Повна Рішення для Покращення Ефективності Передавальних Трансформаторів: Оптимізація Охолодження та Зменшення Втрат у Магнітному Контурі

1. Фон та виклики

З постійним зростанням електричних навантажень та все більш строгими вимогами до стабільної роботи мережі, трансформатори передачі стикаються з серйозними викликами щодо ефективності роботи, контролю підвищення температури та довгострокової надійності. Занадто високі температури працювання пришвидшують старіння ізоляційних матеріалів, скорочують термін служби обладнання та збільшують ризики виникнення аварій. Високі втрати у магнітному контурі (основно втрати на залізо та мідь) зменшують ефективність використання енергії, що призводить до необхідних операційних витрат. Для вирішення двох ключових проблем, які часто зустрічаються у трансформаторах передачі — перевищення температурного режиму та значні втрати у магнітному контурі — формується цей комплексний розв'язок.

2. Цілі розв'язку

• Значне зниження робочих температур: Контроль верхньої масляної температури та температури гарячих точок обмоток в рамках безпечного діапазону роботи.
• Ефективне зниження втрат у магнітному контурі: Спеціальна увага приділяється зменшенню втрат на холостому ходу (втрати на залізо) та втрат при навантаженні (втрати на мідь), що підвищує загальну ефективність роботи.
• Підвищення надійності роботи: Зменшення кількості аварій, спричинених перегрівом та значними втратами, продовження строку служби трансформатора.
• Оптимізація загальної вартості протягом всього життєвого циклу: Покращення економічної ефективності трансформатора за рахунок енергозбереження та зменшення частоти обслуговування.

3. Основні заходи зміншення

Цей розв'язок використовує інтегрований підхід "Контроль втрат на джерелі + Покращена здатність до теплообміну + Точне управління станом":

3.1 Оптимізація та модернізація системи охолодження, покращення ефективності теплообміну (Вирішення проблеми підвищення температури)

• Застосування високоєфективних методів охолодження:
• Примусове повітряне охолодження (OFAF/ODAF): Модернізація існуючих трансформаторів з природним повітряним охолодженням (ONAN) або з примусовим повітряним охолодженням (ONAF), або оснащення нових одиниць високопродуктивними аксіальними вентиляторами. Вибір ефективних, малошумних та стійких до погодних умов вентиляторів разом з інтелектуальним управлінням потоком повітря (наприклад, автоматичне увімкнення/вимкнення в залежності від температури або регулювання швидкості обертання за допомогою частотного преобразовника) для значного підвищення ефективності конвекції повітря на поверхні радіаторів та швидкого відведення тепла.
• Примусове водяне охолодження (OFWF): Пріоритетно для трансформаторів з надзвичайно високою потужністю, одиниць з високим коефіцієнтом навантаження або тих, що працюють в умовах високих температур оточуючого середовища. Обладнані високоєфективними насосами для масла та пластинчастими теплообмінниками для використання високої питомої теплоємності води для ефективного теплообміну. Вимагає підтримуючих систем очистки води (для запобігання утворенню накипу та корозії) та механізмів забезпечення надійності (наприклад, подвійні водяні кола, резервні насоси).
• Теплові трубки для допомоги в охолодженні: Встановлення модулів теплових трубок в критичних точках радіаторів для ефективного проводження та відведення тепла локальних гарячих точок за допомогою принципу фазового переходу.
• Оптимізація конструкції та розташування радіаторів:
• Використання радіаторів з збільшеною поверхнею (наприклад, ребристі, панельні радіатори) та оптимізованими конструкціями каналів потоку.
• Забезпечення гладких каналів потоку охолоджувального середовища (повітря або вода), усунення локальних обмежень потоку та підвищення рівномірності теплообміну.
• (Для повітряного охолодження) Оптимізація розташування вентиляторів та конструкції каналів для забезпечення рівномірного покриття поверхні радіаторів повітряним потоком, мінімізація зон без повітряного потоку.
• Інтелектуальне управління охолодженням:
• Автоматичне регулювання продуктивності системи охолодження (швидкість/кількість вентиляторів, потік масла) на основі реального часу моніторингу температури масла, обмоток та оточуючого середовища. Дозволяє здійснювати охолодження на запит, забезпечуючи ефективність теплообміну при мінімізації витрат енергії допоміжного обладнання.

3.2 Оптимізація матеріалів та конструкції сердечника, зменшення втрат на залізо (Контроль втрат у магнітному контурі)

• Вибір високопродуктивних матеріалів для сердечника:
• Пріоритетність віддається холоднокатаній силикозаводській сталі з високою проникністю та низькими втратами на одиницю (наприклад, HiB сталь) або більш сучасним аморфним сплавам (що мають значні переваги для зменшення втрат на холостому ходу).
• Сувора контроль товщини, рівності та якості ізоляційного покриття силикозаводської сталі для мінімізації втрат на гістерезис та вихрові втрати.
• Оптимізація конструкції та процесів виготовлення сердечника:
• Застосування технік послідовного наслаювання для мінімізації магнітного опору на з'єднаннях, що зменшує додаткові втрати на залізо.
• Точний контроль фактора наслаювання сердечника та сили затискання для забезпечення рівномірного розподілу магнітного шляху та уникнення локального перенасичення.
• (Застосування передових технологій) Дослідження технік, таких як лазерне гравіювання (Laser Scribbling), для подальшої оптимізації магнітної доменної структури матеріалу.
• Оптимізація методів заземлення сердечника та екранування для зменшення втрат у структурних компонентах.

