Холодный резерв электроснабжения северного объекта: требования, предъявляемые к силовым трансформаторам, и конструктивные решения
В.В. Рыжков, главный конструктор по силовым трансформаторам ОАО «СЗТТ»
Промышленное развитие северных регионов, в том числе Арктики, является одним из приоритетов политики Российской Федерации. Особую роль в данном процессе занимают горнодобывающая и нефтегазовая отрасли, объекты которых работают в экстремальных природно-климатических условиях. Эксплуатация данных объектов требует применения энергооборудования, способного обеспечить бесперебойное питание горнодобывающих предприятий, а также выдерживать низкие температуры до минус 60 °С.
Изготовлением энергетического оборудования: измерительных трансформаторов тока и напряжения до 110 кВ, силовых трёхфазных и однофазных трансформаторов, способных эксплуатироваться в условиях пониженных температур, занимается ОАО «Свердловский завод трансформаторов тока» (ОАО «СЗТТ»).
На данный момент ОАО «СЗТТ» изготавливает две линейки силовых трехфазных трансформаторов: номинальной мощностью от 10 до 63 кВА (рис. 1) и от 100 до 4000 кВА (рис. 2) различного конструктивного исполнения. Трансформаторы первой группы (от 10 до 63 кВА) изготавливаются для установки в малогабаритных ячейках комплектных распределительных устройств (КРУ). Данные трансформаторы имеют небольшие габариты и обладают защитой от внешних воздействующих факторов за счёт того, что обмотки высокого и низшего напряжения заливаются в общей литьевой форме, образуя единый моноблок. По требованию заказчика трансформаторы изготавливаются с медными и алюминиевыми проводами.
Рис. 1 Силовой трансформатор ТЛС-40 кВА: а – общий вид; б – литой блок
Трансформаторы второй группы (от 100 до 4000 кВА), в отличие от моноблочных моделей малой мощности, изготавливаются с раздельными обмотками низшего и высокого напряжения. Главная особенность данных изделий заключается в том, что намотка высоковольтной обмотки выполняется проводом, низковольтная обмотка, в свою очередь, изготавливается из фольги. Материал проводников выбирается по требованию заказчика.
Для надёжной работы в аварийных режимах, а также для эксплуатации в особо холодных климатических условиях обмотки высокого напряжения изготавливаются с армированием внутренних и внешних поверхностей катушки стеклосеткой, после чего заливаются компаундом. Межслоевая изоляция формируется стеклосетками различных толщин. Толщина продольной изоляции выбирается исходя из напряжения между слоями.
Такое конструктивное решение обеспечивает механическую прочность в соответствии с требованиями основных отраслевых ГОСТов, в том числе стойкость к коротким замыканиям, которая подтверждена фактическими испытаниями.
Одним из главных факторов, который определяет надёжную работу силовых трансформаторов в районах с экстремально холодным климатом, является качество используемого компаунда.
Так как с середины XX века ОАО «СЗТТ» непосредственно связан с литой изоляцией, на предприятии действует собственная химическая лаборатория, осуществляющая входной контроль поступающего компаунда, подбор его составов и оценку поставщиков.
Также на заводе функционируют
две климатические камеры, позволяющие проводить регулярные исследования новых компаундов при различных климатических условиях. В целях компенсации коэффициента теплового расширения подбираются различные составы компаундов для алюминиевых и медных обмоток, что, в свою очередь, обеспечивает работоспособность силовых трансформаторов в климатической категории УХЛ2 до минус 60 °С.
Каждая новая опытная партия компаунда проходит исследовательские испытания. Образцы заливаются в виде шестигранников и проходят испытания посредством воздействия низких и высоких температур. Испытания проводятся в два этапа по два цикла. На первом этапе проводится два цикла испытаний: компаунд охлаждается до температуры минус 45 °С, далее проводится нагрев до температуры 140 °С.
В случае положительного результата испытаний проводится следующий этап – два цикла испытаний: компаунд охлаждается до температуры минус 60 °С, затем осуществляется нагрев компаунда до температуры 140 °С (рис. 3).
