Трансформаторы

Потребность дореволюционной России в электрооборудовании, в том числе в трансфор­маторах, была невелика и удовлетворялась не­сколькими универсальными электротехниче­скими заводами — филиалами иностранных фирм. Мощность выпускавшихся в то время трансформаторов ограничивалась сотнями кило­вольт-ампер в единице при напряжении 6 кВ и только в отдельных случаях достигала 1000 кВ • А при напряжении 35 кВ.

Принятый в России в декабре 1920 г. план электрификации (ГОЭЛРО) поставил вопрос о производстве отечественного оборудования, в том числе и трансформаторов.

В 1928г., когда в Москве вступил в строй спе­циализированный трансформаторный завод Мо­сковский электрозавод (МЭЗ) им. В.В. Куйбы­шева (в настоящее время ОЛО холдинговая ком­пания «Электрозавод»), начинает свою историю отечественное трансформаторостроения.

В 1928—1929 гг. на МЭЗ началось серийное производство трансформаторов класса напряже­ния 35 кВ мощностью до 5600 кВ • Л, а в 1931 г. был построен первый в стране силовой трехфаз­ный трансформатор мощностью 2500 кВ • А на напряжение 110 кВ. Помимо силовых транс­форматоров завод изготовлял специальные трансформаторы для электрических печей с вто­ричными токами 30—40 кА, взрывозащищенные — для шахт, измерительные трансформаторы напряжения до 110 кВ и т.д. В 1938 г. были по­ставлены трансформаторы для первой в СССР линии электропередачи 220 кВ Свирская ГЭС— Ленинград. Повышающие однофазные транс­форматоры, составляющие трехфазную группу 3х46 МВ • А напряжением 220 кВ, были самыми мощными в довоенные годы.

Рис. 6.17, Однофазные измерительные трансформаторы напряжении а — типа ЗНОМ-35 конструкции 1954 и 1966 гг.; б— типа НОКЭ-10 с литой изоляцией на эпоксидной смоле и типа НОМ-10

В 1935—1940 гг. были разработаны и освое­ны конструкции сложных трансформаторов мощностью до 31 500 кВ • А с регулированием напряжения под нагрузкой; трансформаторов мощностью до 15 000 кВ ∙А с вторичными тока­ми до 70 кА для питания электрических печей; измерительных трансформаторов напряжения на рабочее напряжение 220 кВ, выполненных каскадными в фарфоровых чехлах; испытатель­ных трансформаторов на 500 кВ.

Обширные комплексные исследования про­водились МЭЗ в тесном содружестве с Все­союзным электротехническим институтом (ВЭИ). Большой научно-технический вклад в разработку теоретических и практических во­просов трансформаторостроения внесли в этот период Г.В, Алексенко, Н.И. Булгаков, Б.Б. Гельперин, Э.А. Манькин, Г.Н. Петров, А.В. Сапожников и др.

На основе систематических исследований в области изоляции и перенапряжений была предложена и внедрена в 1938—1939 гг. емкост­ная система защиты обмоток напряжением 110—220 кВ, позволившая обеспечить импульс­ную прочность обмоток при атмосферных пере­напряжениях. За разработку и внедрение в про­изводство конструкций ряда трансформаторов группа инженеров МЭЗ была удостоена Госу­дарственной премии.

В тяжелые годы Великой Отечественной вой­ны трансформаторостроение продолжало разви­ваться, хотя и более медленными темпами. Трансформаторы выпускались в основном на МЭЗ и свердловском заводе «Уралэлектроаппарат».

В первые послевоенные годы количествен­ный выпуск трансформаторов в СССР быстро достиг довоенного уровня, при этом повышался технический уровень трансформаторного обору­дования, совершенствовалась конструкция, рос­ли предельные мощности и напряжения, создава­лись новые виды трансформаторов и реакторов, разрабатывались серии, превосходившие дово­енные по технико-экономическим показателям.

