Модернизация силовых трансформаторов

Опубликовано: 21 Ноябрь 2011

Передельский В.А., Колбасов В.Ф., канд.техн.наук, Садовников В.А., Якимов В.А.

Рассмотрены вопросы увеличения нагрузочной способности трансформатора на 20-25 % путем реализации комбинированной системы охлаждения трансформаторов серии 110 кВ типа ONAN-ONAF-OFAF и замена системы охлаждения ONAN-ONAFна систему OFAF.

На определенной стадии расширения производств и предприятий, развития промышленных зон нередко возникают проблемы с подключением новых объектов и энергопотребителей к существующим электросетям из-за ограничения проектной мощности существующих подстанций и достижения пределов нагрузки понижающих трансформаторов.

Отсутствие резерва мощности трансформаторов на подстанциях чрезвычайно остро сказывается при отказе одного из трансформаторов в период, необходимый для его замены на резервный, или до возврата после ремонта, когда работающие трансформаторы оказываются не в состоянии перераспределить и хотя бы на время взять на себя дополнительную нагрузку вышедшего из строя трансформатора. В итоге возникают перебои в энергообеспечении и огромные денежные потери из-за недопоставки электроэнергии.

Задача увеличения пропускной способности электрических подстанций традиционно решается путем их реконструкции с заменой трансформаторов на более мощные или строительством новой подстанции. Однако это требует больших инвестиций, пересмотра проекта подстанции, длительного времени на выполнение строительно-монтажных работ и изготовление новых трансформаторов. Но это не всегда возможно из-за недопустимости снижения уровня энергообеспечения существующих объектов на длительный период, отсутствия площадей в условиях тесной застройки, достаточных финансовых ресурсов и пр.

Простая замена трансформаторов на более мощные также не всегда приемлема, так как трансформаторы большей мощности имеют и большие габаритные размеры и зачастую не вписываются на место установки старых трансформаторов. То есть, и в этом случае необходима существенная реконструкция подстанции. Этот вариант также связан с необходимостью значительных инвестиций на закупку новых более мощных и более дорогих трансформаторов и появлением проблемы реализации ранее эксплуатировавшегося трансформаторного оборудования на вторичном рынке, где достойную соразмерную степени износа цену за бывшую в употреблении продукцию получить практически невозможно.

Более экономичной альтернативой традиционным решениям в ряде случаев может быть модернизация трансформаторов с увеличением их нагрузочной способности. Естественно, чаще всего речь идет об увеличении нагрузочной способности трансформаторов, находящихся в относительно хорошем техническом состоянии с достаточным остаточным ресурсом.

Принципиально увеличение нагрузочной способности трансформатора при модернизации может быть достигнуто несколькими методами:

- полной заменой активной части на новую, рассчитанную и изготовленную с новыми техническими характеристиками, в том числе и с большей мощностью;

- увеличением плотности тока обмоток трансформатора при замене проводникового материала обмоточных проводов и отводов на материал с меньшим удельным сопротивлением, в частности, алюминиевых проводов на медные, при сохранении геометрии обмоток;

- перепроектированием и заменой существующих обмоток на новые обмотки, изготовленные с использованием вместо целлюлозной изоляции материала более высокого класса нагревостойкости, без проблем выдерживающего большие температуры обмоток и масла. Это могут быть арамидная бумага и картон типа NOMEX, гибридная изоляция целлюлоза-NOMEX [1, 2] и др. При этом используются обмоточные провода с изоляцией NOMEX или, например, транспонированные провода с эмалевой изоляцией элементарных проводников и вообще без общей бумажной изоляции провода или с перфорированной изоляцией NOMEX [3];

- повышением эффективности работы системы охлаждения трансформатора для рассеивания возрастающих с ростом допустимых нагрузок суммарных потерь холостого хода и короткого замыкания.

В зависимости от состояния трансформатора, решаемых задач и имеющихся ограничений по согласованию с Заказчиком выбирается наиболее целесообразный метод или сочетание методов модернизации с повышением нагрузочной способности.

Для трансформаторов с достаточно большим остаточным ресурсом наименее затратным представляется последний из перечисленных способов: повышение нагрузочной способности путем реконструкции и повышения эффективности работы системы охлаждения. Заключение о возможности применения такого варианта модернизации основывается на результатах тепловых расчетов и анализа конструкции бака трансформатора, существующей системы охлаждения, габаритов маслоохладителей, наличия места для навешивания дополнительных охлаждающих устройств и пр.

