Основные направления развития трансформаторного оборудований связаны с требованиями снижения потерь электроэнергии в трансформаторе, уменьшения габаритов и массы, пожара- и взрывобезопасности, снижения стоимости и экологической чистоты.
Указанные требования реализуются как усовершенствованием технологии изготовления, использованием новых магнитных и изоляционных материалов совершенствованием методов контроля качества и испытаний, так и улучшением эксплуатации.
Электротехнические стали магнитопроводов силовых трансформаторов должны характеризоваться такими свойствами, как низкий уровень шума, малая магнитострикция, небольшая кажущаяся мощность перемагничивания и магнитных потерь. В течение последних лет характеристики электротехнической стали значительно улучшены за счет повышения ориентации, регулирования размеров кристаллов структуры, уменьшения толщины листов до 0,75- 0,87 Вт/кг.
Совершенствование конструкции активной части проводится в следующих направлениях: оптимизации соотношений площадей стержней и ярм магнитопровода; применения оригинальных конструкций косых стыков с нахлесткой; использования витых конструкций магнитопровода; улучшения коэффициента заполнения окна магнитной системы; применения обмоток из фольги.
Большое значение придается и технологии изготовления магнитопроводов. Автоматизация продольного и поперечного раскроя рулонной стали, изготовление пластин без отверстий, с прямым и косым стыком, технология сборки бесшпилечных магнитопроводов с фиксацией стеклобандажами позволили снизить коэффициент увеличения потерь XX в собранных магнитопроводах на 45-50 %.
Одним из основных путей развития пожаробезопасных трансформаторов являются трансформаторы с элегазовым охлаждением. Основные преимущества элегазовых трансформаторов: высокая пожаробезопасность; экологическая чистота; низкий уровень шума (малая звукопроницаемость газа); надежность и малые затраты на эксплуатацию. Элегазовые трансформаторы мощностью до 2500 кВА имеют естественную циркуляцию газа в баке, В более мощных (до 30-40 МВЛ) требуется принудительная циркуляция элегаза и установка наружных вентиляторов для обдува воздухом. В более крупных элегазовых трансформаторах предполагается использовать испарительное или жидкостное охлаждение. Например, в последние разработки заложено четыре технологических принципа: применение элегаза под давлением, использование обмоток из фольги, пленочной полимерной изоляции, отдельной герметичной системы охлаждения.
Перспективной может оказаться конструкция трансформатора с экологически чистой, практически инертной негорючей перфторорганической жидкостью, используемой одновременно как изолирующая и охлаждающая среда. Жидкость обладает свойством высокой текучести, заполняет мелкие полости в элементах конструкции, а в точках особой концентрации потерь, где происходит наибольший местный перегрев активных частей, она переходит в кипящее состояние с особо интенсивным съемом тепловой энергии.
Плотность тока в конструкциях может составлять 50 А/мм, электрическая прочность - до 50 кВ/мм, что позволяет обеспечить нормальный тепловой режим активных частей трансформатора. Уменьшение массогабаритных показателей удается получить при разработке специальной конструкции каждого элемента, адаптированного к применению перфторорганической жидкости.
Распределительные трансформаторы (РТ).
Известно, что стоимость потерь электроэнергии вследствие гистерезиса и вихревых токов в течение службы РТ равна первоначальной стоимости РТ. Использование в РТ сердечника из аморфных магнитных сплавов позволяет снизить потерн в 4 раза. Аморфные сплавы на основе железа, никеля, кобальта, титана, магния, кальция, углерода и других элементов в различных комбинациях не имеют кристаллической структуры. Ленты из аморфных сплавов толщиной 5-50 мкм получают путем непрерывной разливки жидкого металла в виде плоской струи и быстрого (до миллиона градусов в секунду) охлаждения на поверхности вращающегося диска. Этому новому классу материалов свойственны магнитная мягкость, механическая твердость, прочность, высокая коррозионная стойкость и очень низкие магнитные потери. Но они имеют и ряд недостатков. Аморфные сплавы насыщаются при относительно небольших индукциях 1,5-1,6Тл, что требует увеличения массы магнитопровода. Как показывают исследования, производство РТ из аморфных сплавов целесообразно в том случае, если они будут удовлетворять требованиям рабочей индукции В > 1,35 Тл, потерям 0,3 Вт/кг, отсутствию охрупчивания при термообработке. Пока из всего спектра марок аморфных сплавов нет ни одной, которая удовлетворяла бы одновременно всем этим требованиям. Тем не менее многие известные компании освоили промышленное производство РТ.
