обмотки сухих силовых трансформаторов

Когда говорят про обмотки сухих силовых трансформаторов, многие сразу представляют себе просто медные или алюминиевые провода, намотанные на сердечник. Но на практике — это, пожалуй, самый критичный узел, где пересекаются теория расчёта, технология изготовления и суровая реальность эксплуатации. Частая ошибка — считать, что раз трансформатор ?сухой?, то и требования к изоляции обмоток можно несколько снизить, мол, нет масла, нет проблем с его старением и утечками. На деле же именно здесь начинаются основные сложности: отвод тепла, стойкость к термоциклированию, механическая прочность при коротких замыканиях. По своему опыту скажу, что качество обмотки часто определяет, проработает ли трансформатор заявленные 25–30 лет или начнёт ?капризничать? уже через пять.

Материалы: не только медь и изоляция

Всё начинается с выбора проводника. Медь — да, стандарт, но какая именно? Мягкая (отожжённая) или твёрдая? Для обмоток сухих силовых трансформаторов низкого напряжения часто используют мягкую — она лучше гнётся, плотнее укладывается. Но для силовых, где важна механическая стойкость при КЗ, иногда предпочитают твёрдую. Это уже тонкости, которые в каталогах не пишут, но на стенде испытаний на стойкость к короткому замыканию разница видна.

А вот с изоляцией провода — отдельная история. Эмаль, стекловолокно, слюда… Комбинаций масса. Помню, на одном из проектов для агрессивной среды решили применить провод с усиленной изоляцией на основе арамидных материалов. В теории — отличная стойкость к нагреву и частичным разрядам. На практике — оказалось, что при намотке на углы сердечника эта изоляция местами ?подтрепывалась?, микроскопически, но достаточно для начала поверхностного разряда при повышенной влажности. Пришлось пересматривать технологию натяжения и укладки.

И нельзя забывать про пропиточные составы. Многие думают, что раз трансформатор ?сухой?, то пропитки нет. Как бы не так! Вакуумно-напорная пропитка специальными смолами — это как раз то, что превращает набор витков в монолитный блок. Без неё отвод тепла хуже, а вибрация со временем разобьёт изоляцию. Ключевое — полное удаление воздуха из полостей. Малейший пузырь — потенциальный очаг частичного разряда, который лет через десять может привести к пробою.

Конструктивные решения и ?подводные камни?

Конструкция обмотки — это всегда компромисс. Цилиндрическая, дисковая, фольговая… Для силовых сухих трансформаторов на 10 кВ, например, часто идёт комбинация: НН — цилиндрическая из фольги или шины, ВН — дисковая из круглого или прямоугольного провода. Фольга хороша для низкого напряжения — отличное заполнение, хорошее охлаждение. Но попробуй её аккуратно намотать с межслойной изоляцией, да ещё чтобы не было морщин на краях… Это искусство.

Особенно критичны торцы обмоток и переходы между слоями. Там напряжённость поля выше. Часто вижу, как для экономии места делают слишком узкие барьеры из изоляционного картона или уменьшают радиус закругления. В сухой изоляции, где нет жидкого диэлектрика, равномерно ?распределяющего? поле, это прямая дорога к коронным разрядам в долгосрочной перспективе. Проверяется это, кстати, не всегда сразу, а в ходе длительных испытаний на стойкость к частичным разрядам.

Ещё один момент — крепление. Обмотка должна быть жёстко зафиксирована, но без перенапряжения. Слишком туго — риск повредить изоляцию при терморасширении. Слишком свободно — вибрация. Используем обычно стеклоленточные бандажи, клинья из изоляционного материала. На одном из ранних объектов, не связанным с текущей деятельностью, была история, когда после транспортировки трансформатора обнаружился слабый гул. Вскрыли — верхний поджим обмотки ослаб. Вибрация ослабила его в дороге. Теперь для ответственных поставок, особенно морским путём, всегда закладываем дополнительный контроль и, иногда, временные транспортные крепления.