Арсенал средств для увеличения мощности систем охлаждения модернизируемого трансформатора весьма ограничен. Для системы естественного охлаждения ONAN (М) можно добавить радиатор, заменить радиаторы на более мощные или оснастить радиаторы вентиляторами обдува, превратив систему охлаждения в ONAN-ONAF (Д). Но для реализации таких решений на стенках бака трансформатора место обычно найти проблематично.

Мощность охлаждения системы ONAF возрастает с увеличением производительности вентиляторов, а также при установке дополнительного количества вентиляторов. Но этот метод применяется редко из-за дефицита места для их монтажа.

В отечественном трансформаторостроении имеется успешный опыт создания в Тольятти трансформаторов серии 110 кВ с так называемой форсированной системой охлаждения, например, типов ТДТНФ-40000/110, ТДТНЖФ-40000/110. Суть конструкции состоит в том, что наряду с радиаторами трансформатор оснащается дополнительно одним или несколькими маслоохладителями с системой многоходовых трубок с развитой наружной поверхностью, по которым принудительно циркулирует охлаждаемое масло и которые обдуваются вентиляторами большой производительности.

Такие трансформаторы с успехом эксплуатируются в сетях со значительными пиковыми перегрузками. Так, трансформатор 40 МВА при работающей системе форсированного охлаждения эксплуатируется с повышенной нагрузкой, допустимой для обычного трансформатора мощностью 63 МВА.

Электротехническая компания ЗАО «ДИАРОСТ» (г.Тольятти), использовав аналогичную концепцию, разработала методику расчетов, выполнила и успешно реализовала более десятка проектов модернизации силовых трансформаторов серии 110 кВ с увеличением их нагрузочной способности на 20-25%.

Модернизация сводится, в основном, к наращиванию мощности систем охлаждения путем дополнительного монтажа на стенках бака трансформатора в дополнение к имеющимся радиаторам маслоохладителей с принудительными потоками масла и воздуха, то есть создания комбинации систем охлаждения ONAN-ONAF и OFAF (ДЦ) с большей суммарной мощностью охлаждения. Изменения состоят также в дополнительной установке на стенке бака трансформатора нового шкафа ШАОТ для автоматического управления работой вентиляторов и насосов системы OFAF.

Проектный подход к ремонту и модернизации трансформаторов, реализуемый в компании, предусматривает в каждом конкретном случае разработку необходимого комплекта технической документации, отражающей все изменения конструкции и технических характеристик, согласование с заказчиком и включение проекта в состав документации, передаваемой заказчику совместно с модернизированным трансформатором.

Некоторые из проектов для различных заказчиков по увеличению нагрузочной способности трансформаторов типа ТДН и ТРДН путем реконструкции систем охлаждения приведены в табл. 1.

В процессе расчетов и рабочего проектирования определяется наиболее экономичное и эффективное по производительности, вписывающееся по периметру бака трансформатора сочетание существующих радиаторов и устанавливаемых дополнительно маслоохладителей.

Например, для повышения нагрузочной способности трансформатора ТРДН-25000/110 на 20% на ПС 110 кВ «Промышленная» Баш РЭС потребовалась дополнительная установка двух маслоохладителей с мощностью теплоотвода по 180 кВт. Одновременно, из-за необходимости обеспечения места для монтажа маслоохладителя, с длинной стенки бака со стороны вводов ВН в зоне фазы «А» демонтирован один из гнутотрубных радиаторов.

Конструктивно маслоохладители смонтированы: ДЦ-1 вместо демонтированного радиатора на стороне ВН у фазы «А»; ДЦ-2 — на свободном торце бака трансформатора у фазы «С».

На более поздних модификациях трансформаторов ТРДН-25000/110 на заводе-изготовителе количество устанавливаемых радиаторов было сокращено с пяти до четырех. Так как при этом появилось больше пространства по периметру бака трансформатора, при модернизации таких трансформаторов описанный выше демонтаж одного из радиаторов, естественно, не предусматривается.

Нагрузочная способность трансформатора в результате модернизации, в зависимости от режима охлаждения, распределилась так, как это приведено в табл. 2.

Проект обеспечивает полное соответствие трансформатора требованиям нормативной документации [5] в части нагрузочной способности и превышения  средней температуры обмоток и температуры наиболее нагретой точки над температурой окружающей среды.

