Комплексное решение для повышения производительности трансформаторов передачи: оптимизация охлаждения и уменьшение потерь в магнитном контуре

1. Фон и проблемы

С постоянным ростом электрических нагрузок и все более строгими требованиями к стабильной работе сети, трансформаторы передачи сталкиваются с серьезными вызовами в отношении эффективности работы, контроля температурного режима и долгосрочной надежности. Избыточные рабочие температуры ускоряют старение изоляционных материалов, сокращают срок службы оборудования и увеличивают риск отказов. Высокие потери магнитного контура (в основном железные и медные потери) снижают эффективность использования энергии, приводя к ненужным эксплуатационным затратам. Для решения двух ключевых проблем, часто встречающихся в трансформаторах передачи—избыточный нагрев и значительные потери магнитного контура—разработано это комплексное решение.

2. Цели решения

• Значительное снижение рабочих температур: Контроль температуры верхнего масла и горячих точек обмотки трансформатора в пределах безопасных рабочих диапазонов.
• Эффективное снижение потерь магнитного контура: Акцент на снижение потерь холостого хода (железные потери) и потерь под нагрузкой (медные потери), повышая общую эффективность работы.
• Улучшение эксплуатационной надежности: Снижение частоты отказов, вызванных перегревом и избыточными потерями, продление срока службы трансформатора.
• Оптимизация общей стоимости жизненного цикла: Улучшение экономической эффективности трансформатора за счет экономии энергии и снижения частоты обслуживания.

3. Основные меры по снижению рисков

Это решение использует интегрированную стратегию "Контроль источников потерь + Усиление способности к теплоотдаче + Точное управление состоянием":

3.1 Оптимизация и модернизация системы охлаждения, повышение эффективности теплоотдачи (решение проблемы нагрева)

• Применение высокоэффективных методов охлаждения:
• Принудительное воздушное охлаждение (OFAF/ODAF): Модернизация существующих естественно-воздушных (ONAN) или принудительно-воздушных (ONAF) трансформаторов, либо оснащение новых единиц высокопроизводительными осевыми вентиляторами. Выбор эффективных, малошумных и устойчивых к погодным условиям вентиляторов в сочетании с интеллектуальным управлением потоком воздуха (например, автоматическое включение/выключение на основе температуры или регулирование частоты вращения) для значительного улучшения эффективности конвекции воздуха на поверхности радиаторов и быстрого удаления тепла.
• Принудительное водяное охлаждение масла (OFWF): Приоритетно для сверхмощных трансформаторов, единиц с высокой степенью загрузки или работающих при высоких температурах окружающей среды. Оборудовано высокопроизводительными масляными насосами и пластинчатыми теплообменниками для использования высокой удельной теплоемкости воды для эффективного теплообмена. Требуется поддерживающая система очистки воды (для предотвращения образования накипи и коррозии) и механизмы обеспечения надежности (например, двойные водяные контуры, резервные насосы).
• Тепловые трубки для охлаждения: Установка модулей тепловых трубок в критических точках радиаторов для эффективного проведения и рассеивания локального тепла горячих точек по принципу фазового перехода.
• Оптимизация структуры и размещения радиаторов:
• Использование радиаторов с увеличенной площадью поверхности (например, ребристые, панельные радиаторы) и оптимизированными конструкциями каналов.
• Обеспечение гладких каналов для охлаждающей среды (воздух или вода), устранение местных ограничений потока и улучшение равномерности теплоотдачи.
• (Для воздушного охлаждения) Оптимизация расположения вентиляторов и конструкции каналов для обеспечения равномерного покрытия поверхности радиаторов, минимизации зон без движения воздуха.
• Интеллектуальное управление охлаждением:
• Автоматическая регулировка выхода системы охлаждения (скорость/количество вентиляторов, расход масла насоса) на основе реального времени мониторинга температуры масла, температуры обмотки и температуры окружающей среды. Достижение охлаждения по требованию, гарантирующее эффективность теплоотдачи, одновременно минимизируя потребление энергии вспомогательным оборудованием.

3.2 Оптимизация материала и конструкции сердечника, снижение железных потерь (контроль потерь магнитного контура)

• Выбор высокопроизводительных материалов сердечника:
• Приоритетное использование высокопроницаемых, низкопотерьных холоднокатаных силиконовых сталей (например, HiB сталь) или более современных аморфных сплавов (предлагающих значительные преимущества для снижения потерь холостого хода).
• Строгое контроль толщины, плоскостности и качества изоляционного покрытия силиконовых стальных листов для минимизации потерь гистерезиса и вихревых токов.
• Оптимизация конструкции и производственных процессов сердечника:
• Применение техники ступенчатого наложения для минимизации магнитного сопротивления в соединениях, снижения дополнительных железных потерь.
• Точное управление коэффициентом заполнения сердечника и силой зажима для обеспечения равномерного распределения магнитного пути и предотвращения локальной перенасыщенности.
• (Применение передовых технологий) Исследование таких методов, как лазерная гравировка (Laser Scribbling), для дальнейшей оптимизации структуры магнитных доменов материала.
• Оптимизация методов заземления сердечника и экранирования для снижения паразитных потерь в конструктивных элементах.

