ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ШАХТНЫХ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ПОДСТАНЦИЙ
Для того чтобы правильно представить себе пути дальнейшего совершенствования выпускаемых в настоящее время шахтных взрывобезопасных трансформаторов и подстанций, надо оценить, в какой мере они удовлетворяют нужды потребителей, в основном работников угольной промышленности, в чем заключаются их недостатки и, наконец, какие новые требования можно ожидать в ближайшие годы.
До конца 1970 г. промышленность получит 10—11 тысяч взрывобезопасных подстанций, которые позволят в основном переоборудовать подземное электроснабжение и обеспечить хороший уровень напряжения на угледобывающих и транспортных механизмах шахт.
Успех работы установленных подстанций, а отсюда в значительной мере и питаемых ими механизмов, будет зависеть от того, сколь удачно решены все вопросы, стоявшие при создании этих конструкций.
Заведомо следует считать, что выпускаемые в настоящее время подстанции имеют большие веса и габариты, затрудняющие и удорожающие их использование и обслуживание. К числу недостатков созданных подстанций следует отнести также сложность конструкции и большую трудоемкость их изготовления.
Нельзя, наконец, не указать на неиспользованные еще возможности применения изоляционных материалов более высокого класса нагревостойкости, чем примененный в последних конструкциях стеклопластик типа АГ-4 класса нагревостойкости F.
Кремнийорганическая изоляция не получила своего применения в конструкциях кварценаполненных трансформаторов 1965—1967 гг. из-за высокой цены и дефицитности, но ее использование в дальнейшем не только не исключено, но даже, наоборот, весьма перспективно.
Решающую оценку выпускаемых кварценаполненных взрывобезопасных трансформаторов и подстанций должен дать быстро растущий опыт их эксплуатации.
Обращаясь к вопросу о новых требованиях, которые могут быть предъявлены к взрывобезопасным подстанциям, следует прежде всего указать на рост мощности в единице. Уже сейчас максимальная мощность выпускаемых взрывобезопасных трансформаторов и подстанций 320 кВА не удовлетворяет нужд потребителей. Для последних типов внедряемых угледобывающих комплексов требуются подстанции мощностью 500 кВА. Здесь уместно упомянуть, что в ряде зарубежных стран взрывобезопасные трансформаторы и подстанции такой мощности уже выпускаются.
В течение ближайшего десятилетия в связи с разработкой новых угледобывающих комплексов можно ожидать рост единичной мощности подстанций до 1 000 кВА и более. При этом габаритные размеры трансформаторов и подстанций (в основном по ширине и высоте) не должны быть больше, чем у ныне выпускаемых подстанций мощностью 320 кВА, поскольку они ограничиваются сечением стволов, по которым подстанции должны быть доставлены в шахту к месту работы.
Таким образом, одна из основных задач развития конструкции взрывобезопасных трансформаторов и подстанций заключается в создании более компактных конструкций, всемерном уменьшении их габаритных размеров, хотя бы на время перевозки их в шахты.
Всегда, когда встает вопрос о необходимости уменьшения размеров электрических машин или трансформаторов, решающим моментом представляется повышение электромагнитных нагрузок. Такой ход мысли вполне естествен, но применительно к рассматриваемому случаю надо учитывать и специфические условия, в первую очередь трудности отвода потерь, возрастающих с повышением нагрузок материалов. Действительно, всякое повышение плотности тока и магнитного потока в магнитопроводе влечет за собой соответствующее снижение числа витков обмоток, их веса и объема. Но уже принятая сейчас в магнитопроводах плотность магнитного потока составляет 16 000 гс и существенное ее повышение лимитируется резким ростом потерь в стали и в особенности ростом намагничивающего тока.
Наилучшее использование свойств анизотропной холоднокатаной трансформаторной стали дает магнитопровод, выполненный в виде витого сердечника, но такое решение пока еще практически неприменимо для трехфазного трансформатора, к тому же предназначенного для тяжелого режима работы.
Мало что может дать и повышение плотности тока в обмотках, так как общая структура обмотки и изоляции по существу предрешена заданным низким значением Uк, фиксированным шагом гофр и т. п. (гл. 4), а небольшое уменьшение радиального размера катушек (на 8—10 мм) за счет снижения толщины меди провода не решает вопроса, лишь увеличивает магнитное рассеяние обмоток, их нагрев и размеры системы охлаждения. Скорее, пожалуй, может идти речь о снижении плотности тока в обмотках против принятой в настоящее время, нежели о ее повышении.
Уместно отметить и практическую бесперспективность применения для обмоток взрывобезопасных шахтных трансформаторов алюминия. Как известно, вследствие более низкой чем у меди электропроводности алюминий вызывает увеличение геометрических размеров активной части трансформатора, что для шахтных взрывобезопасных трансформаторов совершенно неприемлемо. К тому же то количество меди, которое расходуется на их изготовление, не является существенной составляющей в общем количестве меди, расходуемой в трансформаторостроении, так как суммарная мощность всех взрывобезопасных трансформаторов не превышает 0,5% общей мощности силовых трансформаторов, выпускаемых в стране.
Одним из перспективных направлений усовершенствования взрывобезопасных трансформаторов является применение вместо воздуха специальных газообразных диэлектриков и, в частности, так называемого элегаза, представляющего собой шестифтористую серу (SF6).
Благодаря ряду достоинств (пожаро- и взрывобезопасность, повышенная по сравнению с воздухом электрическая прочность, устойчивость и т. п.), элегаз, как известно, получил за рубежом довольно широкое применение в производствах высоковольтной аппаратуры и трансформаторов.
