Анализ применения масляных-трансформаторов

1. Введение

В масляных-трансформаторах трансформаторное масло используется как в качестве изоляционной, так и в качестве охлаждающей среды. Их основная структура включает такие компоненты, как железный сердечник, обмотки и масляный бак, что делает их критически важным оборудованием для преобразования напряжения и передачи энергии. Благодаря технологическому развитию их мощность теперь составляет от десятков до десятков миллионов кВА и охватывает низкие, средние и сверхвысокие уровни напряжения. Адаптируемые к различным сценариям, они занимают центральное место в энергетической отрасли.

В энергосистемах масляные-трансформаторы служат «энергетическими узлами»: они повышают напряжение в точках генерации, чтобы уменьшить потери при передаче на большие-расстояния, и понижают напряжение для распределения в зонах потребления. Будь то передача электроэнергии с генерирующих баз, обеспечение межсетевого соединения или обеспечение электроснабжения промышленных и жилых домов, они играют незаменимую роль в качестве основного элемента безопасной, стабильной и эффективной работы системы.

По сравнению с трансформаторами сухого-типа масляные-блоки обладают явными преимуществами: изолирующее масло изолирует влагу, повышая надежность и снижая интенсивность отказов; превосходная теплоотдача и изоляция выдерживают высокие нагрузки; а их стандартный срок эксплуатации, составляющий 20-30 лет (а некоторые превышают 40 лет), намного превышает 15-20 лет, типичные для агрегатов сухого-типа. В то время как трансформаторы сухого-типа подходят для пожаро- и-защищенных сценариев, таких как высотные-высотные здания, масляные-трансформаторы обеспечивают превосходные общие характеристики для крупномасштабной передачи и преобразования энергии с высокими нагрузками.

2. Принцип работы масляных-трансформаторов

2.1 Основная структура

Сердечник и обмотки образуют сердцевину электромагнитного преобразования масляных-трансформаторов. Сердечник состоит из ламинированных листов кремниевой стали с высокой проницаемостью, образующих замкнутую магнитную цепь для минимизации магнитного сопротивления и потерь на гистерезис. Обмотки изготавливаются из медных или алюминиевых изолированных жил, разделенных на первичную (подключаемую к входному напряжению) и вторичную (подключаемую к выходному напряжению) стороны. Когда переменный ток подается на первичную обмотку, он создает переменный магнитный поток в сердечнике. Когда этот поток проходит через вторичную обмотку, он индуцирует электродвижущую силу в соответствии с принципом электромагнитной индукции. Регулируя соотношение витков между первичной и вторичной обмотками, достигается преобразование напряжения, обеспечивающее преобразование электрической энергии.

2.2 Тройная основная функция трансформаторного масла

Трансформаторное масло служит источником жизненной силы масляных-трансформаторов, выполняя три основные функции: охлаждение, изоляция и гашение дуги. Для охлаждения тепло, выделяемое обмоткой и потерями в сердечнике во время работы, поглощается посредством естественной конвекции или принудительной циркуляции внутри масла, а затем рассеивается через радиаторы для поддержания соответствующих температур компонентов. Что касается изоляции, его диэлектрическая прочность намного превышает прочность воздуха, изолируя проводящие части между обмотками и жилами и предотвращая пробой изоляции. При гашении дуги, при переключениях или частичных разрядах масло быстро гасит дугу, предотвращая эскалацию неисправности и обеспечивая эксплуатационную безопасность.

2.3 Механизмы охлаждения

В масляных-трансформаторах используется два механизма охлаждения: естественное охлаждение и принудительное охлаждение. Естественное охлаждение основано на естественной конвекции масла и рассеивании радиатора, что подходит для сценариев низкой-мощности и стабильной-нагрузки. Он отличается простой конструкцией, высокой надежностью и нулевым дополнительным потреблением энергии. Принудительное охлаждение использует вспомогательное оборудование для улучшения отвода тепла, которое подразделяется на воздушное-охлаждение (отвод тепла с помощью вентилятора-) и водяное-охлаждение (теплообмен охлаждающей воды для снижения температуры). Он обеспечивает превосходную теплоотдачу и подходит для работы в условиях высокой-мощности и высоких-нагрузок.

