Трансформаторы – это невоспетая основа современных электроэнергетических систем. Они обеспечивают эффективную передачу электроэнергии на большие расстояния, повышая напряжение для передачи и понижая для распределения и использования. Без надежных трансформаторов стабильность сети, эффективная подача электроэнергии и регулирование напряжения в сетях генерации, передачи и распределения были бы невозможны. Среди всех типов трансформаторов  масляный трансформатор  остается наиболее распространенным решением для приложений среднего и высокого напряжения благодаря своей проверенной надежности, высокой теплоемкости и гибким конструктивным возможностям. В данной статье рассматриваются основные понятия и конструкция  масляных трансформаторов , объясняются принципы их охлаждения и изоляции, сравниваются с сухими трансформаторами, рассматриваются типичные сценарии применения. 

Что такое масляный трансформатор?

Масляный трансформатор – это электрический трансформатор, обмотки и сердечник которого погружены в изоляционное минеральное масло (или альтернативные изоляционные жидкости). Масло выполняет две основные функции: электроизоляцию и теплопередачу. Окружая токопроводящие обмотки и магнитопровод, масло увеличивает электрическую прочность между компонентами и отводит тепло, выделяющееся во время работы, посредством конвекции и теплопроводности к баку трансформатора и внешним охлаждающим поверхностям. Типичные масляные трансформаторы – от небольших распределительных до мощных силовых трансформаторов мощностью в сотни МВА для сетевых подстанций.

Основные структурные компоненты

Масляные трансформаторы представляют собой сборные конструкции, состоящие из нескольких взаимозависимых компонентов. Основные компоненты включают:

Магнитный сердечник (железный сердечник)

Сердечник обеспечивает низкое магнитное сопротивление для потокосцепления первичной и вторичной обмоток. Он обычно изготавливается из уложенных друг на друга пластин электротехнической стали с ориентированной зернистой структурой для минимизации потерь на вихревые токи и гистерезис. Конструкция сердечника (стержневой или броневой) влияет на распределение магнитного потока, реактивное сопротивление рассеяния и поведение при коротком замыкании.

Обмотки (первичные и вторичные)

Обмотки представляют собой катушки из медного или алюминиевого проводника, расположенные с учётом необходимого соотношения витков. Их геометрия (слоистая, дисковая, спиральная) выбирается в зависимости от уровня напряжения, требований к охлаждению и стойкости к короткому замыканию. Изоляция между витками, слоями и обмоткой с сердечником осуществляется с помощью изоляционной бумаги, картона и изоляционного масла.

Бак и корпус

Бак представляет собой герметичный стальной сосуд, в котором размещаются сердечник и обмотки, а также изоляционное масло. Баки могут быть гладкими или иметь гофры и радиаторы для увеличения площади охлаждающей поверхности. Для распределительных трансформаторов обычно используются компактные баки; для мощных силовых трансформаторов используются отдельные маслорасширители, радиаторы и маслопроводы.

Изоляционное масло (трансформаторное масло)

Традиционно в качестве изолирующей и охлаждающей среды используется минеральное масло (очищенные нефтяные масла). Альтернативные жидкости (синтетические эфиры, натуральные эфиры, силиконовые жидкости) иногда используются для повышения пожарной безопасности или биоразлагаемости. Чистота масла, содержание влаги и диэлектрическая прочность строго контролируются посредством фильтрации и испытаний.

Аксессуары и защита

Вспомогательные компоненты включают в себя вводы для высоковольтных соединений, расширительные баки (для расширения масла), сапуны для контроля попадания влаги, устройства сброса давления, масляные насосы (в системах с принудительной подачей масла), радиаторы или вентиляторы ONAN/ONAF, переключатели ответвлений для регулировки напряжения под нагрузкой или без нагрузки, а также контрольные устройства (датчики температуры, реле газа в масле, порты анализа растворенного газа (DGA)).

Принципы охлаждения и отвода тепла в масляных трансформаторах

Управление теплом является одним из основных факторов при проектировании, поскольку потери в трансформаторе (потери в сердечнике и потери в нагрузке) преобразуют электрическую энергию в тепло. Эффективное рассеивание тепла поддерживает температуру обмоток и изоляции в безопасных пределах, предотвращая ускоренное старение.

Генерация тепла

Потери в сердечнике:  вызваны магнитным гистерезисом и вихревыми токами в ламинарном сердечнике; в значительной степени не зависят от нагрузки и пропорциональны приложенному напряжению и частоте.

Потери в меди (нагрузке):  потери I²R в обмотках, которые увеличиваются с током нагрузки.

Механизмы теплопередачи

Проводимость:  тепло передается от горячих поверхностей обмотки в окружающее масло посредством прямого контакта.

Естественная конвекция:  тёплое масло становится менее плотным и поднимается, стекая к более холодным поверхностям (стенкам бака, радиаторам); холодное масло опускается вниз и циркулирует обратно вокруг обмоток. Эта циркуляция отводит тепло от области обмоток.

