Кабельные трансформаторы

Развитие технологии изготовления высоковольтного кабеля позволило создавать кабель с изоляцией из поперечно-сшивного полиэтилена (XLPE), допускающего высокую напряженность. Поперечно-сшивной полиэтиленовый кабель начали изготовлять в 70-х годах. Сегодня этот кабель широко применяется в подземных распределительных и промышленных сетях. Имеется много примеров применения такого кабеля на напряжение выше 400 кВ. Одной из главных причин замены воздушных линий кабельными является повышение надежности энергоснабжения.
Считается, что рабочая напряженность в таком кабеле сегодня может быть равной 15 кВ/мм (действующего значения), что подтверждено существующими кабельными линиями на напряжение 500 кВ [23]. По практическим мотивам в настоящее время для рассматриваемых напряжений в кабельных трансформаторах применяется кабель с рабочей напряженностью около 10 кВ/мм. В будущем могут быть использованы более высокие напряженности.

Устройство кабельного трансформатора

При изготовлении кабельного трансформатора был использован кабель, изготовленный на заводе ABB в Карлскрона (Швеция).
В таком кабеле токопроводящие медные или алюминиевые жилы окружены общим полупроводящим цилиндрическим экраном, позволяющим снизить высокую напряженность электрического поля на жилах проводника и сделать его квазиравномерным на поверхности экрана. Далее идет изоляция из поперечно сшивного полиэтилена, наружный слой которого также сделан полупроводящим. При относительно малом диаметре такого кабеля он может быть использован для изготовления трансформатора.
При применении такого кабеля для обычных целей он должен быть снабжен защитной оболочкой, предохраняющей от воздействия земли и воды.
Первый кабельный трансформатор был изготовлен фирмой ABB и поставлен энергетической компании в Швеции. Это был трехфазный трансформатор мощностью 20 MB • А и напряжением 140/6,6 кВ (рис. 1). Обмотка ВН слоевая намотана полиэтиленовым кабелем. Дистанцирующие рейки между слоями на концах закреплены радиальными концевыми деталями, изготовленными из стеклопластика. Аксиальные рейки изготовлены из немагнитного проводящего материала. Их назначение — создавать каналы между слоями, обеспечивать охлаждение, создавать механический каркас обмотки и заземление кабеля. Наружный полупроводящий слой кабеля обмотки заземлен. Очень важно точно выбрать сопротивление наружного полупроводящего слоя и контролировать контактное сопротивление в заземляющих точках наружного полупроводящего слоя. Сопротивление наружного полупроводящего слоя должно быть в определенных пределах: слишком высокое сопротивление приведет к появлению высокого потенциала на полупроводящем слое между двумя заземленными точками; слишком низкое сопротивление вызовет большие потери в полупроводящем слое. Хороший контакт полупроводящего слоя и системой заземления также очень важен. Сопротивление полупроводящего слоя принято брать равным 40 Ом/см. Заземляется каждый виток обмотки. Для соединенных в звезду обмоток с заземленной нейтралью обмотка может состоять из двух и более кабелей с разной толщиной изоляции. По мере приближения к нейтрали толщина изоляции кабеля может быть уменьшена благодаря снижению электрических воздействий. После окончания намотки обмотки устанавливаются на обычный трехстержневой остов.

Рис. 1. Первый кабельный трансформатор мощностью 20 MB • А и напряжением 140/6 кВ.
Система охлаждения состоит из двух вентиляторов, установленных в коробке в верхней части трансформатора. Вентиляторы создают поток охлажденного воздуха между слоями обмотки снизу вверх.
На месте установки трансформатор может быть подсоединен непосредственно к кабельной сети.

Особенности кабельного трансформатора

Функции отдельных частей кабельного трансформатора определены более четко, чем обычных трансформаторах. Так, кабель полностью обеспечивает электрическую изоляцию обмотки. Воздух служит только для охлаждения, и не выполняет функции изоляции, как в обычных сухих трансформаторах. Главной функцией немагнитных металлических реек является обеспечение механической прочности обмоток, в том числе при воздействиях токов короткого замыкания. В отличие от обычных трансформаторов, обмотка не требует прессовки с опорой на ярмо. Все это позволяет лучше оптимизировать отдельные части трансформатора.