Исследования и испытания экспериментального образца шахтного трансформатора с элегазом, проведенные ВЭИ, ВИТ и МГИ, дали обнадеживающие результаты. Заполнение кожуха трансформатора элегазом вместо воздуха дает возможность значительно повысить его мощность. Применение элегаза вызывает необходимость создания надежных уплотнений, практически исключающих утечку газа, связано с колебаниями давления в кожухе трансформатора при его нагреве и охлаждении и т. п., но серьезные преимущества, которыми обладает элегаз, позволяют все же считать, что широкое его применение в шахтных трансформаторах отнюдь не исключено.
Рис. 9-2. Схема трансформатора с емкостной связью между обмотками.
1 — глазная обмотка ВН; 2 —конденсаторная обмотка кА ВН; 3 — обмотка НН;
4 — защитное устройство (разрядник).
С повышением единичной мощности шахтных взрывобезопасных трансформаторов в них может найти применение охлаждение путем испарения специальной жидкости. Как известно, при испарении жидкость поглощает значительное количество тепла, а затем при ожижении обратно его выделяет. Охладительные устройства, основанные на использовании этого принципа, пожаробезопасны, довольно компактны и просты в действии, что может позволить с успехом применять их для шахтных взрывобезопасных трансформаторов.
Рис. 9-1. Векторная диаграмма трансформатора с компенсацией падения напряжения.
С — последовательная емкость.
Существенный интерес для силовых трансформаторов и в том числе для шахтных трансформаторов представляют конструкции, в которых влияние собственного сопротивления на режим выходного напряжения сведено к нулю. Иногда их называют «трансформаторами с нулевым сопротивлением».
В действительности суть дела сводится к компенсации потери напряжения, которую имеет трансформатор
Из-за собственного импеданса, последовательным включением соответствующей емкости на первичной или вторичной стороне трансформатора [Л. 38]. Эту емкость можно подобрать так, что напряжение на вторичных клеммах трансформатора будет оставаться неизменным и равным напряжению при холостом ходе независимо от величины нагрузки.
Принципиальная векторная диаграмма напряжений для такой компенсации дана на рис. 9-1 (для случая включения компенсирующей емкости С на стороне НН).
Еще более оригинальное решение этой задачи было предложено фирмой «Вестингауз» (США), выполнившей высоковольтную обмотку так, как показано на рис. 9-2. Здесь в рабочую обмотку добавлена не соединенная с ней дополнительная обмотка. Так как эти обмотки разделены лишь тонким слоем изоляции, находящейся между двумя вмотанными друг в друга лентами фольги, то между ними создается большая емкость, компенсирующая индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора. Между нейтральными концами обмоток включен, как видно на рис. 9-2, разрядник, защищающий их от перенапряжений.
В аварийных режимах работы трансформатора большие первичные токи вызывают высокие напряжения на конденсаторе, достаточные для пробоя разрядника защитного устройства (рис. 9-2), которое автоматически шунтирует конденсатор, благодаря чему в момент аварийного нарастания тока как бы вводится в действие индуктивное сопротивление трансформатора, ограничивающее ток короткого замыкания.
Описанный способ компенсации падения напряжения хорошо решает вопрос поддержания стабильного напряжения на приемниках, питаемых шахтным трансформатором, но неизбежно связан с усложнением либо самого трансформатора, либо общей схемы за счет подключения дополнительно устанавливаемых конденсаторов.
Заслуживает внимания также вопрос о возможности и целесообразности применения в шахтных взрывобезопасных трансформаторах регулирования напряжения под нагрузкой, который возникает каждый раз при обсуждении новых конструкций этих трансформаторов.
Как отмечено в гл. 1, основным фактором, определяющим режим нагрузки шахтного взрывобезопасного трансформатора, является повторно-кратковременный режим работы главного электродвигателя комбайна. Количество операций «В — О» главного электродвигателя в сутки составляет от 400 до 1 600, а в среднем 1 000.
На наш взгляд, регулирование напряжения в процессе каждой операции запуска главного электродвигателя переключающими устройствами с подвижными контактами практически неосуществимо, даже если управление регулированием перевести на автоматику. Это значило бы делать в день по 2—3 тыс. переключений и в течение нескольких месяцев довести до состояния полного износа даже самое надежное переключающее устройство. При этом надо не упускать из вида того, что такое переключающее устройство представляет собой весьма сложный механизм, добавление которого конечно сильно усложнило бы конструкцию трансформатора в целом и обязательно снизило бы надежность его работы. Кроме того, необходимо заметить, что переключающее регулировочное устройство с подвижными контактами инерционно и не может обеспечить регулирование вторичного напряжения при изменениях тока нагрузки в переходных режимах. Принятые сейчас ступени регулирования ±4% не являются жестко обязательными и без особых трудностей могут быть заменены на ступени ±5 или даже ±6%.
Безынерционная система возможна, и для данных тяжелых условий работы, по-видимому, является единственно перспективной бесконтактная магнитная система регулирования напряжения шахтного взрывобезопасного трансформатора, которая автоматически обеспечивала бы поддержание на электродвигателях номинального напряжения независимо от их нагрузки.
От компактности применяемой в шахтных взрывобезопасных подстанциях аппаратуры существенно зависят габариты всей подстанции, а от ее надежности — исправная и безотказная работа всей установки. Отсюда и основная задача — создание компактных, высоконадежных аппаратов, которые обеспечили бы безаварийную работу подстанции. Это в равной мере относится к разъединителю нагрузки на стороне ВН, автоматическому выключателю НН и прочей аппаратуре.
В первую очередь разъединитель нагрузки следует дополнить дистанционным управлением, так как отсутствие такого управления усложняет эксплуатацию подстанций.
