie energii i zmniejszenie częstotliwości konserwacji.

3. Kluczowe środki zaradcze

To rozwiązanie przyjmuje zintegrowaną strategię "Kontrola źródła strat + Wzmocnienie zdolności odprowadzania ciepła + Dokładne zarządzanie stanem":

3.1 Optymalizacja i modernizacja systemu chłodzenia, zwiększenie efektywności odprowadzania ciepła (Rozwiązanie problemu wzrostu temperatury)

• Zastosowanie skutecznych metod chłodzenia:
• Przymusowe chłodzenie powietrzem (OFAF/ODAF): Modernizacja istniejących naturalnie chłodzonych powietrzem (ONAN) lub przymusowo chłodzonych powietrzem (ONAF) transformatorów, lub wyposażenie nowych jednostek w wysokowydajne wentylatory osiowe. Wybór wydajnych, niskonakładowych i odporne na warunki atmosferyczne wentylatorów połączonych z inteligentnym sterowaniem przepływem powietrza (np. automatyczne uruchamianie/wyłączanie na podstawie temperatury lub regulacja częstotliwości) znacznie zwiększa efektywność przepływu powietrza na powierzchniach chłodnic i szybko usuwa ciepło.
• Przymusowe chłodzenie olejem wodą (OFWF): Priorytet dla transformatorów o bardzo dużej mocy, jednostek o wysokim współczynniku obciążenia lub działających w wysokich temperaturach otoczenia. Wyposażone w wysokowydajne pompy olejowe i wymienniki ciepła płytkowe, które korzystają z wysokiej ciepłojemności wody do efektywnej wymiany ciepła. Wymaga to wspierających systemów oczyszczania wody (aby zapobiec tworzeniu się osadów i korozji) i mechanizmów zapewniania niezawodności (np. podwójne obwody wodne, rezerwowe pompy).
• Pomocnicze chłodzenie rurą cieplną: Montaż modułów rury cieplnej w kluczowych punktach chłodnic, aby efektywnie przeprowadzać i odprowadzać lokalne ciepło gorących stref za pomocą zasady zmiany fazy.
• Optymalizacja struktury i układu chłodnic:
• Używanie chłodnic o zwiększonej powierzchni (np. chłodnice z blaszkami, panelowe chłodnice) i zoptymalizowanej ścieżce przepływu.
• Zapewnianie płynnej ścieżki przepływu medium chłodzącego (powietrze lub woda), eliminowanie lokalnych ograniczeń przepływu i zwiększanie jednolitości odprowadzania ciepła.
• (Dla chłodzenia powietrza) Optymalizacja położenia wentylatorów i projektu kanałów, aby zapewnić jednolite pokrycie powierzchni chłodnic przez powietrze, minimalizując martwe strefy.
• Inteligentne sterowanie chłodzeniem:
• Automatyczna regulacja wydajności systemu chłodzenia (prędkość/ilość wentylatorów, przepływ pompy olejowej) na podstawie monitorowania w czasie rzeczywistym temperatury oleju, cewki i otoczenia. Umożliwia chłodzenie na żądanie, gwarantując skuteczność odprowadzania ciepła, jednocześnie minimalizując zużycie energii przez urządzenia pomocnicze.

3.2 Optymalizacja materiałów i konstrukcji rdzenia, redukcja strat żelaznych (Kontrola strat w obwodzie magnetycznym rdzenia)

• Wybór materiałów o wysokiej wydajności:
• Priorytet dla płyt silikonowej ze zwojami o wysokiej przenikalności i niskich stratach jednostkowych (np. HiB steel) lub bardziej zaawansowanych stopów amorficznych (ofiarujących znaczne korzyści w zakresie redukcji strat bezobciążeniowych).
• Surowe kontrolowanie grubości, płaskości i jakości pokrycia izolacyjnego płyt silikonowych, aby zminimalizować straty histeresowe i wirujące.
• Optymalizacja projektu i procesów produkcji rdzenia:
• Implementacja technik połączeń stopniowych, aby zminimalizować reluctancję magnetyczną w miejscach połączeń, redukując dodatkowe straty żelazne.
• Dokładna kontrola współczynnika nakładania rdzenia i siły zacisku, aby zapewnić równomierny rozkład ścieżki magnetycznej i uniknąć lokalnego nasycenia.
• (Zastosowanie zaawansowanych technologii) Badanie technik takich jak laserowe srebrzenie, aby dalej optymalizować strukturę domen magnetycznych materiałów.
• Optymalizacja metod zaziemienia rdzenia i ekranowania, aby zredukować straty poboczne w elementach konstrukcyjnych.