2.4 Классификация и характеристики распространенных методов охлаждения

В соответствии с международными стандартами методы охлаждения трансформаторов с масляным-погружным слоем обозначаются буквенными комбинациями четырех распространенных типов: ONAN, ONAF, OFAF и OFWF. ONAN (естественное охлаждение с масляной-погруженностью) — это базовый метод, основанный на естественном рассеивании масла и воздуха, подходящий для небольших мощностей; ONAF (масляное-погружение с естественным воздушным-охлаждением) добавляет к этому вентиляторы, улучшая рассеивание тепла на 30 %-50 % по сравнению с ONAN, подходит для средних мощностей; OFAF (принудительная циркуляция масла с воздушным-охлаждением) использует масляные насосы для принудительной циркуляции масла в сочетании с вентиляторами, обеспечивая высокую эффективность рассеивания тепла и подходит для больших мощностей; OFWF (принудительная циркуляция масла с водяным-охлаждением) сочетает в себе масляные насосы с водяным охлаждением для обеспечения максимальной охлаждающей способности и подходит для очень больших мощностей или особых условий эксплуатации. Метод охлаждения следует выбирать в зависимости от мощности оборудования, нагрузки и условий установки.

3. Основные преимущества масляных-трансформаторов

3.1 Исключительная перегрузочная способность

Масляные-трансформаторы обладают превосходной перегрузочной способностью и способны выдерживать кратковременную-работу при нагрузке, превышающей номинальную. Эта способность обусловлена ​​эффективным рассеиванием тепла и превосходными изоляционными свойствами. Трансформаторное масло быстро поглощает избыточное тепло, образующееся при перегрузках, предотвращая повреждение изоляции обмоток. В практических приложениях он эффективно справляется с колебаниями нагрузки, такими как пиковые нагрузки на электроэнергию и запуски крупного оборудования, обеспечивая непрерывное электроснабжение, снижая риски сбоев и повышая надежность энергоснабжения.

3.2 Превосходные характеристики теплоотдачи и изоляции

Высокая удельная теплоемкость и прочность изоляции трансформаторного масла обеспечивают исключительную производительность оборудования. В отводе тепла его эффективность в несколько раз выше, чем у воздуха. При интеграции с системами охлаждения он обеспечивает стабильный контроль температуры и адаптируется к средам с высокими-температурами. Что касается изоляции, он заполняет зазоры, блокирует влагу и достигает напряжения пробоя, превышающего 30 кВ/мм,-значительно превосходя воздушную изоляцию трансформаторов сухого-типа. Эта способность противостоит перенапряжению и снижает риск нарушения изоляции.

3.3 Увеличение срока службы в суровых условиях

Масляные-трансформаторы демонстрируют значительные преимущества в долговечности в сложных условиях. Трансформаторное масло изолирует коррозионные элементы, такие как пыль и влага, замедляя старение обмоток и сердечников. Их прочная конструкция выдерживает вибрацию и тепловое расширение. При стандартном обслуживании срок службы превышает 25 лет при тяжелых-нагрузках (тепловая энергетика, сталь) и превышает 30 лет в стабильных средах, таких как передача и распределение, что существенно снижает затраты на замену.

3.4 Экономически эффективные-характеристики эксплуатации и обслуживания

Масляные-трансформаторы демонстрируют выдающиеся преимущества в стоимости жизненного цикла. Первоначальные инвестиционные затраты на 15 %-30 % ниже, чем у эквивалентов сухого-типа для продуктов той же мощности и номинального напряжения. Оперативное обслуживание предполагает увеличенные интервалы и упрощение задач (в первую очередь периодическую проверку качества масла и очистку радиатора), в результате чего ежегодные затраты на техническое обслуживание вдвое ниже, чем у агрегатов сухого-типа. Кроме того, сложность устранения неисправностей невелика, основные компоненты обладают хорошей ремонтопригодностью, а конструкция поддерживает крупномасштабное развертывание.

3.5 Надежная адаптация к окружающей среде

Масляные-трансформаторы демонстрируют исключительную устойчивость к воздействию окружающей среды. Их герметичные резервуары защищают от пыли, дождя, снега и влажности, что делает их пригодными для суровых условий, таких как пустыни, плато и прибрежные районы. Выбирая трансформаторные масла разных марок, они могут надежно работать в диапазоне температур от -40 до 50 градусов, удовлетворяя требованиям от холодного до тропического климата. Это обеспечивает надежную производительность в удаленных местах, полевых операциях и других специализированных сценариях.

4. Промышленное применение масляных-трансформаторов.