3.3 Оптимізація конструкції обмоток та покращення процесів, зменшення втрат на мідь (Ключовий контроль втрат у магнітному контурі)

• Оптимізація конструкції обмоток та електромагнітного проектування:
• Точне розрахування розподілу ампер-витків, оптимізація форми поперечного перерізу провідників (наприклад, використання неперервно переміщуваних кабелів - CTC або самозакріплених переміщуваних кабелів - TTC) для мінімізації циркуляційних струмів та вихрових втрат.
• Розумний вибір матеріалу провідника (високопровідна бездимка мідь) та густини струму, що ефективно зменшує втрати на пряму опору при виконанні обмежень підвищення температури.
• Оптимізація висоти, діаметра та радіальних розмірів обмоток для контролю витоків магнітного поля та зменшення втрат у структурних компонентах.
• Передові процеси виробництва:
• Забезпечення рівномірної компактності обмоток за допомогою обладнання для намотки з постійним напруженням.
• Застосування передових процесів вакуумного притисного пропитування (VPI) або заливки смолою для забезпечення повного заповнення прогалин ізоляційними матеріалами, підвищення теплопровідності та механічної міцності, що сприяє теплообміну та зменшенню локальних розрядів.

3.4 Моніторинг стану магнітного контуру та проактивне обслуговування (Замкнений цикл управління, забезпечення довгострокової продуктивності)

• Впровадження точного моніторингу стану магнітного контуру:
• Комплексна оцінка здоров'я магнітного контуру за допомогою онлайн-моніторингу (наприклад, аналіз розчинених газів - DGA, високочастотний моніторинг локальних розрядів, моніторинг вібрацій/акустичного шуму, інфрачервона термографія) та офлайн-тестування (періодичне тестування деформації обмоток, втрати на холостому ходу та при навантаженні, тестування струму заземлення сердечника).
• Фокусоване моніторинг: ознаки помилок багатоточкового заземлення сердечника, аномальні коливання втрат, перегрів магнітних екранів та структур затискання.
• Створення механізму профілактичного обслуговування:
• Розробка цільових планів обслуговування магнітного контуру на основі даних моніторингу стану та історії роботи.
• Періодичне перевірку заземлення сердечника та структур затискання: Забезпечення надійного одноточкового заземлення, своєчасне виявлення та виправлення помилок багатоточкового заземлення (що значно збільшують втрати на залізо та призводять до перегріву).
• Перевірка магнітних екранів, стягів та інших структурних компонентів: Перевірка на наявність розболтаності, перегріву або слідів розрядів; своєчасне усунення аномалій.
• При підйомі сердечника/крышки проводити фокусовані перевірки та обслуговування з'єднань ламінаційного сердечника та стану затискання.
• Глибокий діагностичний аналіз виявлених підвищених трендів аномальних втрат для визначення кореневих причин та впровадження коригуючих заходів.

4. Очікувані переваги

• Значне зниження підвищення температури: Робочі температури (особливо температури гарячих точок) очікується, що будуть ефективно контролюватися, зі зниженням, що досягає прогнозованих цілей (наприклад, 15-25%), значно зменшуючи термічний стрес ізоляції.
• Ефективне зниження втрат у магнітному контурі:
• Втрати на залізо (втрати на холостому ходу): очікується зниження на 20-40% за допомогою нових матеріалів та процесів (особливо значно при використанні аморфних сплавів).
• Втрати на мідь (втрати при навантаженні): очікується зниження на 10-25% за допомогою оптимізації проектування обмоток.
• Загальне покращення ефективності на 1-3 процентних пункта, що дає значні економічні переваги та зменшення викидів вуглекислого газу.
• Значне підвищення надійності: Ризики аварій, спричинених перегрівом та аномаліями магнітного контуру, значно зменшуються, що підвищує доступність обладнання та продовжує строк його служби.
• Оптимізація загальної вартості протягом всього життєвого циклу: Незважаючи на можливо більш високі початкові витрати (наприклад, високопродуктивні матеріали, передові системи охолодження), переваги, отримані від довгострокового енергозбереження, зменшення витрат на обслуговування та продовження строку служби, є більш значущими, що забезпечує вигідний коєфіцієнт рентабельності інвестицій (ROI).

5. Область застосування

Цей розв'язок застосовується до нових та вже експлуатаційних маслонаповнених трансформаторів передачі (електроенергії) з напругою 35 кВ та вище. Конкретні заходи можуть бути налаштовані та впроваджені з урахуванням потужності, напруги, умов експлуатації, важливості та поточного стану трансформатора.