В военные и первые послевоенные годы бы­ли разработаны конструкции большинства типов измерительных трансформаторов напряжения в широком диапазоне классов напряжения — от 6 до 220 кВ, (рис. 6,17).

В 1949 г. был выпущен первый трансформа­тор на крупнейшем Запорожском трансформа­торном заводе (ЗТЗ); в 1960 г, первую продук­цию выпустил Тольяттинский электротехниче­ский завод; расширялись МЭЗ и завод «Уралэлектротяжмаш». В 50—60-е годы созданы но­вые заводы по производству трансформаторов на Кавказе, в Средней Азии, на Дальнем Восто­ке, Украине и в Белоруссии. Совершенствование трансформаторного оборудования осуществля­лось на основе теоретических, научно-техниче­ских и прикладных исследований ведущих элек­тротехников и энергетиков страны: Ю.Б. Боро­дулина, А.Г. Крайза, В.А. Трапезникова, П.М. Тихомирова. Л.М, Шницера и др.

В этот же период начался переход к широко­му внедрению трехфазных трансформаторов с высшим напряжением 110 кВ и более взамен групп из трех однофазных. Трехфазные транс­форматоры имели более низкие потери, это по­зволило достичь также экономии материалов, удешевить сооружения подстанций, снизить рас­ходы на перевозку и монтаж.

Рис. 6.18. Сердечник однофазною шунтирующего реактора мощностью 50 МВ • Л на напряжение 400 кВ для линии электропередачи Куйбышевская ГЭС — Москва (1955 г.)

Большая работа проведена по освоению хо­лоднокатаной текстурованной электротехниче­ской стали, имеющей более низкие удельные по­тери и намагничивающую мощность, что позво­лило значительно снизить потери и массу актив­ной стали и масла.

В 1956—1957 гг. на «Армэлектрозаподе» (Армения) при участии МЭЗ была спроектиро­вана серия трансформаторов мощностью до 560 кВ • А на напряжение 6 и 10 кВ, в которой на базе применения холоднокатаной стали снижены потери в сравнении с аналогичными ранее выпускавшимися трансформаторами и на 20—30 % уменьшены масса активной стали и масла.

В 1949 г. на МЭЗ возобновились исследова­тельские и конструкторские работы по созданию трансформаторного оборудования на напряже­ние 400 кВ. Над этой проблемой работали также инженеры ЗТЗ и ВЭИ. Весь комплекс трансфор­маторного оборудования на напряжение 400 кВ — в то время самого высокого в мире рабочего напряжения электропередачи — был создан на основе исследований, выполненных отечествен­ными инженерами и учеными. В комплекс вхо­дили трансформаторы на 400 кВ, агрегаты для регулирования под нагрузкой, шунтирующие реакторы для компенсации емкостных токов в ли­нии на напряжение 400 кВ (рис- 6. 18).

Рис. 6.19. Трансформатор типа ТЦ-200000/500

Результа­ты проведенных исследований были использова­ны в дальнейшем при разработке трансформато­ров для линий электропередачи на напряжении 500 кВ (рис. 6.19).

В 1955 г. на МЭЗ и ЗТЗ были спроектированы и в 1956 г. изготовлены первые однофазные трехобмоточные автотрансформаторы класса напряжения 220 кВ групповой мощностью 3х40 и 3х80 МВ • А, а к 1958 г. суммарная мощность изготовленных автотрансформаторов достигла 8,5 млн. кВ • А. Применение автотрансформато­ров взамен трансформаторов позволило значи­тельно снизить расход активных материалов (ме­ди и стали), трансформаторного масла и других материалов, а также уменьшить потери электро­энергии.

В послевоенный период началось освоение производства комплексных трансформаторных понижающих подстанций, полностью собирае­мых и испытываемых на заводе-изготовителе. При установке таких подстанций в центрах на­грузки обеспечивается значительное снижение стоимости низковольтных сетей и потерь в них, объема монтажных работ на месте установки, высвобождаются полезные площади.