4.1 Электроэнергетический сектор

4.1.1 Основное усовершенствование-оборудования электростанций

В производстве электроэнергии масляные-погружные повышающие-трансформаторы служат важным устройством для передачи электроэнергии. Уровни напряжения, вырабатываемые электростанциями (будь то тепловыми, гидроэлектростанциями, ветровыми или солнечными электростанциями), обычно низки (например, выходная мощность тепловых генераторов составляет 10 кВ-20 кВ), что делает прямую-передачу на большие расстояния непрактичной. Масляные-погружные повышающие-трансформаторы повышают мощность этого низкого-напряжения до 110 кВ, 220 кВ, 500 кВ или даже более высоких уровней сверх-высокого напряжения. Это значительно снижает потери энергии при передаче, обеспечивая эффективную доставку электроэнергии на большие расстояния.

4.1.2 Адаптация к различным режимам выработки электроэнергии

Масляные-трансформаторы полностью соответствуют рабочим характеристикам различных типов генерации электроэнергии. На тепловых и гидроэлектростанциях их стабильная перегрузочная способность позволяет выдерживать скачки нагрузки при запуске и остановке агрегата. На ветряных электростанциях, где мощность значительно колеблется, масляные-трансформаторы поддерживают стабильное выходное напряжение благодаря присущим им возможностям регулирования. На солнечных фотоэлектрических электростанциях они работают с инверторами для плавного преобразования и выработки электроэнергии, несмотря на колебания выработки, вызванные различной интенсивностью солнечного света. Кроме того, в атомной энергетике специализированные масляные-трансформаторы обладают уникальными свойствами, такими как радиационная стойкость и устойчивость к высоким-температурам, что соответствует строгим требованиям безопасности при эксплуатации атомной энергетики.

4.2 Сети передачи и распределения

4.2.1 Оборудование для преобразования активной зоны на подстанциях

В сетях передачи и распределения масляные-трансформаторы служат основным оборудованием на всех уровнях подстанций. На первичных подстанциях (подстанциях-концентраторах) они понижают мощность сверх-высокого или высокого-напряжения с генераторных станций до уровня среднего-напряжения. На вторичных подстанциях они дополнительно снижают мощность среднего-напряжения до низкого-уровня напряжения для промышленных и бытовых потребителей. Независимо от того, используются ли они на повышающих-, понижающих-подстанциях или на соединительных подстанциях, масляные-трансформаторы выполняют основные функции преобразования напряжения и распределения мощности. Их рабочее состояние напрямую определяет качество электроснабжения и надежность сети передачи и распределения.

4.2.2 Соединение с сетью и регулирование напряжения

Поскольку масштабы межрегиональных межрегиональных сетей продолжают расширяться, масляные-трансформаторы играют решающую роль в интеграции сетей. С помощью масляных-межсетевых трансформаторов можно соединить сети с разными уровнями напряжения, что обеспечивает оптимальное распределение и дополнительную поддержку энергоресурсов. В то же время масляные-трансформаторы обладают возможностью регулирования напряжения. Регулируя переключатель ответвлений, выходное напряжение можно динамически изменять в ответ на изменения нагрузки сети и колебания напряжения, обеспечивая стабильность напряжения сети в допустимых пределах и гарантируя нормальную работу всех типов электрооборудования.

4.2.3 Применение в городских и сельских распределительных сетях

В городских и сельских распределительных сетях масляные-трансформаторы широко используются на распределительных подстанциях. В городских сетях компактные,-эффективные коробчатые-масляные-трансформаторы широко используются в густонаселенных районах, таких как жилые районы и коммерческие районы. В сельских сетях их надежная адаптация к окружающей среде обеспечивает надежную работу в сложных условиях, таких как отдаленные деревни и горные районы, обеспечивая электроснабжение сельскохозяйственного производства и повседневной жизни. Кроме того, для решения проблемы быстрого роста нагрузки в городских сетях расширение мощности за счет модернизации или параллельной работы позволяет использовать масштабируемость масляных-трансформаторов для удовлетворения растущего спроса.

4.3 Промышленный сектор

4.3.1 Основная энергетическая поддержка производства тяжелой промышленности

В тяжелой промышленности, например сталелитейной, химической и машиностроительной, масляные-трансформаторы служат основным силовым оборудованием для производства с высокими-нагрузками. Доменные печи, конвертеры, прокатные станы и подобное оборудование сталелитейных заводов требуют-мощных и высокостабильных источников питания. Масляные-трансформаторы обеспечивают необходимый уровень напряжения и достаточный запас электроэнергии, выдерживая при этом большие пусковые токи во время запуска оборудования. Непрерывно работающее оборудование химических заводов, такое как реакторы и компрессоры, требует исключительно высокой надежности электроснабжения. Длительный срок службы и высокая надежность масляных-трансформаторов обеспечивают бесперебойность производственных процессов, минимизируя простои производства и экономические потери, вызванные перебоями в подаче электроэнергии.