Принудительная конвекция:  вентиляторы или насосы (в системах ONAF/OFWF) ускоряют поток масла для увеличения теплопередачи, когда естественной конвекции недостаточно при высоких нагрузках.

Излучение и конвекция на поверхности резервуара:  тепло из резервуара и радиаторов в конечном итоге рассеивается в окружающий воздух.

Классификации охлаждения

Отраслевые стандарты определяют такие режимы охлаждения, как ONAN (масляное, естественное, воздушное), ONAF (масляное, естественное, воздушное, принудительное), OFAF (масляное, воздушное, принудительное) и OFWF (масляное, водяное, принудительное). Выбор зависит от номинальной мощности, условий окружающей среды и требуемой перегрузочной способности.

Взаимодействие изоляции и температуры

Срок службы изоляционных материалов сильно зависит от температуры. Общее правило гласит, что каждое повышение рабочей температуры на 6–10 °C сокращает срок службы изоляции примерно вдвое. Следовательно, масляное охлаждение критически важно для продления срока службы трансформатора, поскольку позволяет контролировать температуру в наиболее горячих точках.

Преимущества по сравнению с сухими трансформаторами

Масляные трансформаторы часто выбираются во многих ситуациях благодаря сочетанию электрических характеристик, терморегулирования и экономической эффективности. Ключевые преимущества включают:

Превосходная охлаждающая способность

Погружение в масло обеспечивает более эффективный отвод тепла, чем воздух, что позволяет выдерживать более высокую длительную нагрузку и более высокую устойчивость к кратковременным перегрузкам.

Более высокая диэлектрическая прочность

Масло заполняет пустоты и улучшает диэлектрическую среду вокруг обмоток и сердечников, увеличивая запасы пробивного напряжения и снижая риск частичного разряда.

Компактность и экономичность

При заданной мощности масляные трансформаторы, как правило, имеют меньшие физические размеры и более низкую стоимость производства по сравнению с эквивалентными устройствами сухого типа, особенно при средних и высоких напряжениях.

Более длительный срок службы при правильном обслуживании

Правильное обслуживание, фильтрация и мониторинг масла (например, DGA) помогают своевременно обнаруживать зарождающиеся неисправности и продлевать срок службы.

Гибкость дизайна

Маслонаполненные устройства могут быть спроектированы для переключателей ответвлений под нагрузкой, больших номинальных мощностей и специальных схем изоляции для требовательных сетевых применений.

Однако важно учитывать и компромиссы: масляные трансформаторы представляют повышенную пожарную опасность при использовании минерального масла, требуют особого обращения с маслом и соблюдения экологических норм, а также могут потребовать более строгой инфраструктуры на объекте. В условиях со строгими требованиями пожарной безопасности, например, в закрытых помещениях, шахтах или высотных зданиях, предпочтительными могут быть сухие трансформаторы или альтернативные жидкости (например, натуральные эфиры).

Типичные сценарии применения

Масляные трансформаторы применяются в самых разных отраслях, где требуется высокая надежность и эффективное терморегулирование. Примеры их применения:

Передающие и распределительные подстанции

Крупные силовые трансформаторы (высокого и среднего напряжения) на подстанциях почти всегда масляные из-за их высокой мощности и необходимости эффективного охлаждения и регулирования напряжения.

Промышленные энергетические системы

Тяжелая промышленность (сталелитейная, нефтехимическая, цементная, горнодобывающая) требует надежных трансформаторов для больших двигателей и технологических нагрузок; масляные конструкции эффективно справляются с высокими нагрузками и переходными напряжениями.

Интеграция возобновляемых источников энергии и объединение сетей

Ветряные электростанции и солнечные электростанции используют масляные трансформаторы в центральных пунктах сбора и повышающих станциях для подключения к передающей сети.

Коммунальные распределительные сети

Распределительные трансформаторы, устанавливаемые на столбах или площадках и обслуживающие жилые и коммерческие помещения, часто используют масло из-за компактности и тепловых характеристик.

Морские и оффшорные платформы

Специально разработанные масляные трансформаторы (при необходимости с огнестойкими жидкостями) используются для судовых электростанций и морских установок.

Центр обработки данных и крупные коммерческие кампусы

Там, где важны пространство, эффективность и надежность, используются масляные агрегаты, иногда с дополнительными мерами пожарной безопасности или альтернативными жидкостями для соблюдения местных норм.

Заключение и рекомендации

Масляные трансформаторы продолжают оставаться краеугольным камнем надежного электроснабжения в коммунальном, промышленном и коммерческом секторах. Эффективное терморегулирование, надежные диэлектрические характеристики и гибкие варианты конструкции делают их предпочтительным выбором для установок средней и высокой мощности. Успешное внедрение зависит не только от первоначального проектирования, но и от тщательного технического обслуживания, мониторинга состояния и, при необходимости, выбора современных изоляционных жидкостей и цифровых технологий мониторинга.