О том, что электрическая энергия и трансформаторы имеют друг к другу отношение, знает, наверное, каждый. Однако только специалисты представляют себе истинную роль «скромных тружеников» современной электроэнергетики. В данной публикации сделана попытка в доступной для неспециалистов форме осветить некоторые этапы в истории развития и совершенствования этих технических объектов.
рис. 1
«Днем рождения» трансформаторов считают 30 ноября 1876 года, когда выдающийся русский электротехник и изобретатель Павел Николаевич Яблочков получил французский патент, в котором был описан принцип действия и способ применения трансформатора.
Это открытие базировалось на достижениях и открытиях других русских ученых-электротехников: В. Петрова (1761-1834 гг.), Э. Ленца (1804-1865 гг.), Якоби Б.С. (1801-1874 гг.).
В развитие и совершенствование конструкции трансформатора, предложенного П. Яблочковым, внесли вклад: русский инженер И. Усагин (1882 г.), англичане Горяр и Гиббс (1885 г.), венгерские инженеры Циперновский, Дери и Блати (1885 г.)
рис. 2
Русский электротехник, создатель техники трехфазного тока М. Доливо- Добровольский в 1890 г. предлагает конструкцию трехфазного трансформатора, который в трехфазной сети позволит заменить три однофазных агрегата. Впоследствии значительную роль в совершенствовании и развитии конструкции трехфазных трансформаторов сыграли англичанин Ферранти, американец Дж. Вестингауз, серб Н. Тесла.
Именно благодаря открытиям и достижениям отечественных ученых в России на рубеже XIX и XX веков была выбрана правильная парадигма — ориентировать дальнейшее развитие электроэнергетики на применение переменного тока высокого напряжения в противовес зарубежным концепциям в пользу постоянного тока и техники низких напряжений.
Началом производства силовых трансформаторов в России можно считать ноябрь 1928 г., когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии — Московский электрозавод). Вскоре продукция завода стала удовлетворять потребности страны в высоковольтных трансформаторах. Уже в предвоенный период завод выпускал мощные силовые трансформаторы напряжением до 220 кВ. Первые советские трансформаторы создавались по образцу трансформаторов фирмы Дженерал Электрик (США) и при участии ее консультанта.
После войны были построены новые предприятия и, прежде всего, Запорожский трансформаторный завод, Тольяттинский электротехнический завод и др. Вскоре эти два завода приняли на себя основную нагрузку по производству высоковольтных силовых трансформаторов для энергетики. Московский электрозавод стал все больше специализироваться на изготовлении силовых трансформаторов для электрических печей, шунтирующих реакторов всех классов напряжения, измерительных трансформаторов напряжения, регулировочных трансформаторов и др.
Изготовление силовых трансформаторов предельных мощностей постепенно сосредотачивалось на Запорожском трансформаторном заводе, а выпуск значительного количества трансформаторов небольшой мощности (до напряжения 20 кВ) — на Минском электротехническом заводе, построенном в конце 50-х годов.
После распада СССР значительное количество трансформаторных мощностей оказалось за пределами России.
рис. 3
Отечественным трансформаторным заводам — ОА ОХК «Электрозавод» (г. Москва), ОАО «Трансформатор» (г. Тольятти), ОАО «Уралэлектротяжмаш» (г. Екатеринбург), ОАО Биробиджанский завод силовых трансформаторов — в новых условиях пришлось внести существенные коррективы в выпускаемую номенклатуру и сбытовую политику, чтобы противостоять в конкурентной борьбе своим недавним партнерам из стран ближнего зарубежья и мощным фирмам Европы и США.
Прогресс трансформаторостроения в ХХ веке как у нас в стране, так и за рубежом в основном характеризовался следующими направлениями:
а) обеспечение повышения предельных параметров трансформаторов в связи с ростом мощности энергосистем и энергоблоков;
б) снижение размеров, массы и потерь энергии в каждом трансформаторе определенной мощности и класса напряжения.
Существенный вклад в развитие теории трансформаторов и методов их проектирования внесли советские ученые Г. Петров, П. Тихомиров и другие. Отечественное трансформаторостроение вышло на очень высокий уровень развития также благодаря деятельности ученых и специалистов таких организаций (кроме отмеченных выше) как Всесоюзный электротехнический институт, Всесоюзный институт трансформаторостроения, Московский энергетический институт, Ивановский энергетический институт и др.
Прогресс в технико-экономических показателях трансоформаторов в первую очередь обусловлен улучшением качества активных и изоляционных материалов, а также конструктивными достижениями, реализуемыми через так называемую параметрическую и структурную оптимизацию. Первая позволяет находить наилучшие значения параметров, вторая — наиболее рациональные конструктивные схемы взаимного расположения деталей и узлов трансформатора.
рис. 4
Как известно, материалы, используемые при производстве трансформаторов, подразделяются на активные, изоляционные и конструкционные. В качестве активных материалов применяются:
• электротехническая сталь — для изготовления магнитопровода;
• медь — для изготовления обмоток.