Рис. 3 Исследовательские испытания компаунда
Если заливочная система прошла первичные исследовательские испытания и принято решение применить её при изготовлении силовых трансформаторов, начинается этап климатических испытаний литых блоков (рис. 4).
Испытания проводятся в два этапа по одному циклу. Литые блоки помещаются в климатическую камеру и охлаждаются до температуры минус 45 °С, затем нагреваются до температуры 140 °С. После успешного прохождения первого этапа испытания литые блоки охлаждают до температуры минус 60 °С, после чего проводится нагрев до температуры 140 °С.
На объектах горнодобывающей отрасли силовые трансформаторы могут длительное время находиться в резерве. При возникновении нештатных ситуаций может потребоваться оперативно ввести в работу трансформатор, который продолжительное время находился без нагрузки. Запуск силового трансформатора, который простаивал в условиях низких температур без выполнения комплекса мероприятий по прогреву и сушке трансформатора, может привести его к необратимому выходу из строя. Велик риск появления внутренних трещин в изоляции между витками или слоями, вследствие чего затрачивается большое время на восстановление энергоснабжения, что, в свою очередь, может привести к нарушению производства и дорогостоящим простоям.
Для исключения подобных рисков в испытательном центре ОАО «СЗТТ» проводится испытание термической ударной нагрузкой (класс C4) по ГОСТ 54827–2011 – это один цикл испытаний при подаче двойного номинального тока (рис. 5). При этом нагрев обмоток трансформатора продолжается до достижения температуры 140 °С.
Рис. 5 Испытания литых блоков на тепловой удар (класс С4)
Суть данного исследования заключается в том, что подача двойного тока номинального тока при температуре минус 60 °С позволяет достоверно сымитировать холодный пуск трансформатора в условиях экстремально низких температур. Критерием успешного прохождения данного испытания является целостность литых блоков, то есть отсутствие трещин, а также последующая проверка внутренней изоляции литых блоков индуктированным напряжением и измерение частичных разрядов.
По результатам климатических испытаний далее проводится решение о применении данной партии компаунда в изготовлении литых блоков для силовых трансформаторов. В рамках испытаний силовых трансформаторов для работы в условиях Арктики и районов Крайнего Севера на предприятии проводится уникальное исследование – определение диэлектрических характеристик трансформатора при пониженных температурах (рис. 6).
Рис. 6 Определение диэлектрических характеристик трансформатора при пониженных температурах
Суть данного исследования заключается в следующем: трансформатор помещается в климатическую камеру, где происходит постепенное охлаждение до температуры минус 60 °С, затем на трансформатор подаётся напряжение промышленной частоты 20 кВ. В процессе испытания контролируются сопротивления изоляции трансформатора на всех участках в соответствии с Руководством по эксплуатации силовых трансформаторов.
Результатом данных испытаний является готовность трансформаторов ОАО «СЗТТ» к эксплуатации в суровых климатических условиях пониженных температур с возможностью холодного пуска без риска растрескивания компаунда без проведения мероприятий по прогреву и сушке трансформаторов.
Помимо безотказной работы горнодобывающего сектора в экстремальных природно-климатических условиях одним из ключевых факторов является обеспечение технологического суверенитета оборудования для энергоснабжения объектов горнодобывающей отрасли. ОАО «СЗТТ» одно из немногих ведущих предприятий, которое имеет полный цикл производства, где все этапы изготовления подвергаются строгому контролю качества. Выпускаемая продукция полностью соответствует Постановлению РФ от 17.07.2015 г. № 719 «О подтверждении производства российской промышленной продукции» за счёт применения отечественных материалов и комплектующих, а также изготовления энергетического оборудования на собственных мощностях предприятия. Это подтверждается включением выпускаемых трансформаторов в Реестр российской промышленной продукции Минпромторга РФ №10577846 и наличием аттестации крупнейших холдингов, что, в свою очередь, позволяет ОАО «СЗТТ» конкурировать с зарубежными аналогами в условиях замещения импортного оборудования.
В подтверждении надежности изготавливаемого оборудования ОАО «СЗТТ» готово расширить гарантийный срок на литую изоляцию трансформатора от климатического растрескивания до 10 лет.