4.3.2 Горнодобывающая промышленность и приводы двигателей большой-мощности

Масляные-трансформаторы также играют жизненно важную роль в горнодобывающей промышленности. Горнодобывающее оборудование в угольных шахтах и ​​металлургических шахтах,-такое как проходческие комбайны, угольные фрезы, подъемное оборудование (например, шахтные элеваторы) и системы вентиляции-приводится в движение двигателями высокой-мощности, требующими специальных масляных-трансформаторов для электропитания. Эти трансформаторы обычно обладают пыленепроницаемостью, -стойкостью и виброустойчивостью-, что позволяет им выдерживать суровые условия подземных или открытых горных работ. Кроме того, высокая перегрузочная способность масляных-трансформаторов обеспечивает стабильную работу оборудования в различных условиях работы, учитывая характерные для горнодобывающих предприятий высокие колебания электрических нагрузок.

4.3.3 Специализированные применения в нефтегазовой промышленности

В нефтегазовом секторе масляные-трансформаторы широко используются при разведке, добыче и транспортировке. На морских нефтяных платформах специализированные судовые масляные-погружные трансформаторы обладают коррозионной стойкостью, анти-вибрационными возможностями и взрывозащищенной-конструкцией, позволяющей выдерживать суровые морские условия, характеризующиеся сильным соляным туманом и влажностью. На береговых буровых площадках мобильные масляные-трансформаторы можно гибко перемещать вместе с буровым оборудованием, обеспечивая временное питание буровых установок, буровых насосов и другого оборудования. Эти трансформаторы, расположенные вдоль магистральных нефте- и газопроводов, стабильно подают электроэнергию на подкачивающие насосы и отопительное оборудование, обеспечивая бесперебойную транспортировку.

4.4 Инфраструктура и коммерческие объекты

4.4.1 Электроснабжение крупных коммерческих и высотных-зданий

Крупные коммерческие комплексы и высотные-здания имеют значительные электрические нагрузки и разнообразное оборудование, что требует высокой надежности и качества электроснабжения. Масляные-трансформаторы служат в качестве оборудования для защиты активной зоны. Благодаря соответствующей конфигурации мощности и преобразованию напряжения они адаптируются к различным электрическим потребностям, а эффективное рассеивание тепла позволяет справляться с пиковыми нагрузками. Предварительно-масляные-погружные трансформаторы, используемые в некоторых зданиях, обладают такими преимуществами, как быстрая установка и компактность, а также соответствие требованиям компоновки.

4.4.2 Обеспечение электропитания транспортных узлов

Непрерывность электроснабжения в транспортных узлах, таких как аэропорты, железнодорожные вокзалы и метро, ​​напрямую влияет на безопасность эксплуатации. Масляные-трансформаторы питают критически важное оборудование, включая освещение терминалов, системы сигнализации и тяговые устройства. Чтобы обеспечить концентрированную нагрузку концентраторов и строгие требования к надежности, в трансформаторах обычно используются двухконтурные-источники питания и резервные конфигурации, обеспечивающие стабильную подачу электроэнергии даже при отказах одного-модуля.

4.4.3 Электроснабжение центров обработки данных и узлов связи

Являясь ключевыми объектами цифровой экономики, центры обработки данных и узлы связи требуют стабильности электропитания, превышающей 99,999%. Масляные-трансформаторы обеспечивают стабильную подачу электроэнергии к серверным кластерам, системам охлаждения и коммуникационному оборудованию, а их высокая надежность сводит к минимуму последствия перебоев в подаче электроэнергии. Чтобы приспособиться к быстрому росту нагрузки в центрах обработки данных, возможности расширения трансформаторов поддерживают поэтапное строительство и требования к увеличению нагрузки.