Рис. 6.20. Комплектная трансформаторная подстанция наружной установки типа КТПН-1000

МЭЗ с 1950 г. начал серийный выпуск комплектных подстанций с одним или двумя трансформатора­ми мощностью до 100 кВ • А (сухими, масляны­ми или заполненными синтетическим жидким диэлектриком).

Позднее производство комплектных транс­форматорных подстанций было освоено и дру­гими заводами, а в настоящее время более 20 % силовых трансформаторов мощностью до 1000 кВ • А на напряжение 6 и 10 кВ (со вторич­ным напряжением 220 и 380 В) поставляются в виде комплектных подстанций (рис. 6.20).

Большой объем исследовательских работ был выполнен на МЭЗ и ЗТЗ по созданию ком­плекса оборудования для опытно-промышлен­ной линии электропередачи постоянного тока Волгоград-—Донбасс напряжением ±400 кВ и мощностью 720 МВт; при этом были обеспечены высокая надежность изоляции схемных обмоток, связанных с преобразователями, и их электроди­намическая стойкость. Была разработана конст­рукция одного из ответственных элементов пре­образовательного оборудования — линейного реактора типовой мощностью 160 МВ • А (на ток 900 А и индуктивность 1 Гн) (рис. 6.21), а также специальное оборудование: групповые и инди­видуальные изолирующие трансформаторы соб­ственных нужд (рис. 6,22); импульсные транс­форматоры для питания вентилей; измеритель­ные трансформаторы постоянного напряжения ±200 кВ и ±400 кВ и реакторы — фильтровые, высокочастотные, токоограничивающие.

Период 1959—1967 гг. характеризовался:

бурным, ростом выпуска трансформаторов, в первую очередь крупных и предельных мощно­стей. В 1960 МЭЗ выпустил первые автотрансформаторы класса напряжения 220 кВ со встро­енной в нейтраль регулировочной обмоткой и аппаратурой регулирования под нагрузкой.

Рис. 6.21. Линейный реактор дли передачи элек­троэнергии постоянным током ±500 кВ

Внедрение встроенного (РПН) дало возможность отказаться от вольтодобавочных агре­гатов, обеспечив при этом значительную эконо­мию активных материалов и снижение потерь энергии.

Рис. 6.22. Изолирующий трансформатор ИИ-110

Рис. 6.23. Автотрансформатор АТДЦТН-200000/330 с РПН в линии на стороне напряжения 110 кВ

Освоенные Всесоюзным институтом трансформаторостроения (ВИТ. Запорожье) и ЗТЗ бы­стродействующие переключающие устройства класса напряжения 110 кВ с активными токоограничивающими сопротивлениями позволили выполнить РПН на стороне 110 кВ. что наиболее эффективно в достаточно распространенных ав­тотрансформаторах 220/110 кВ (рис. 6.23).

Рис 6.24. Однофазный шунтирующий реактор мощностью 55 Мвар на напряжение 500 кВ конструкции 1966 г. (без сердечника, с наружной магнитной системой, охватывающей обмотку)

Большим достижением трансформаторостроения стала разработка в середине 60-х годов мощных автотрансформаторов класса напряже­ния 750 кВ. Для систем напряжением 750 кВ не­обходимы шунтирующие реакторы, мощность которых превышает мощность установленных трансформаторов (соотношение мощностей при­мерно 2—2,5 квар/(кВ • А). На основе ранее спроектированного однофазного высоковольт­ного шунтирующего реактора мощностью 55Мвар па напряжение 500 кВ (рис. 6.24) МЭЗ изготовил шунтирующий реактор на напряже­ние 750 кВ, который, как и аналогичный на на­пряжение 500 кВ, позволил добиться уменьше­ния расхода материалов и габаритов за счет ори­гинальной конструктивной схемы. Для линии напряжением 750 кВ на МЭЗ был разработан из­мерительный емкостный трансформатор напря­жения типа НДЕ -750 (рис. 6.25).