Прочность при токах короткого замыкания

Испытания были проведены на однофазной модели мощностью 10 МВ-А, с напряжением 52/17 кВ. Обмотка в отличие от обычных трансформаторов не требует сжатия с опорой на ярмо.
В нормальном режиме механической нагрузкой на кабель является только собственный вес, обычно составляющий 2—3 кг/м. Кабель способен выдерживать такую нагрузку, что подтверждено длительными испытаниями.
Испытания на прочность при воздействии токов короткого замыкания проводились в соответствии с МЭК 600.76-5 и стандартом IEEE С.57.1201 — 1989. Модель имела полное сопротивление к.з. 8,1% и номинальный ток обмотки НН — 1118 А. Ток короткого замыкания составил 12600 А (действующий) и пиковое значение асимметричной составляющей 2,55 х 12600 « 32000 А. Длительность воздействий была 500 мс. Испытания проводились при температуре 25 °С и 70 °С. Количество ударов — 3. Вышеуказанные стандарты не содержат указаний о температуре трансформатора во время испытаний. Однако известно, что механические свойства полиэтиленового кабеля изменяются с изменением температуры и, особенно, при высоком ее значении. Поэтому испытания при полном токе короткого замыкания были также проведены при рабочей температуре трансформатора. Что касается длительности, то она представляется достаточно большой, т. к. максимальные усилия имеют место в начале воздействия во время пикового значения тока. Ток затухает экспоненциально, и через 500 мс его значение составляет 50%, а усилия равны 1/4 от максимальных в начале воздействия.
После завершения испытаний при токе короткого замыкания модель была повторно подвергнута всем нормальным испытаниям. Испытания показали, что модель выдержала испытания током короткого замыкания 32000 А без повреждений, воздействующих на работоспособность трансформатора.

Воздействие на окружающую среду

Рассматривались следующие основные проблемы: потери в трансформаторе в течение эксплуатации; материалы; транспортирование и производство. Дополнительно рассматривалась возможность использования материалов после окончания эксплуатации.
Сравнивались два трансформатора: обычный масляный трансформатор и кабельный. Оба трансформатора трехфазные мощностью 40 MB • А и напряжением 69/24 кВ. Расчеты производились для нагрузки 50%.

Рис. 2. Сравнение суммарных потерь за 30 лет эксплуатации обычного (маслонаполненного) и кабельного трансформаторов 40 MB-А, 69/24 кВ: 1 — потери нагрузочные; 2— потери холостого хода; 3 — потери на вентиляцию.
Наибольший эффект получен для потерь. На рис. 2 дано сопоставление потерь. Для кабельного трансформатора они меньше. Однако следует отметить, что на потери влияют конкретные требования к конструкции и стоимость потерь.
В кабельном трансформаторе различные материалы легче разделить для повторного использования.
Главной причиной меньшего воздействия кабельного трансформатора на экологию является отсутствие масла.

Пожаробезопасность

При повреждении обычного маслонаполненного трансформатора всегда есть опасность возгорания масла. В случае разрыва бака горящее масло разливается вокруг трансформатора. В кабельном трансформаторе количество горючих материалов гораздо меньше, чем в обычном.
Кроме того, горючесть материалов, применяемых в кабельном трансформаторе, имеет меньшую тенденцию к развитию возгорания, чем горючие материалы, применяемые в обычном трансформаторе.
Таблица 9. Сравнение общего количества горючих материалов в кабельном и обычном трансформаторах

Уменьшенная тенденция была продемонстрирована экспериментально. Два кабеля с полиэтиленовой изоляцией напряжением 45 кВ, диаметром 30 мм были специально повреждены. Затем в поврежденном месте была создана электрическая дуга с током 40 кА, длительностью 100 мс. Медь проводников кабеля в месте горения дуги была оплавлена, полиэтиленовая изоляция также оплавилась и деформировалась. Загорания не возникло. Умеренная часть образовавшихся газов была горючей. Большую часть газов составил углекислый газ, С02, и только небольшое количество образовалось окиси углерода, СО, и углеводорода.

Взрывобезопасность

В маслонаиолненном трансформаторе при большой мощности электрической дуги может быть выделена электрическая энергия, приводящая к образованию большого количества газов и быстрому росту давления в баке.
В кабельном трансформаторе масло отсутствует и вся изоляция состоит из полиэтилена. Кабель практически окружен воздухом. Эти обстоятельства практически меняют характер процесса. В результате этого кабельный трансформатор имеет существенные преимущества, как по амплитуде ударной волны, так и по стоимости различных защитных мер.