Таблица1
Реализованные проекты модернизации трансформаторов с увеличением нагрузочной способности методом реконструкции систем охлаждения

Объект

Тип
трансформатора

Мощность после модернизации. кВА

Завод-изготовитель /  год выпуска/
/ заводской номер

Год
реализации
проекта

Нижнекамские ЭС, ПС «Городская»

ТДН-16000/110

20000

ТЭЗ/1969/Э076

2000

Нижнекамские ЭС, ПС «Городская»

ТДН-150МУ110

17500

ТЭЗ/1967/912

2000

Автозаводские ЭС Тольятти, ГПП-3

ТРДН-40000/110

50000

ТЭЗ/1980/9961

2003

Автозаводские ЭС Тольятти. ГПП-3

ТРДН-40000 110

50000

ТЭЗ 1980/11115

2003

Н-Челнинские ЭС, ПС «Зяб»

ТДН-16000/110

20000

ТЭЗ/1975/6603

2005

Н-Челнинские ЭС. ПС «Зяб»

ТДН-16000/110

20000

ТЭЗ/1976/7642

2005

Нижнекамсхие ЭС, ПС «Загородная»

ТРДН-25000/110

30000

ТЭЗ/1066/16607

2006

Нижнекамские ЭС, ПС «Загородная»

ТРДН-25000/110

30000

ТЭЗ/1086/16608

2006

"Единство", Казань, ГПП "Магнит"

ТРДИ-25000/110

30000

ТЭЗ/1976/7746

2003

Алтайэнерго. г. Барнаул, ПС "Западная"

ТРДН-25000/110

30000

ТЭЗ/1087/17451

2008

Баш РЭС, ПС «Промышленная»

ТРДН-25000/110

30000

ТЭЗ/1978/9493

2008

Алтайэнерго. г. Барнаул, ПС «Западная»

ТРДМ-25000/110

30000

ТЭЗ/1989/19375

2009

Это важный факт, свидетельствующий, что при эксплуатации трансформатора даже на новых предельных нагрузках 30 MBA не будет происходить ускоренное старение целлюлозной изоляции и ускоренное сокращение остаточного ресурса трансформатора по сравнению с характеристиками трансформатора до модернизации
система ONAN-ONAF до и после модернизации
ТРДН-25000 110 ПС "Промышленная"
а — система ONAN-ONAF до модернизации (5 радиаторов с обдувом)
б — система ONAN-ONAN-ONAF после модернизации (4 радиатора с обдувом и 2 маслоохладителя топа ОДЦ-180)
Так как геометрия обмоток, их взаимное расположение и раскрепление при описанной модернизации не изменяются, динамическая стойкость обмоток к воздействию токов короткого замыкания для трансформатора увеличенной нагрузочной способности также сохраняется на прежнем уровне
Новая система автоматического управления комбинированной системой охлаждения обеспечивает следующие режимы работы:
при малых нагрузкам трансформатора до 50% (до 16 МВД) происходит охлаждение трансформатора при естественной циркуляции масла, когда задействованы только радиаторы без обдува — режим OMAN (М);
при достижении температуры верхних слоев масла 55 °С или при достижении тока нагрузки на стороне ВН 75 А и более автоматически включаются вентиляторы принудительного обдува радиаторов; отключение их производится при 50°С, если при этом ток нагрузки на стороне НН будет менее 75 А. Этот режим охлаждения ONAF (Д) реализуется в диапазоне нагрузок трансформатора от 16до 25 М8А;
при достижении температуры верхних слоев масла 65 °С. независимо от величины тока нагрузки трансформатора, дополнительно автоматически в работу включается один из маслоохладителей, например. ДЦ-1. Причем двигатели вентиляторов обдува и маслонасоса включаются одновременно. Отключение маслоохладителя производится при температуре масла 50 °С;
при токе нагрузке со стороны ВН 125 А и выше > 25 MBA), независимо от температуры масла в баке трансформатора, автоматически задействуется дополнительно и второй маслоохладитель ДЦ-2. Все электродвигатели вентиляторов и насоса маслоохладителя включаются также одновременно. При работающей маслоохладителях реализуется режим охлаждения OFAF (ДЦ). когда охлаждение осуществляется при принудительной циркуляции масла и принудительном о обдуве трубных пучков маслоохладителя.