Малая толщина лент из аморфных сплавов, высокая твердость, относительная хрупкость после термической обработки, необходимой для создания в сердечнике благоприятной магнитной текстуры, чувствительность к напряжениям, обусловленная высокой магнитострикцией, создают определенные трудности при изготовлении РТ. Поэтому обычные конструкции и схемы производства РТ малопригодны. Для решения этой проблемы применяются следующие конструкции магнитопроводов:
- Тороидальная - для трансформаторов и автотрансформаторов относительно малых мощностей. В магнитопровод вматываются обмотки, но используется и технология вмотки ленты магнитопровода в изготовленные обмотки.
- Навитая (стержневые и броневые трансформаторы), где магнитопровод Прямоугольного сечения имеет П-образную форму. Обмотка вматывается вокруг стержней или вокруг двух тороидов броневого обращенного трансформатора.
- Магнитопровод П-образный разрезной. Пакеты верхнего ярма навитого магнитопровода разрезаются с определенным сдвигом так, чтобы после сборки ярма полученные стыки были разнесены в пространстве.
- Шихтованные магнитопроводы, где слои амфорной стали перемежаются со слоями ориентированной текстурованной электротехнической стали, для трансформаторов больших мощностей.
Вопросом охраны окружающей среды и разработкам в области создания малогабаритных трансформаторов также придается большое значение.
В большинстве стран мира эксплуатируются в основном два типа подстанций на среднем напряжении 6-35 кВ столбовые трансформаторные и отдельно стоящие закрытые подстанции. Требованиям экологичности удовлетворяют трансформаторы с кремни органической жидкостью, элегазовой изоляцией и с обмотками, залитыми в смолу. Однако такие трансформаторы имеют большие габариты по сравнению с масляными и более высокую стоимость. Работы по уменьшению массы и габаритов распределительных трансформаторов ведутся в следующих направлениях: улучшение коэффициента заполнения окна магнитной системы; применение обмоток прямоугольной формы; изготовление фольговых обмоток; использование проводов с эмалевым или эпоксидным покрытием; улучшение системы охлаждения.
Для увеличения коэффициента заполнения окна магнитной системы необходимо сократить число катушек, расстояние между ними, расстояние в катушке между слоями, то есть усовершенствовать технологию изготовления, улучшить характеристики изоляции обмоток и провода, улучшить диэлектрические характеристики, и уменьшить вязкость масла.
В настоящее время разработано и изготовлено большое количество изоляционных и синтетических материалов, которые имеют по сравнению с изоляцией из целлюлозы более низкую диэлектрическую постоянную, менее гигроскопичны, стойки к воздействию масла и механическим воздействиям, имеют более высокую рабочую температуру. Наибольшее распространение получила полиамидная бумага (номекс). Различные эмали на основе полиэстра и эпоксидных смол применяются для изоляции проводов трансформаторов небольших мощностей.
Наиболее рациональной признана конструкция, состоящая из фольговой обмотки низкого напряжения, на которой располагается многослойная обмотка высокого напряжения с эмалевыми проводами.
Фольговая обмотка по сравнению со спиральной имеет уменьшенный объем, более устойчива к токам КЗ и проста в изготовлении. Кроме того, плоская форма листов обмотки улучшает теплопередачу и снижает температуру наиболее нагретых точек; потери на вихревые токи в обмотках из фольги минимальны и на порядок меньше, чем в обычных обмотках.
Применение более качественных трансформаторных масел с низкой вязкостью позволяет сократить изоляционные промежутки между активной частью и баком трансформатора и уменьшить ширину каналов охлаждения. В сочетании с гофрированным герметичным баком достигаются минимальная масса и габариты трансформатора.
В области научно-исследовательских работ трансформаторостроения остаются актуальными направления:
- гибкая и точная методика расчета магнитного поля силовых трансформаторов как основа для расчета потерь, динамических усилий, нагревов;
- методика расчета вибрации;
- методика расчета и методы повышения сейсмической стойкости трансформаторов;
- повышение надежности высоковольтных вводов;
- устройства регулирования напряжения под нагрузкой;
- пожаробезопасные трансформаторы;
- трансформаторы с магнитопроводами из аморфных сплавов;
- силовые трансформаторы с элегазовой изоляцией;
- - диагностические устройства, способные интегрироваться в
- современную систему диагностики станций и подстанций;
- - специальное технологическое оборудование, в том числе для производства, монтажа, эксплуатации и ремонта трансформаторов.
