«Умные» трансформаторы – технологии будущего

Опубликовано: 22 Декабрь 2013

Трансформаторная отрасль считается одной из консервативных. Однако и там периодически происходят изменения, только не революционного, а эволюционного плана. Трансформаторы становятся не просто экономичными и технически совершенными, они становятся «умными» (smart, смарт).
Развитие энергетики ставит перед разработчиками новые и сложные задачи. В результате в скором времени трансформаторную отрасль ждут радикальные перемены.
Проанализировав основные тенденции рынка электрооборудования, можно сказать, что на данный момент при создании современных моделей трансформаторов основной упор делается на снижение затрат на их производство и эксплуатацию. Но главной задачей остается поиск новых конструкционных материалов, повышение эксплуатационной надежности и ремонтопригодности трансформаторного оборудования. Прогрессивные достижения в этом плане определяются созданием новых и усовершенствованием применяемых изоляционных материалов и магнитных составляющих. Существенным прогрессом в решении вопроса надежности можно считать применение новых аморфных материалов и создание пожаробезопасных трансформаторов.
По мнению специалистов-энергетиков, внедрение аморфных сплавов, имеющих большую величину удельных потерь, существенно улучшат характеристики магнитопроводов. Как следствие, на выходе производители получат существенное снижение потерь холостого хода и повышение надежности.
Малая толщина аморфного материала дает возможность применять его для витых конструкций магнитопроводов, то есть, использовать при производстве распределительных трансформаторов и трансформаторов небольшой мощности. В США уже применяют такую практику для производства маломощного трансформаторного оборудования. Новаторство пытаются применить для производства трансформаторов средней мощности. Для этого используется метод спрессовывания и увеличение ширины листа. Но основным показателем эффективности новаторской разработки заключается в том, что такие трансформаторы из экспериментального оборудования переходят в серийное производство.
Изучение магнитных материалов аморфного типа началось в 60-х годах прошлого столетия. Первым производителем аморфных лент считают американскую фирму AlliedSignal, которая выпускала ленты толщиной 30-50 мкм. Ширина ленты была около 100 мм. Несмотря на то, что ленты имеют достаточную гибкость и эластичность, они обладают достаточно высокой твердостью (порядка 63-80 единиц по Роквеллу).  
Другой задачей, в решении которой также применяются прогрессивные разработки, считается создание взрыво- и пожаробезопасных трансформаторов. При этом они не должны оказывать негативного влияния на экологию. В современных трансформаторах хлордиффенилы заменены на нетоксичные жидкие диэлектрики, производимые в Японии и США. В общем плане такое оборудование вполне отвечает необходимым требованиям безопасности.
Применяемые в трансформаторах жидкие диэлектрики должны отвечать определенным требованиям, а именно: быть нетоксичными, самогасящимися, биоразлагаемыми и обладать низким коэффициентом объемного теплового расширения.
В принципе, этим требованиям удовлетворяют искусственно созданные кремний-органические жидкости (КОЖ), в особенности полидиметилсилоксаны. Они обладают сравнительно низкой вязкостью, имеют хорошие свойства самопогашения и охлаждения. КОЖ имеют высокую молекулярную массу, поэтому они не аккумулируются в живых организмах и не вступают в процессы метаболизма. Этот материал устойчив к воздействию микроорганизмов, однако, попадая на поверхность почвы, он имеет свойство расплываться, создавая тонкую пленку. Под воздействием солнечных лучей эта пленка быстро разлагается на обычные и безопасные для окружающей среды вещества. Таким образом, применение КОЖ в трансформаторах уже становится нормой.
Однако все новые решения в трансформаторной области являются прогрессивным и поэтапным развитием идей, основа которых заложена еще в 80-х годах ХХ века. Этому есть свое объяснение: без проработки прежних направлений трансформаторная промышленность вряд ли смогла бы достойно ответить на возрастающие запросы нового времени. Тем не менее, выпуская серийные модели, разработчики не перестают думать, какими будут трансформаторы будущего.

Трансформатор, оснащенный компьютерным чипом

полупроводниковые трансформаторы

Над созданием так называемой «умной» электросети работают инженеры всего мира. Во многих государствах подобные сети уже созданы, но для большего усовершенствования требуется создать новые трансформаторы. То трансформаторное оборудование, которое сейчас используется в электрике, имеют единственную функцию. Их задача понижать напряжения высоковольтных сетей до бытовых 220-240 В. Между тем, новые полупроводниковые (твердотельные) трансформаторы будут оснащены специальными компьютерными чипами, с помощью которых можно быстро и качественно провести отрегулировать напряжение. Эксперты уверены, что твердотельные трансформаторы позволят более эффективно управлять нагрузками, оптимизируют потребление электроэнергии на объектах и дополнят «умную» энергосистему. Такие трансформаторы будут способны менять напряжение в зависимости от потребности объекта, подключать к домашней сети ветровые турбины, солнечные батареи или дизельные генераторы. Они смогут предотвращать перегрузку электросети и перераспределять энергию, увеличивая ее в те часы, когда стоимость электричества ниже.
Проще говоря, у «умного» трансформатора появится способность объединять несколько источников энергии с различными характеристиками, начиная от высоковольтных сетей и заканчивая бензиновым генератором. Такая сеть обеспечит дом бесперебойным энергоснабжением без приобретения дополнительных сложных систем для каждого типа оборудования в отдельности. Кроме того, трансформатор будет способен поддерживать напряжение на таком уровне, который необходим для стабильной работы бытовых приборов. Как показали проведенные в США исследования, применение «умных» трансформаторов позволило сэкономить до 3% электроэнергии, что в несколько раз превышает объем энергии, вырабатываемой всеми солнечными панелями Америки.
Еще одной отличительной чертой «интеллектуальной» электросистемы будет уникальная возможность «общения» между энергосистемой и поставщиками электроэнергии для бесперебойной работы в сложных условиях.
У ВТСП-трансформаторов эксперты выделили следующие преимущества:

  • Уменьшение на 90% нагрузочных потерь энергии при номинальном  токе, что существенно повышает КПД трансформатора.
  • Снижение веса и уменьшение габаритов трансформатора почти на 40%. Это позволяет использовать ВТСП-трансформаторы на действующих подстанциях без каких-либо конструкционных изменений. Транспортировка трансформаторов существенно облегчается.
  • Новые трансформаторы обладают свойствами ограничения тока КЗ, а это при аварийном режиме защитит электрооборудование системы.
  • За счет значительного уменьшения реактивного сопротивления трансформатор без регулировки обеспечивает стабилизацию напряжения.
  • Высокая устойчивость к перегрузкам без повреждения изоляции и не приводящая к преждевременному старению трансформатора.
  • Значительно снижен уровень шума.

Помимо всего прочего, ВТСП-трансформаторы более экологичны и пожаробезопасны по сравнению с масляными аналогами.
Несмотря на то, что подобные разработки ассоциируются с фантастикой, поступление первых твердотельных трансформаторов в серийное производство ожидается в ближайшее время. О своих разработках в этой области уже заявили такие ведущие японские производители, как Toshiba и Mitsubishi Electric.

Сверхпроводимость и трансформаторы

Еще одна перспективная тема при создании новых трансформаторов – применение эффекта сверхпроводимости. Впрочем, еще с 60-х годов отмечалось повышенное внимание к трансформаторам с эффектом сверхпроводимости. Это было связано с появлением низкотемпературных сверхпроводников, которые применялись для обмоток трансформаторов. С того самого времени многие мировые производители из Европы, Японии и США стали вести исследования по созданию низкотемпературных сверхпроводниковых трансформаторов (НТСП). Но вопреки всем ожиданиям, барьером в развитии и применении НТСП-трансформаторов стали огромные размеры криогенных систем, которые необходимы для производства жидкого гелия. Это сделало экономически нецелесообразным производство таких трансформаторов.
Открытие в 1986 году высокотемпературных сверхпроводниковых материалов (ВТСП) дало возможность исключить из конструкции трансформатора громоздкие охлаждающие устройства. И теперь приоритет в разработках сверхпроводимых трансформаторов отдается именно этому направлению. Этому есть логическое объяснение, так как сверхпроводники обладают уникальным свойством – при высокой плотности тока они имеют малые потери, а при достижении критического тока быстро переходят от почти нулевого сопротивления к высокому. Такое свойство дало возможность получить трансформатор, по своим характеристикам значительно превосходящий традиционно применяемые сегодня сухие и масляные трансформаторы.
На сегодняшний день в мире существует три основные разработки по созданию ВТСП-трансформатора: в США, Европе и в Японии. Все три проекта были реализованы в 1997 году в виде опытных образцов. Министерство энергетики США сделало подробный анализ пробного применения ВТСП-трансформаторов. На основании этих исследований эксперты установили, что затраты за весь срок эксплуатации ВТСП-оборудования мощностью до 30МВА почти на 50% меньше затрат на обслуживание традиционных трансформаторов. Вдохновленные таким подсчетами, конструкторы работают над проектом сверхпроводящего трансформатора мощностью до 1 миллиона кВт. Обладая достаточно большими мощностями, новый трансформатор, тем не менее, будет почти на 50% легче обычного масляного при сравнительно одинаковых потерях мощности.
Однако, несмотря на неоспоримые преимущества, сверхпроводящие трансформаторы имеют и существенные недостатки. Главным образом они связаны с защитой трансформатора от потери его сверхпроводящих свойств при возможных перегрузках, перегревах, коротких замыканиях, в случае если ток, магнитное поле или температура достигнут максимальных значений.
Подобные форс-мажорные обстоятельства могут привести к разрушению трансформатора. Впрочем, даже если разрушения и не произойдет, трансформатору понадобится несколько часов на охлаждение и восстановление сверхпроводящих способностей. Такие перерывы в электроснабжении неприемлемы. Это говорит о том, что прежде, чем вводить сверхпроводящие трансформаторы  в серийное производство, необходимо разработать систему защиты оборудования от аварийных режимов и детально проработать возможность альтернативного обеспечения системы электроэнергией на время простоя сверхпроводящего трансформатора. Успехи, достигнутые в этой области, позволяют надеяться, что в недалеком будущем проблема защиты трансформаторов нового поколения будет успешно решена и оборудование займет свое место на электроподстанциях.

Ещё по теме:

написано в рубрике: Статьи
Метки:

Оставить отзыв