Одним из основных активных материалов трансформатора является тонколистовая электротехническая сталь. В течение многих лет для магнитных систем трансформаторов применялась листовая сталь горячей прокатки с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм. Качество этой стали постепенно улучшалось, однако удельные потери в ней были высоки.
Появление в конце 40-х годов холоднокатаной текстурованной стали, т.е. стали с определенной ориентировкой зерен (кристаллов), имеющей значительно меньшие удельные потери и более высокую магнитную проницаемость, позволило увеличить индукцию в магнитной системе и существенно уменьшить массу активных материалов при одновременном уменьшении потерь энергии в трансформаторе. Вместе с этим было получено уменьшение расхода остальных материалов — изоляционных, конструкционных, масла и т.д.
Применение холоднокатаной стали позволило также уменьшить внешние габариты и увеличить мощность трансформатора в одной единице, что особенно важно для трансформаторов большой мощности, внешние размеры которых ограничиваются условиями перевозки по железным дорогам.
рис. 5
Одной из существенных особенностей холоднокатаной стали является анизотропия ее магнитных свойств, т.е. различие этих свойств в различных направлениях внутри листа или пластины стали. Наилучшие магнитные свойства (наименьшие удельные потери и наибольшую магнитную проницаемость) эта сталь имеет в направлении прокатки.
Конструкция магнитной системы трансформатора с учетом анизотропии магнитных свойств холоднокатаной стали должна быть выполнена так, чтобы во всех ее частях — стержнях и ярмах — вектор индукции магнитного поля имел направление, совпадающее с направлением прокатки стали.
рис. 6
Существенно улучшить параметры трансформаторов можно посредством перехода на так называемые аморфные стали. Однако технологии подобного перехода пока не отработаны. Отдельные изготовленные за рубежом образцы с магнитопроводами из аморфной стали слишком дороги, что не позволяет пока говорить о ее массовом использовании при производстве трансформаторов.
Другой активный материал трансформатора — металл обмоток — в течение долгого времени не подвергался изменению. Низкое удельное электрическое сопротивление, легкость обработки (намотки, пайки), удовлетворительная стойкость по отношению к коррозии и достаточная механическая прочность электролитической меди сделали ее единственным материалом для обмоток трансформаторов в течение ряда десятилетий. Несмотря на это, относительно малое мировое распространение природных запасов медных руд заставило искать пути замены меди другим металлом, и в первую очередь, алюминием, более широко распространенным в природе.
При переходе на алюминиевые обмотки был решен ряд задач технологического характера, связанных с технологией намотки алюминиевых обмоток, пайкой и сваркой алюминия. В настоящее время все новые серии трансформаторов общего назначения мощностью до 16 000 кВ·А включительно проектируются с алюминиевыми обмотками.
Открытие в 80-х годах проводниковых материалов, обладающих свойством высокотемпературной сверхпроводимости, открыло новые перспективы создания трансформаторов меньших габаритов со сниженными потерями. Удалось преодолеть главное препятствие использования сверхпроводимости: громоздкие криогенные системы для получения жидкого гелия были заменены простыми установками жидкого азота при атмосферном давлении. Именно это направление совершенствования конструкции трансформаторов может рассматриваться в качестве одного из наиболее перспективных.
Главным изоляционным материалом в силовых трансформаторах является трансформаторное масло — жидкий диэлектрик, сочетающий высокие изоляционные свойства со свойствами активной охлаждающей среды и теплоносителя.
В качестве изоляции обмоточного провода (медного или алюминиевого) используется кабельная бумага, которая имеет класс нагревостойкости А. Применение более нагревостойкой изоляции в масляных трансформаторах смысла не имеет, так как именно наличие масла ограничивает предельные температуры. В сухих силовых трансформаторах, где охлаждение обеспечивается воздухом, класс нагревостойкости обмоточной изоляции более высокий (В,F и т.д.).
Основные части трансформатора — это магнитопровод и обмотки. Магнитопровод трансформатора выполняют из листовой электротехнической стали. Перед сборкой листы с двух сторон изолируют. Такая конструкция магнитопровода дает возможность в значительной степени ослабить в нем вихревые токи и в конечном итоге увеличить коэффициент полезного действия. Часть магнитопровода, на которой располагают обмотки, называют стержнем.
В однофазных трансформаторах имеются два стержня (в трехфазных — три) и соединяющих их два ярма (рис. 1).
Стержневая плоскошихтованная конструкция магнитопровода имеет наибольшее распространение, особенно в трансформаторах большой и средней мощности. Достоинства этой конструкции — простота изоляции обмоток, лучшие условия охлаждения, относительная простота ремонта.
рис. 7
Трехфазные трансформаторы обычно выполняют на магнитопроводе стержневого типа с тремя стержнями (рис. 2).
