обмотки силовых масляных трансформаторов

Когда говорят про обмотки силовых масляных трансформаторов, многие сразу представляют себе просто медный провод в изоляции. На деле же — это целый мир, где каждый миллиметр, каждый слой бумаги или картона, каждый угол наклона конуса обмотки решает, проработает ли аппарат тридцать лет или выйдет из строя после первого серьезного КЗ. Частая ошибка — смотреть только на сечение проводника и класс изоляции, упуская из виду механическую стойкость, процессы старения масло-бумажной изоляции и, что крайне важно, технологию намотки и пропитки. Сам видел, как на одном из старых заводов пытались сэкономить на межслойной изоляционной бумаге, увеличив шаг намотки — вроде бы параметры по сопротивлению и индуктивности сошлись, но после нескольких тепловых циклов началось постепенное сползание витков, а потом и межвитковое замыкание. Это к вопросу о том, что расчеты — это одно, а физика в металле и диэлектрике — совсем другое.

Бумага, масло и долгие годы работы

Основа долголетия здесь — это, конечно, масло-бумажная изоляция. Но не всякая бумага подходит. Нужна кабельная бумага высокой плотности, с определенной пропиткой и, что критично, с минимальным содержанием влаги еще до попадания в бак. Вспоминается случай с партией трансформаторов 35 кВ, где при замере тангенса дельта угла диэлектрических потерь после заводских испытаний все было в норме. А через год на подстанции начались проблемы с газовой защитой. Вскрыли — а там в верхних слоях обмотки, в зоне наибольшего теплового воздействия, бумага начала преждевременно стареть, появились локальные области с повышенной проводимостью. Причина оказалась в микроскопических отклонениях в составе пропиточного состава у одного из поставщиков бумаги. Не критично для сухих трансформаторов, но для масляных, где бумага работает в тандеме с маслом, — фатально. Вот почему некоторые производители, вроде ООО Хэнань Цзиньюй Электрик, уделяют такое внимание входному контролю изоляционных материалов. На их сайте jydq.ru видно, что они работают с сериями распределительных трансформаторов на 10 кВ и 35 кВ, а это как раз тот диапазон, где надежность обмоток — ключевой параметр.

Сама пропитка — это отдельная наука. Вакуумирование, прогрев, заливка горячим, дегазированным маслом... Если останутся даже мелкие воздушные включения, они станут очагами частичных разрядов. Со временем это ведет к деградации изоляции и, в конечном счете, к пробою. В практике был печальный опыт с трансформатором 10 кВ, который вышел из строя после 5 лет эксплуатации. При анализе в лаборатории нашли характерные дендриты — 'деревья' — в толще изоляции обмотки ВН. Причина — неполное вакуумирование на этапе заводской пропитки. С тех пор всегда с большим вниманием отношусь к протоколам вакуумирования и термоциклирования на производстве.

И еще про масло. Его часто рассматривают лишь как охлаждающую среду. Но оно — активный элемент изоляционной системы. Окисление масла, появление шлама, поглощение влаги — все это напрямую бьет по ресурсу бумажной изоляции обмоток. Поэтому контроль качества масла в эксплуатации не менее важен, чем качество его заливки на заводе. Особенно для силовых масляных трансформаторов, работающих в циклическом режиме с частыми перегрузками.

Конструктивные тонкости: дисковая, катушечная, винтовая

Выбор типа обмотки — это всегда компромисс между электрическими, механическими и тепловыми характеристиками. Для трансформаторов 10-35 кВ, которые являются основой продуктовой линейки многих производителей, включая упомянутую компанию, чаще всего встречаются многослойные цилиндрические обмотки НН и дисковая катушечная обмотка ВН. Дисковая хороша тем, что между катушками легко организовать усиленную изоляцию и охлаждающие каналы. Но есть нюанс с переходом между дисками — места пайки или сварки переходных перемычек. Это потенциальное слабое место с точки зрения и механических напряжений при КЗ, и локального перегрева.

Винтовые обмотки для больших токов — это отдельная история. Там критична равномерность распределения тока между параллельными ветвями. Неидеальность в геометрии или разная длина проводников могут привести к перераспределению тока и локальному перегреву, который со временем убьет изоляцию. Один раз пришлось разбирать трансформатор, где в винтовой обмотке одна из параллелей была чуть короче из-за погрешности при нарезке проводника. Вроде мелочь, но за десять лет эта 'мелочь' привела к заметному потемнению изоляции именно на этой ветви.

А что с транспозицией проводников в обмотке? В многослойных цилиндрических обмотках для выравнивания индуктивного сопротивления и снижения добавочных потерь ее часто применяют. Но каждая транспозиция — это разрыв в изоляции, место потенциального ослабления. Нужно очень точно рассчитывать, где и как ее делать. Чисто теоретические расчеты иногда дают идеальные точки, но на практике, при намотке, эти точки могут попасть на место сильного механического натяжения. Лучше сместить, пожертвовав идеальностью электрического баланса, но получив большую механическую надежность.