4.5 Системы возобновляемой энергетики

4.5.1 Преобразование основной энергии для ветряных и солнечных электростанций

Масляные-трансформаторы служат основным оборудованием для интеграции экологически чистой энергии от ветровых и солнечных электростанций в сеть. Ветровая энергия подвергается начальному повышению-через масляные-масляные-трансформаторы коробчатого типа (коробчатые трансформаторы), а затем повышается до высокого-подключения к сети с помощью главных повышающих-трансформаторов. Фотоэлектрическая энергия сначала преобразует постоянный ток в переменный с помощью инверторов, а затем подвергается повышению-с помощью масляных-трансформаторов для интеграции в сеть. Их эффективное преобразование и стабильная работа обеспечивают эффективное использование и плавную интеграцию ветровой и солнечной энергии в сеть.

4.5.2 Стабильная работа в условиях переменной нагрузки

Производство возобновляемой энергии колеблется из-за природных условий (например, скорость ветра влияет на мощность ветра, солнечный свет влияет на солнечную энергию), что требует от трансформаторов высокой переменной нагрузки. Масляные-трансформаторы адаптируются к быстрым изменениям нагрузки, обладают превосходными теплоотводящими и изоляционными свойствами, предотвращая перегрев или повреждение изоляции. Усовершенствованные модели оснащены интеллектуальными системами мониторинга, которые отслеживают рабочее состояние в режиме реального времени, обеспечивая поддержку данных для оптимизации электростанции.

4.5.3 Среда энергообмена для систем хранения энергии

В новых системах накопления энергии (ESS) масляные-трансформаторы служат важнейшей средой обмена энергии: во время зарядки они снижают мощность сети в соответствии с энергоаккумуляторами; во время разрядки они увеличивают накопленную энергию для подачи в сеть или питания нагрузки. Учитывая частые циклы зарядки/разрядки и высокие колебания нагрузки, характерные для ESS, их высокая перегрузочная способность и длительный срок службы обеспечивают долгосрочную-стабильную работу, способствуя эффективной координации между хранилищем и сетью.

5. Анализ практического применения

5.1 Применение масляных-трансформаторов на крупных ветряных электростанциях

На береговой ветряной электростанции мощностью 2000 МВт установлено 500 камерных-масляных-погружных- повышающих трансформаторов мощностью 4,5 МВА (0,69/35 кВ) и 10 главных повышающих трансформаторов мощностью 200 МВА (35/220 кВ). Чтобы справиться с нестабильной выходной мощностью ветра, конструкция обеспечивает перегрузочную способность в 1,2-раза в течение 2 часов в сочетании с полностью герметичной конструкцией и натуральным эфирным маслом, подходящим для удаленных, ветреных и пыльных сред. После пяти лет эксплуатации частота отказов составила всего 0,5%, при этом затраты на техническое обслуживание составили 60% у традиционных маслонаполненных трансформаторов. Годовая выработка электроэнергии достигла 4 миллиардов кВтч, что способствовало сокращению выбросов углекислого газа на 3,2 миллиона тонн.

5.2 Проект модернизации трансформатора сталелитейного завода

Масляный трансформатор мощностью 125 МВА (110 кВ/10 кВ), введенный в эксплуатацию в 1990-х годах на сталелитейном заводе, часто отключался из-за старения и недостаточной перегрузочной способности. Он был заменен новым интеллектуальным масляным-погружным трансформатором мощностью 160 МВА того же уровня напряжения. Новый трансформатор имеет высокотемпературную-изоляцию (перегрузочная способность в 1,3 раза), систему мониторинга Интернета вещей и материалы с низкими-потерями (снижение годовых потерь на 25%). После трех лет работы без отключений удалось добиться ежегодного снижения потерь на 800 000 кВтч и экономии средств на 640 000 юаней, одновременно увеличив эффективность технического обслуживания на 40 % и снизив затраты на техническое обслуживание на 30 %.

5.3 Проект модернизации городских подстанций

Подстанция 220 кВ, введенная в эксплуатацию в 2000 году в центре города, была модернизирована из-за недостаточной мощности, энергоэффективности и безопасности исходных масляных-трансформаторов. В ходе реконструкции были задействованы три высокоэффективных интеллектуальных масляных-погружных трансформатора мощностью 315 МВА (220 кВ/110 кВ/10 кВ) с воздушным охлаждением с принудительной циркуляцией масла, изоляцией из натурального эфирного масла и интеллектуальными системами мониторинга. После-обновления общая мощность увеличилась с 630 МВА до 945 МВА, что позволило достичь энергоэффективности класса 1 и сократить годовые потери на 1,5 миллиона кВтч. Время реагирования на неисправность сократилось до 1 часа, надежность электроснабжения повысилась до 99,99%.