Нагрузочная способность и характеристики модернизированного трансформатора ТРДН-25000 110 при разлитых режимах работы системы охлаждения

Схема
охлаждения

Нагрузочная
способность,
кВА

Потери, кВт

Напряжение короткого замыкания  для режима ВН-НН.%

Ток холостого хода, %

холостого
хода

короткого
замыкания

суммарные
потери

OMAN

16000

25,75

49,96

75,71

12,27

0,42

OMAF

25000

25,75

121,43

147,18

10,64

0,42

ONAF + OFAF

30000

25.75

176.06

200,81

6,81

0,42

* Приведено к соответствующим мощностям 30 MBA, 25 MBA и 16 MBA

В случае аварийного отключения маслоохладителя ДЦ-1, независимо от тока нагрузки трансформатора, немедленно автоматически в работу включается маслоохладитель ДЦ- 2.
Релейная защита трансформатора выполнена из расчета установки блокировок в позиции, соответствующие номинальной мощности трансформатора 30 MBA и мощностям обмоток НН1 — 15 MBA и НН2 — 15 МВА.
Внешний вид трансформатора ТРДН-25000/110 до и после модернизации представлен на фотографиях (рис. 2).

Трансформатор ТРДН-25000
Рис. 2. Трансформатор ТРДН-25000 / 110 «Загородная» Нижнекамских ЭС до модернизации (а) и после модернизации с увеличением мощности мощности до 30000 кВА (б)
Трансформатор ТРДН-25000 после модернизации
В другом проекте модернизации трансформатора ТРДН-40000/110/10 Автозаводских электростанций (г. Тольятти) с увеличением нагрузочной способности на 20% задача эффективно решена монтажом на баке трансформатора четырех маслоохладителей ОДЦ-180 вместо шести штатных гнутотрубных радиаторов с вентиляторами обдува, то есть отказом от системы охлаждения типа ONAN-ONAF в пользу системы OFAF.
Схема модернизации трансформатора ТРДН- 40000/1 10/10 и расстановки маслоохладителей представлена на рис. 3.
Реализация проектов реконструкции собственно систем охлаждения трансформаторов на подстанциях занимает до 7 дней. Стоимость модернизации не превышают 10 % стоимости нового трансформатора большей номинальной мощности. Эти затраты быстро возмещаются за счет увеличения сбыта электроэнергии потребителям.
Схема модернизации трансформатора ТРДН-40000
Рис. 3 Схема модернизации трансформатора ТРДН-40000 110/10 с увеличением нагрузочной способности до 50000 кВА
а — система охлаждения ONAN-ONAF (6 радиаторов с вентиляторами обдува),  б — система охлаждения OFAF (4 маслоохладителя типа ОДЦ-180).

Многолетняя успешная эксплуатация модернизированных трансформаторов с увеличенной нагрузочной способностью, достигнутой реконструкцией системы охлаждения, практически подтверждает верность концепции применяемых методик расчетов и конструктивных решений и соответствует ожиданиям заказчиков [6].
Накопленный в этой области опыт вывел компанию ЗАО «ДИАРОСТ» на лидирующие позиции в области модернизации силовых трансформаторов с увеличением их нагрузочной способности.

ВЫВОДЫ
Модернизация силовых трансформаторов с увеличением нагрузочной способности может быть эффективным решением задач увеличения пропускной способности подстанций и повышения надежности энергоснабжения.
Наиболее экономичным способом увеличения нагрузочной способности силовых трансформаторов является реконструкция системы охлаждения с использованием дополнительно одного или нескольких маслоохладителей.
Увеличение нагрузочной способности при этом не сопровождается ускорением термического износа электрической целлюлозной изоляции трансформаторов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Hetdmaier H. Nomex Applications WCOR Insulation Conference-1996. H.Weidmann Ltd., Rapperswil, 1996, v. S.
Moser HP., Dachinden V. Transtormerboard II. H Weidman AG, Rapperswill, 1907, pp 93-102
Fetber W. Advanced technologies for mpcwement of Efficiency of Large Power Transformers Contention report of conference «Transform’98», April 1998, Munich, pp. 3-16
Трансформаторы силовые. Проспект, ОАО «Трансформатор». 1996. С. 20-23,
Трансформаторы силовые. Общие технические условии, ГОСТ 11677-85
Анисимова Е. В результате модернизации энергооборудования увеличена мощность крупной городской подстанции. Филиал МРСК Сибири — Алтайэнерго, Барнаул, 2009.

Ещё по теме:

написано в рубрике: Статьи
Метки: ,

Оставить отзыв