В эти годы был достигнут значительный рост предельных мощностей трансформаторов; так, в 1968 г. на ЗТЗ был выпущен однофазный трансформатор мощностью 417 МВ • А класса напряжения 500 кВ. Трехфазная группа из таких трансформаторов мощностью 1250 МВ∙А служит для питания от двух генераторов по 500 МВт.

Рис. 6.25. Емкостный трансформатор напряжения

Необходимость использования в полной мере свойств холоднокатаной текстурованной электротехнической стали поставила в эти годы ряд специальных требований к конструкции и технологии изготовления магнитопроводов. Одним из мероприятий, позволивших умень­шить потери и ток холостого хода в трансформа­торах, стал отказ от отверстий в пластинах для прессовки стержней и ярем («бес шпилечная» прессовка) (рис. 6.26, 6.27).

Определяющей тенденцией в последующие годы явилось повышение единичных мощностей и напряжений трансформаторов.

После испытаний и исследований автотранс­форматора мощностью 210 МВ∙А на напряже­ние 1150/500 кВ (рис. 6.28), установленного на высоковольтной линии 1150 кВ, на ЗТЗ в 1975 г. был разработан автотрансформатор групповой мощностью 2000 МВ • А на напряжение 1150 кВ.

Опыт эксплуатации на линии электропереда­чи 750 кВ позволил освоить серийное производ­ство трансформаторного оборудования на на­пряжение 750 кВ, разработать и изготовить од­нофазные автотрансформаторы групповой мощ­ностью 1000 и 1250 МВ • А напряжением соот­ветственно 750/330 и 750/500 кВ с регулирова­нием под нагрузкой, используемые в мощных энергетических блоках ряда атомных электро­станций европейской части страны. Серийно выпускается трансформаторное оборудование для энергетических блоков мощностью 800— 1200 МВт (рис. 6.29) напряжением 330 и 500 кВ.

Рис. 6.26. Магнитопровод трансформатора типа ТЦ-630000/220 с металлическими бандажами

Рис. 6.27. Бесшпилечный магнитопровод трансформатора типа ТРДН-63000/110

В 1975 г. созданы первые образцы трансфор­маторного оборудования для линий электропе­редачи постоянного тока ±750 кВ, что явилось результатом целого комплекса научно-исследо­вательских, опытно-конструкторских и техноло­гических работ в области электрической изоля­ции, электромагнитных и тепловых нагрузок. Проведение исследований и испытаний транс­форматорного оборудования для высоковольт­ной линии постоянного тока (± 750 кВ) стало возможным после ввода экспериментального комплекса на высокие напряжения в ВИТ; здесь же проводились испытания на более высокие на­пряжения, в частности ± 1250 кВ постоянного тока и 1800 кВ переменного тока.

Рис. 6.28. Однофазный трансформатор мощностью 210 МВ ∙ А на напряжение 1150/500 кВ для опытного участка линии электропередачи 1150 кВ переменного тока

В 70—80-х годах создана серия быстродействующих переключающих устройств для транс­форматоров с регулированием напряжения под нагрузкой с активными токоограничивающими сопротивлениями на напряжение 330 кВ и токи до 2000 А. В эти же годы проводились испыта­ния трансформаторов с контактно-тиристорным переключающим устройством, а также исследо­вания по созданию бесконтактных переключающих устройств.

В 1989 г. в Запорожье изготовлен и испытан сверхмощный блочный трансформатор типа ТНЦ-1000000/220 для Нижневартовской ГРЭС, спроектированный с учетом работы в холодном климате (специальное покрытие на баке, который выполнен из морозостойкого материала). Результаты тепловых испытаний, комплекс для опытного участка линии электропередачи технологических усовершенствований, новые способы изготовления изоляционных деталей из электрокартона позволили сократить размеры изоляционных промежутков, что дало возмож­ность существенно повысить коэффициент за­полнения обмоток в окне магнитопровода; раз­работка оптимальных схем шихтовки магнитопроводов и конструкции их крепления дала воз­можность снизить потери холостого хода на 15—20%.

