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 модернизация 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.