Механика: что не убьет КЗ, то укрепит

Самое страшное для обмотки — не долговременный нагрев, а электродинамические силы при коротком замыкании. Эти силы стремятся сжать обмотку радиально, растянуть ее осево, а то и скрутить. Поэтому помимо электрического расчета идет серьезный механический. Рассчитываются напряжения в проводниках, в изоляционных прокладках, в крепежных элементах. Но расчет — это модель. В жизни все сложнее.

Например, прессовка обмотки. Ее нужно вести с определенным усилием, чтобы после сушки и пропитки не возникло послабления. Но если пережать — можно повредить изоляцию проводников или деформировать каркас. Нужен опыт и чувство материала. Помню, на одном из старых трансформаторов после капитального ремонта и перемотки возник сильный гул при работе. Оказалось, новая обмотка была намотана с недостаточным натяжением и после пропитки дала небольшую усадку. В результате между обмоткой и ярмом появился микрозазор, в котором под действием магнитного потока вибрировали элементы крепления. Пришлось дожимать бандажами уже в собранном виде, через технологические окна — работа ювелирная и рискованная.

Или такой момент, как термоциклирование. Металл (медь, алюминий) и изоляция (бумага, прессшпан) имеют разные коэффициенты теплового расширения. За годы работы в режиме 'нагрев-остывание' происходит 'утряска' конструкции. Хорошо спроектированная и намотанная обмотка после этого становится только монолитнее. Плохо спроектированная — начинает 'дышать', ослабляются распорки, увеличивается осевой люфт. Поэтому некоторые ответственные производители проводят ускоренные термоциклические испытания на прототипах, имитируя многолетнюю эксплуатацию.

Контроль и диагностика: увидеть проблему до взрыва

Все знают про высоковольтные испытания и измерение сопротивления изоляции. Но это, скорее, констатация факта: годится или нет. Гораздо важнее методы, позволяющие оценить состояние в процессе эксплуатации. Например, частотный анализ отклика обмотки (FRA — Frequency Response Analysis). По сути, это 'отпечаток пальцев' механического состояния обмотки. Любое смещение, деформация, ослабление прессовки меняет индуктивности и емкости распределенной системы и, как следствие, график АЧХ. Сравнивая текущий график с эталонным (заводским или сделанным после монтажа), можно с высокой вероятностью выявить начинающиеся проблемы.

Еще один мощный инструмент — хроматографический анализ газов, растворенных в масле. Перегрев целлюлозной изоляции обмоток дает характерные газы — CO и CO2 в повышенных концентрациях. А наличие ацетилена (C2H2) уже сигнализирует о наличии электрической дуги, что может быть следствием межвиткового замыкания. Это не прямое исследование обмотки, но очень информативный косвенный метод. Важно строить тренды, а не смотреть на разовые замеры.

И, конечно, классика — внешний осмотр через люки при отключенном и заземленном трансформаторе. Потеки смолы на торцах обмоток, потемнение изоляции, состояние контактов переключающих устройств (если они есть), следы коррозии на металлических деталях... Это не дает количественных данных, но опытный глаз может многое увидеть. Часто именно такие осмотры наталкивают на мысль о более глубокой диагностике.

Вместо заключения: мысль о надежности

Работая с обмотками силовых масляных трансформаторов, постоянно ловишь себя на мысли, что создаешь изделие, которое должно работать дольше, чем живет поколение людей. Это накладывает особую ответственность. Нельзя слепо следовать ГОСТам и ТУ — они задают минимум. Нужно понимать физику процессов, знать слабые места конкретных конструкций и технологий, предвидеть, как поведет себя аппарат в реальных, далеких от идеальных, условиях эксплуатации.

Поэтому, когда видишь в каталогах компаний, таких как ООО Хэнань Цзиньюй Электрик (их портфель как раз включает ключевые для сетей 10 и 35 кВ трансформаторы), не просто перечень параметров, а упоминание о контроле качества на всех этапах, испытательном оборудовании, — это вызывает больше доверия. Потому что за этим, вероятно, стоит понимание того, что надежность трансформатора рождается не на сборочном стенде, а гораздо раньше — при выборе марки медного провода, при контроле влажности в цехе намотки, при скрупулезном соблюдении технологии вакуумной пропитки.

В конечном счете, обмотка — это сердце трансформатора. И как сердце, она не терпит небрежности. Любая экономия на материалах или упрощение технологии сегодня обернется многократными потерями завтра, когда трансформатор, проработав всего несколько лет, потребует дорогостоящего ремонта или вовсе отправится в утиль. А в нашей отрасли, где оборудование — основа инфраструктуры, это непозволительная роскошь.