Рис. 6.29. Блочный трехфазный трансформатор мощностью 630 МВ ∙А на напряжение 330 кВ для Ленинградской АЭС

Глубокие исследования электромагнитных явлений в трансформаторах и реакторах позво­лили разработать надежные методы расчета и снижения добавочных потерь от магнитных полей рассеяния, исключать местные перегревы в элементах конструкции и повысить эксплуата­ционную надежность. В 70—80-х годах внесен большой вклад в достижение динамической стойкости мощных трансформаторов, что явля­ется одной из самых актуальных проблем совре­менного трансформаторостроения; усовершен­ствованы методы расчета прочности и устойчи­вости обмоток, внедрен ряд технологических и конструктивных мер, обеспечивших повышение стойкости трансформаторов к воздействию уси­лий при коротких замыканиях в эксплуатации.

Постоянное повышение технического уровня силовых трансформаторов достигнуто за счет применения трансформаторной стали с улуч­шенными характеристиками; внедрения транс­понированных и многожильных проводов, что упрощает и ускоряет намотку обмоток при одно­временном снижении добавочных потерь в них;

внедрения новых марок трансформаторных ма­сел с улучшенной стабильностью и повышен­ным сроком службы и целого ряда других науч­но-технических решений.

а) б)

Рис. 6.30. Трехфазный сухой защищенный транс­форматор мощностью 25 кВ∙А с пространст­венной магнитной системой

а — общий вид; б — пространственный трехфазный навитый магнитопровод

На основе комплексной разработки конст­рукции, технологических процессов и специаль­ного оборудования разработана серия трансфор­маторов I, II габаритов (до 1000 кВ∙А) с про­странственной конструкцией магнитопровода и использованием электротехнической фольга и ленты для обмоток (рис 6.30.).

Необходимое для современной энергетики преобразование переменного тока в постоянный наиболее целесообразно производить с по­мощью статических преобразовательных агрега­тов, в состав которых входит трансформаторное оборудование: силовые преобразовательные трансформаторы, уравнительные и токоограничивающие реакторы, дроссели насыщения и др. Основными потребителями преобразовательных установок являются электролизные производст­ва в цветной металлургии и химической промышленности, тиристорный электропривод про­катных станов в черной металлургии; электри­фицированный транспорт; электротермия и т.д. Преобразовательные установки (рис.6.31) широ­ко внедряются в современные технологические процессы (плазмотронная и электронно-лучевая плавка, электрохимическая обработка металлов и др.). Для этих целей разработаны, в частности, трансформаторы типа ТЦНП-40000/10 на ток 50 кА и напряжение 850 В для химической промышленности; ТЦНП-80000/20 на ток 63 кА и напряжение 850 В для цветной металлургии, сухие трансформаторы типа ТСЗП мощностью до 1600 кВ∙А для метрополитена.

Рис. 6.31. Высоковольтный преобразовательный агрегат для питания электрофильтров газоочистки

Освоены и серийно выпускаются специальные трансформаторы, предназначенные для питания электропечей различного назначения: дуговых сталеплавильных, руднотермических, индукционных плавильных, печей электрошлакового переплава, по выплавке корунда и т.д. (рис. 6.32.)

Несмотря на сложности, связанные с распадом в 1991 г. СССР, трансформаторостроение России продолжает развиваться, обеспечивая потребности энергетики. Наиболее важными направлениями дальнейших исследований являются: рост номинальных мощностей и напряжений;

Рис. 6.32. Электропечной трансформатор

уменьшение потерь энергии в силовых трансформаторах; уменьшение их размеров и массы; повышение надежности; динамическая стойкость обмоток при коротких замыканиях. Решение этих проблем потребует преодоления значительных трудностей, связанных с ограничениями по габаритам и массе при транспортировке трансформаторов предельных мощностей, изучения и освоения материалов, способных заменить традиционно используемые в трансформаторостроении. Поэтому уже в настоящее время разрабатываются железнодорожные транспортеры повышенной грузоподъемности; рассматриваются возможности перевозки трансформаторов водным путем, что снимет ограничения по габаритам и массе.

