Пожаробезопасные трансформаторы с элегазовой изоляцией

Кардинальное решение проблемы пожаробезопасности больших силовых трансформаторов может быть достигнуто применением элегазовой изоляции.
Трансформаторы с элегазовой изоляцией впервые были разработаны в США фирмой Вестингауз в конце 50-х годов. Силовые трансформаторы напряжением до 138 кВ и мощностью до 40 MB - А были разработаны в 60-х годах. В Европе элегазовые трансформаторы появились в середине 60-х годов. Однако дальнейшего развития ни в США, ни в Европе они не получили.
В Японии первый трансформатор с элегазовой изоляцией напряжением 69 кВ и мощностью 3 MB • А был изготовлен в 1969 г. Возрастающие требования пожаробезопасного оборудования и запрет применения негорючих изоляционных жидкостей на основе трихлордифенила в 1972 г., стимулировали развитие элегазовых трансформаторов (ЭТ). Их производство постоянно увеличивалось с началом поставок элегазовых трансформаторов напряжением 69 кВ мощностью 3 и 10 MB-А для комплектных элегазовых подстанций в 1979 г. В 1991 г. элегазовые трансформаторы составляли свыше 8 % в общем производстве силовых трансформаторов.
Требования пожаробезопасности мощных высоковольтных подстанций, расположенных в жилых районах могут быть выполнены с установкой элегазовых трансформаторов. Такой трансформатор напряжением 275 кВ мощностью 300 MB - А впервые был изготовлен в 1990 г.
Ниже дается краткое описание опыта производства элегазовых трансформаторов в Японии.

Конструкция элегазовых трансформаторов

Система охлаждения

В таблице 1 приведены основные физические характеристики элегаза, воздуха и масла. Основным значимым для трансформатора различием элегаза и масла является теплопередающая способность на единицу объема. Например, при рабочем давлении газа 1,2 кгс/см² теплопередающая способность элегаза составляет 1 /200 от масла (плотность 1/65, удельная теплоемкость 1/3).
Для обеспечения требуемого отвода тепла в элегазовых трансформаторах должна быть более совершенная система охлаждения. Например, охлаждающие каналы в обмотках должны увеличить циркуляцию газа, а изоляция провода должна быть выполнена из высокотемпературного изоляционного материала, такого как PET (полиэтилен телефтолат) или PPS (полиэтилен сульфид).

Таблица 1. Физические свойства элегаза, воздуха и масла

Примечание. Размерности приведены как в  [Miura Y. Gas insulated transformers. CIGRE SC - 12, 1993, Madrid colloquium].

Элегазовые трансформаторы без принудительной циркуляции может иметь мощность до 30 MB-А. Для элегазового трансформатора большей мощности требуется принудительная циркуляция. При мощности более 100 М В • А становится трудно охлаждать обмотку только газом. В этих случаях необходимо прибегать к охлаждению обмоток жидкостью, например, перфторуглеродом. В таблице 2 приведены основные характеристики перфторуглерода, который помимо хорошей теплопередающей способности имеет также хорошие изоляционные свойства.
На начальных стадиях разработок, применялось охлаждение с помощью испарения перфторуглерода на обмотках. С таким охлаждением были созданы трансформаторы мощностью от 20 до 40 MB • А.

Таблица 2. Характеристики фтороуглерода и минерального масла

Изоляция.

В элегазовом трансформаторе для витковой изоляции пленочный материал является более подходящим, чем бумага по соображениям импульсной прочности. Наиболее подходящим материалом являются PET и PPS, в виде пленки, которая имеет отличные теплопередающие свойства. Что касается типа обмоток, то переплетенная обмотка применяется при напряжении 66 кВ и выше. В равномерном поле при давлении элегаза 1,2 кгс/см² его электрическая прочность почти такая же как и трансформаторного масла. Однако пробивное напряжение газовой изоляции зависит от максимальной напряженности поля. Максимальная напряженность, которая может быть допущена в масле, недопустима в элегазе. Поэтому изоляция в элегазовом трансформаторе требует определенного усовершенствования но сравнению с масляными трансформаторами. Чтобы уменьшить напряжение на газовых промежутках в системе газ — твердая изоляция применяются материалы с малой диэлектрической постоянной, а в некоторых случаях применяются полые дистанцирующие детали для уменьшения их диэлектрической постоянной.
Давление газа. Для повышения электрической прочности и улучшения охлаждения желательно высокое давление элегаза. Однако большинство трансформаторов имеют бак не простой цилиндрической формы, а иной формы, и поэтому экономически невыгодно изготавливать их рассчитанными на высокое давление. Поэтому в большинстве элегазовых трансформаторов применяется давление 2 кгс/см² при максимальной рабочей температуре. И все же, элегазовые трансформаторы напряжением 275 кВ имеют максимальное рабочее давление несколько выше. Это сделано для повышения электрической прочности, что дало возможность иметь трансформатор в пределах транспортных габаритов.
Переключающее устройство РПН. В контакторе переключающего устройства применены вакуумные камеры во избежание попадания в элегаз продуктов горения дуги. В элегазовых трансформаторах отсутствует очистка элегаза, и его электрическая прочность может быть снижена металлическими частицами, образующимися при механическом износе контактов. Поэтому в избирателе вместо скользящих контактов применены контакты катящегося типа. Кроме того, сочленения движущихся частей имеют безмасляную структуру со специальной обработкой поверхностей. Таким образом, в элегазовых трансформаторах применяется совершенно иное переключающее устройство, нежели в масляных трансформаторах.