По способу соединения стержней с ярмами различают магнитопроводы стыковые и шихтованные. В стыковых магнитопроводах стержни и ярма собирают раздельно, а затем соединяют посредством крепежных частей. Такая конструкция магнитопровода облегчает посадку обмоток на стержни, так как для этого достаточно снять только верхнее ярмо. Но при шихтовой сборке магнитопровода, когда листы собирают «внахлестку», воздушный зазор в месте стыка стержней и ярем может быть сделан минимальным, что значительно снизит магнитное сопротивление и соответственно уменьшит потери холостого хода. Кроме того, механическая прочность шихтованного магнитопровода намного выше, чем стыкового. Все это привело к тому, что шихтованные магнитопроводы получили в России основное применение. Листы магнитопровода стягивают посредством ярмовых балок, бандажей из стеклоленты и шпилек, изолированных от листов изоляционными шайбами и трубками (рис. 3).
Форма поперечного сечения стержней обычно многоступенчатая, причем число ступеней зависит от мощности трансформатора. Ступенчатое сечение стержней обеспечивает лучшее использование площади внутри обмотки, так как периметр ступенчатого стержня приближается к окружности. В трансформаторах большой мощности для улучшения теплоотдачи между пакетами стали магнитопровода устраивают вентиляционные каналы.
Обмотки трансформаторов выполняют из проводов круглого и прямоугольного сечения, которые, как указывалось выше, изолируются кабельной бумагой.
Наиболее распространены концентрические катушечные (непрерывные, винтовые) обмотки (рис. 4).
При этом обычно ближе к стержню располагают обмотку низкого напряжения (НН), так как она требует меньшей электрической изоляции от заземленного стержня, а затем обмотку высокого напряжения (ВН). Между обмотками делается вертикальный канал, в котором располагается изоляционный цилиндр из электрокартона, а также происходит циркуляция масла.
В комплект обмотки входят также отводы для присоединения к вводам, размещаемым на крышке трансформатора, ответвления для регулирования напряжения, емкостные кольца и электростатические экраны емкостной зашиты от перенапряжений.
рис. 8
Непрерывная обмотка состоит из катушек, соединенных между собой последовательно. Катушки наматываются прямоугольным проводом, располагаемым «плашмя».
Характерной особенностью непрерывной обмотки является выполнение так называемых перекладных катушек.
Между катушками размещаются прокладки из электрокартона, создающие горизонтальные каналы для охлаждения обмотки. Эти прокладки укрепляются на вертикальных рейках посредством специального выреза в виде «ласточкина хвоста».
Трехфазный силовой двухобмоточный трансформатор схематично можно представить следующим образом (рис. 5).
Магнитопровод трехфазного трансформатора образует как бы два «окна», которые так и принято называть. Для упрощения обычно ограничиваются представлением расположения в окне только одной фазы, предполагая, что другая фаза в этом окне располагается симметрично, а в соседнем — аналогично (рис. 6).
Силовой трансформатор может иметь несколько обмоток. Обычно речь идет о трехобмоточных трансформаторах, когда кроме обмоток НН и ВН появляется еще обмотка СН среднего напряжения. Эти обмотки считаются основными, и именно по их количеству определяется вид трансформатора: двухобмоточный или трехобмоточный. Кроме основных в трансформаторе могут быть регулировочные обмотки, с помощью которых обеспечивается регулирование напряжения под нагрузкой (схема РПН). В основных обмотках СН или ВН могут быть участки, посредством которых обеспечивается регулирование напряжения с отключением трансформатора. Это так называемая схема ПБВ — переключение без возбуждения.
Наиболее распространенные схемы расположения обмоток в окне магнитопровода мощных трансформаторов приведены на рис. 7.
а — двухобмоточный трансформатор с вводом в середину обмотки ВН; б — двухобмоточный трансформатор с расщепленной обмоткой ВН; в — двухобмоточный трансформатор с регулированием напряжения без возбуждения (ПБВ); г — трехобмоточный трансформатор с регулированием напряжения в обмотках СН (ПБВ) и ВН (РПН); д — двухобмоточный трансформатор с регулированием напряжения (РПН) в виде специальной регулировочной обмотки (РО).
Кроме обмоток и магнитопровода, которые в совокупности образуют активную часть трансформатора, в его состав входят другие узлы и блоки: бак, система охлаждения, вводы и др.
Общий вид трехфазного силового масляного трансформатора класса напряжения 220 кВ представлен на рис. 8.
На текущий момент производство силовых трансформаторов отечественными предприятиями обеспечивается в следующем спектре:
• силовые трансформаторы общего назначения мощностью до 400 MB·А и напряжением до 525 кВ (ОА ОХК «Электрозавод»);
• силовые трансформаторы мощностью до 400 MB·А, напряжением до 525 кВ (ОАО «Трансформатор»);
• силовые трансформаторы общего назначения мощностью до 125 MB·А и напряжением до 220 кВ (ОАО «Уралэлектротяжмаш»);
• распределительные трансформаторы мощностью до 6300 кВ·А и напряжением до 35 кВ (ОАО «Биробиджанский завод силовых трансформаторов»).