Большое внимание уделяется перспективам улучшения электромагнитных характеристик электротехнических сталей и повышению уровня автоматизации производства магнитопроводов, включая дальнейшее внедрение витых пространственных магнитопроводов.

Дальнейшее увеличение единичных мощностей силовых трансформаторов может быть достигнуто при использовании сверхпроводниковой технологии, исследования которой ведутся уже длительное время; перспективными являются также интенсивные исследования по созданию трансформаторов с газоиспарительной системой изоляции и охлаждения.

В последнее время получил развитие новый класс магнитных материалов — аморфные сплавы, которые по оценкам специалистов могут снизить потери энергии в сердечниках до 70%. Значительное снижение потерь холостого хода при применении сталей требует расширения исследований с целью получения материала с нужными параметрами, а также разработки технологии изготовления магнитопроводов из них.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ДЛЯ РЕФЕРАТОВ 18-29

6.7. Рюденберг Р. Явления неустановившегося режима в электрических установках. М.: ГОНТИ, 1931.

6.8. Ковач К. П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М.: Госэнер-гоизяат, 1963.

6.10. Горев А.А. Основные уравнения неустано­вившегося режима синхронной машины // Труды ЛПИ. 1936.

6.11. Петров Г.Н. Трансформаторы. М.: ОНТИ, 1934.

6.12. Крон Г. Применение тензорного анализа в электротехнике. М.: Госэнергоиздат, 1955.

6.13. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного то­ка. М.—Л.: Изд-во АН СССР, 1962.

6.14. Городский Д.А. Теория электрических процессов в синхронных машинах // Вест­ник электропромышленности, 1942. № 6.

6.15. Грузов Л.Н. Методы математического исследования -электрических машин. М.—Л.: Госэнергоиздат, 1953.

6.17. Копылов И.П. Электромеханические пре­образователи энергии. М.: Энергия, 1973.

6.18. Вудсон ГГ. Электромеханиче­ское преобразование энергии. М.: Энергия, 1964.

6.19. Лютер Р.А. Теория переходных режимов синхронной машины с применением опе­раторного анализа. Л., 1939.

6.20. Урусов И.Д. Линейная теория колебаний синхронной машины. М.-Л.: Изд-во АН СССР. 1960.

6.21. Щедрин Н.Н. Токи короткого замыкания высоковольтных систем. Л.-М.: ОНТИ, 1935.

6.22. Страхов С.В. Переходные процессы в электрических цепях, содержащих машины переменного тока. М,—Л.: Гос­энергоиздат, 1960.

6.23. Янко-Триницкий А.А. Новый метод ана­лиза работы синхронных двигателей при резконеременных нагрузках. М.—Л.: Госэнергоиздат, 1958.

6.24. Важное А.И. Переходные процессы в ма­шинах переменного тока. Л.: Энергия, 1980.

6.25. Трещев И.И. Электромеханические про­цессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия, 1980.

6.26. Веников В.А. Электромеханические пере­ходные процессы в электрических систе­мах. М.—Л,: Госэнергоиздат, 1958.

6.27. Иванов-Смоленский А.В. Электромаг­нитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование. М.: Энергия. 1969.

6.28. Л.Г. О переходных процес­сах в синхронных машинах с успокоитель­ными контурами на роторе // Электричество 1957 №7.

6.29. Глебов И.А., Шулаков Н.В., Крутяков Е.А. Проблемы пуска сверхмощных синхрон­ных машин. Л.: Наука, 1988.

6.30. Копылов И.П. Электромагнитная Вселенная. М.: Изд-во МЭИ, 1995.

Дата добавления: 2014-12-25