Производственный опыт и контроль качества

Теория — это одно, а цех — другое. Температура в помещении, влажность, чистота — всё влияет на процесс намотки и пропитки. Например, если намотать обмотку при высокой влажности, а потом её пропитать, есть шанс ?запечатать? влагу внутри. Она потом при нагреве в работе превратится в пар, давление… В общем, ничего хорошего.

Поэтому контроль на каждом этапе — от приёмки провода (смотрим сертификаты, но и сами меряем сечение, проверяем целостность изоляции пробоем) до финальных испытаний готового трансформатора. Испытания на частичные разряды (ЧР) для сухих обмоток — must have. Допустимый уровень по ГОСТу — один, но для ответственных объектов (шахты, метро, больницы) мы сами для себя держим планку в 2-3 раза ниже. Лучше перестраховаться.

Интересный случай из практики связан с поставками для объектов, где важна пожароопасность. Требовался трансформатор с обмоткой класса изоляции Н (до 180°C). Рассчитывали на стандартное решение с кремнийорганическими изоляционными материалами. Но при испытаниях на нагрев в термокамере обнаружили, что при длительной работе на граничной температуре связующая смола в некоторых местах давала усадку, появлялись микротрещины. Решение нашли в сотрудничестве с поставщиком материалов, подобрав другую композицию смолы с большей эластичностью. Это к вопросу о том, что готовых решений ?из коробки? иногда недостаточно.

Связь с реальными продуктами и рынком

Работая в сфере, постоянно следишь за тем, что предлагают коллеги и конкуренты. Если взять, к примеру, компанию ООО Хэнань Цзиньюй Электрик (их сайт — https://www.jydq.ru), то в их ассортименте как раз значатся сухие трансформаторы. Изучая подобные предложения на рынке, всегда смотрю в первую очередь на заявленные параметры обмоток: класс изоляции, способ охлаждения, заявленный уровень потерь и стойкости к КЗ. Это база.

Но специфика в том, что две внешне похожие модели сухих трансформаторов, даже одной мощности, например, 1000 кВА, могут кардинально отличаться именно исполнением обмоток. Одна — с алюминиевой обмоткой, литая в эпоксидной смоле, другая — с медной, вакуумно-пропитанная. Первая, возможно, дешевле и легче, но вопросы по ремонтопригодности и поведению при частых перегрузках. Вторая — дороже, тяжелее, но зачастую надёжнее в тяжёлых режимах. Выбор всегда за проектировщиком и заказчиком, но наша задача — чётко донести эти нюансы.

Поэтому, когда видишь в описании продукции на https://www.jydq.ru фразу ?основными продуктами являются силовое электрооборудование серий: распределительные трансформаторы на 10 кВ и 35 кВ, сухие трансформаторы?, понимаешь, что за этим стоит целый пласт технологических решений именно по обмоткам. Ведь для 10 кВ и 35 кВ подходы к изоляции, конструкции и испытаниям будут уже разными. Для 35 кВ вопросы контроля градиента напряжения по обмотке и защиты от ЧР выходят на первый план.

Выводы и неочевидные зависимости

В итоге, что хочется сказать про обмотки сухих силовых трансформаторов? Это живой организм внутри железоконструкции. Они ?дышат? от нагрева, ?устают? от циклических нагрузок, ?боятся? влаги и грязи при монтаже. Идеальной технологии нет. Есть более или менее отработанные решения для конкретных условий.

Самое важное — не гнаться за абстрактными ?лучшими? показателями, а чётко понимать, в каких условиях будет работать трансформатор. Будет ли это частая работа с перегрузкой? Агрессивная атмосфера в цеху? Постоянная вибрация от nearby оборудования? Ответы на эти вопросы и должны определять выбор материала проводника, типа изоляции, конструкции и технологии пропитки обмотки.

И последнее. Даже самая совершенная обмотка, сделанная по всем стандартам, может не выйти на свой ресурс из-за ошибок монтажа или неграмотной эксплуатации. Плохое соединение шин, создающее дополнительный нагрев, работа в помещении с забитыми вентиляционными решётками… Это уже тема для отдельного разговора. Но факт остаётся фактом: сердце сухого трансформатора — его обмотка — требует внимания на всём жизненном цикле, от чертежа до списания.