3.3 Оптимизация конструкции и улучшение процессов намотки, снижение медных потерь (контроль ключевых потерь магнитного контура)

• Оптимизация конструкции и электромагнитного дизайна обмотки:
• Точное расчет ампер-оборотного распределения, оптимизация формы поперечного сечения проводника (например, использование непрерывно переключаемых кабелей - CTC или самосвязывающихся переключаемых кабелей - TTC) для минимизации циркуляционных и вихревых токов.
• Разумный выбор материала проводника (высокопроводящая бескислородная медь) и плотности тока, эффективное снижение потерь постоянного сопротивления, при этом соблюдая ограничения по нагреву.
• Оптимизация высоты, диаметра и радиальных размеров обмотки для контроля утечки магнитного потока и снижения паразитных потерь.
• Передовые производственные процессы:
• Обеспечение равномерной плотности намотки с использованием оборудования для намотки под постоянным натяжением.
• Применение передовых процессов вакуумной пропитки под давлением (VPI) или заливки смолой для обеспечения полного заполнения зазоров изоляционными материалами, улучшения теплопроводности и механической прочности, что способствует теплоотдаче и снижению частичных разрядов.

3.4 Мониторинг состояния магнитного контура и проактивное обслуживание (закрытый цикл управления, обеспечение долгосрочной производительности)

• Внедрение точного мониторинга состояния магнитного контура:
• Комплексная оценка состояния магнитного контура путем интеграции онлайн-мониторинга (например, анализ растворенных газов - DGA, мониторинг высокочастотных частичных разрядов, мониторинг вибрации/акустического шума, термография) и офлайн-тестирования (периодическое тестирование деформации обмоток, тестирование потерь холостого хода и под нагрузкой, тестирование тока заземления сердечника).
• Фокусированное наблюдение: признаки многоточечного заземления сердечника, аномальные колебания потерь, перегрев магнитных экранов и зажимных конструкций.
• Создание механизма предупредительного обслуживания:
• Разработка целенаправленных планов обслуживания магнитного контура на основе данных мониторинга состояния и истории эксплуатации.
• Периодический осмотр заземления сердечника и зажимных конструкций: Обеспечение надежного одно-точечного заземления, своевременное обнаружение и устранение многоточечных отказов заземления (что значительно увеличивает железные потери и вызывает перегрев).
• Осмотры магнитных экранов, зажимов и других конструктивных элементов: Проверка на наличие ослабления, перегрева или следов разряда; своевременное устранение аномалий.
• При осмотрах сердечника/крышки проведение целенаправленных проверок и обслуживания соединений листов сердечника и состояния зажимов.
• Глубокий диагностический анализ выявленных тенденций к увеличению аномальных потерь для идентификации корневых причин и реализации корректирующих мер.

4. Ожидаемые преимущества

• Значительное снижение нагрева: Рабочие температуры (особенно температуры горячих точек) ожидаются быть эффективно контролируемыми, с уменьшением до прогнозируемых целей (например, 15-25%), что значительно уменьшит тепловое старение изоляции.
• Эффективное снижение потерь магнитного контура:
• Железные потери (потери холостого хода): Ожидается снижение на 20-40% благодаря новым материалам и процессам (особенно значительное при использовании аморфных сплавов).
• Медные потери (потери под нагрузкой): Ожидается снижение на 10-25% благодаря оптимизированному дизайну обмотки.
• Общее улучшение эффективности на 1-3 процентных пункта, обеспечивающее значительные экономические выгоды и сокращение выбросов углерода.
• Значительное улучшение надежности: Риск отказов, вызванных перегревом и аномалиями магнитного контура, значительно снизится, что повысит доступность оборудования и продлит срок его службы.
• Оптимизация общей стоимости жизненного цикла: Несмотря на потенциально более высокие первоначальные инвестиции (например, высокопроизводительные материалы, передовые системы охлаждения), преимущества, полученные от долгосрочной экономии энергии, снижения затрат на обслуживание и продления срока службы, более значительны, обеспечивая благоприятную отдачу на инвестиции (ROI).

5. Применимый диапазон

Это решение применимо к новым и действующим маслонаполненным трансформаторам передачи (энергии) напряжением 35 кВ и выше. Конкретные меры могут быть настроены и реализованы на основе мощности, уровня напряжения, условий эксплуатации, важности и текущего состояния трансформатора.