3.3 Optymalizacja projektu cewki i procesy produkcji, redukcja strat miedzianych (Kluczowa kontrola strat w obwodzie magnetycznym)

• Optymalizacja struktury cewki i projektu elektromagnetycznego:
• Dokładne obliczanie rozkładu ampere-obrotów, optymalizacja kształtu przekroju przewodnika (np. użycie ciągłych przewodników transponowanych - CTC lub samosklejających się przewodników transponowanych - TTC), aby zminimalizować prądy wirowe i straty wirujące.
• Rozsądny wybór materiału przewodnika (miedź wolna od tlenu o wysokiej przewodności) i gęstości prądu, skutecznie obniżając straty oporowe DC, jednocześnie spełniając ograniczenia wzrostu temperatury.
• Optymalizacja wysokości, średnicy i wymiarów promieniowych cewki, aby kontrolować przeciek indukcji i zredukować straty poboczne.
• Zaawansowane procesy produkcyjne:
• Zapewnienie jednolitej gęstości nawijania przy użyciu urządzeń nawijania o stałym napięciu.
• Stosowanie zaawansowanych procesów impregnacji pod ciśnieniem próżni (VPI) lub lepienia żywicą, aby zapewnić dokładne wypełnienie luk materiałami izolacyjnymi, zwiększając przewodność cieplną i wytrzymałość mechaniczną, co sprzyja odprowadzaniu ciepła i redukowaniu częściowych rozładowań.

3.4 Monitorowanie stanu obwodu magnetycznego i proaktywne utrzymanie (Zamknięta pętla zarządzania, zapewnienie długoterminowej wydajności)

• Implementacja precyzyjnego monitorowania stanu obwodu magnetycznego:
• Kompleksowa ocena kondycji obwodu magnetycznego poprzez integrację monitorowania online (np. analiza gazów rozpuszczonych - DGA, monitorowanie częstotliwościowego częściowego rozładowania, monitorowanie drgań/dźwięków, termografia infraczerwona) i testów offline (okresowe testy deformacji cewki, testy strat bezobciążeniowych i obciążeniowych, testy prądu zaziemienia rdzenia).
• Skupione monitorowanie: oznaki wielopunktowych uszkodzeń zaziemienia rdzenia, nietypowe fluktuacje strat, przegrzewanie ekranów magnetycznych i konstrukcji zaciskowych.
• Ustanowienie mechanizmu prewencyjnego utrzymania:
• Tworzenie celowych planów utrzymania obwodu magnetycznego na podstawie danych monitorowania stanu i historii eksploatacji.
• Okresowe inspekcje zaziemienia rdzenia i konstrukcji zaciskowej: Zapewnienie niezawodnego jednopunktowego zaziemienia, szybkie wykrycie i naprawa uszkodzeń wielopunktowych (co znacznie zwiększa straty żelazne i powoduje przegrzewanie).
• Inspekcja ekranów magnetycznych, zacisków i innych elementów konstrukcyjnych: Sprawdzenie luźności, przegrzewania lub śladów rozładowań, szybkie eliminowanie anomalii.
• Podczas inspekcji podnoszenia rdzenia/pokrywy, przeprowadzanie szczegółowych kontroli i konserwacji połączeń laminacji rdzenia i stanu zacisków.
• Przeprowadzanie głębokiej analizy diagnostycznej wykrytych tendencji wzrostu nietypowych strat, identyfikacja przyczyn podstawowych i wprowadzanie korekty.

4. Oczekiwane korzyści

• Znaczne obniżenie wzrostu temperatury: Temperatury pracy (szczególnie gorące strefy) mają być skutecznie kontrolowane, z obniżeniem dochodzącym do przewidywanych celów (np. 15-25%), znacznie łagodząc naprężenia termiczne starzenia izolacji.
• Skuteczne obniżenie strat w obwodzie magnetycznym:
• Straty żelazne (straty bezobciążeniowe): Przewidywana redukcja o 20-40% dzięki nowym materiałom i procesom (szczególnie znaczna przy użyciu stopów amorficznych).
• Straty miedziane (straty obciążeniowe): Przewidywana redukcja o 10-25% dzięki zoptymalizowanemu projektowi cewki.
• Zwiększenie ogólnej efektywności o 1-3 punkty procentowe, co przynosi znaczne korzyści ekonomiczne i redukcję emisji CO2.
• Znaczne zwiększenie niezawodności: Ryzyko awarii spowodowanych przegrzewaniem i anomalią w obwodzie magnetycznym jest znacznie obniżone, co zwiększa dostępność sprzętu i przedłuża jego żywotność.
• Optymalizacja całkowitych kosztów cyklu życia: Pomimo potencjalnie wyższych początkowych inwestycji (np. materiały o wysokiej wydajności, zaawansowane systemy chłodzenia), korzyści wynikające z długoterminowych oszczędności energetycznych, zmniejszenia kosztów konserwacji i przedłużenia żywotności są bardziej znaczące, co przekłada się na korzystny zwrot z inwestycji (ROI).

5. Zakres zastosowania

To rozwiązanie dotyczy nowo budowanych i eksploatowanych transformatorów przesyłowych (energetycznych) zanurzonych w oleju o napięciu 35kV i wyższym. Specyficzne środki mogą być dostosowane i wdrożone w zależności od mocy, napięcia, środowiska pracy, kluczowości i aktualnego stanu transformatora.