Выбор сухого или маслонаполненного трансформатора
Сухие и маслонаполненные (трансформаторы с жидким диэлектриком) - основные типы силовых трансформаторов применяемых в электрически сетях. Выбор того или иного типа для конкретного применения, часто, осуществляется на основе данных, предоставляемых производителем оборудования. Но также, имеются определенные для каждого типа трансформатора показатели, на основании которых, возможно осуществить более аргументированный их выбор.
Аргументы за и против доступных типов трансформаторов часто изменяются, в зависимости от того какая информация предоставляется производителем трансформатора. Тем не менее, существуют определенные характеристики работы и приложений, которые применимы почти всегда.
В основном, существует два различных типа трансформаторов: изолируемые и охлаждаемые жидкостью (трансформаторы с жидким диэлектриком), и не изолированные жидкостью, а охлаждаемые при помощи воздуха или газа (сухие трансформаторы). Кроме того, у каждого их этих основных типов существуют свои подкатегории.
Для трансформаторов с жидким диэлектриком охлаждающим носителем может служить традиционное минеральное масло. Также существуют трансформаторы с жидким диэлектриком использующие менее воспламеняемые жидкости, такие как углеводороды и силиконы с высокой температурой возгорания.
Трансформаторы с жидким диэлектриком, как правило, более эффективны, чем сухие трансформаторы, и обычно имеют более долгий срок эксплуатации. Далее, жидкость более эффективна в качестве охлаждающего агента для снижения температуры в обмотках. И, наконец, трансформаторы с жидким диэлектриком успешнее справляются с перегрузками.
Однако такие трансформаторы имеют и свои недостатки.
Например, для трансформаторов с жидким диэлектриком важную роль играют вопросы предотвращения возгорания, поскольку они используют легко воспламеняющийся жидкий хладагент. (Сухие трансформаторы тоже способны возгораться.) Существует даже возможность взрыва для неверно спроектированных трансформаторов с жидким диэлектриком. В зависимости от применения, трансформаторы с жидким диэлектриком могут потребовать установку изолирующего поддона для защиты от возможных протечек жидкости.
Как правило, при выборе типа трансформатора, решение о выборе сухого трансформатора или трансформатора с жидким диэлектриком, связано с ожидаемой мощностью. При мощности менее 500 кВА используются сухие трансформаторы, а при мощности, превышающей 2.5 МВА, предпочтение отдается трансформаторам с жидким диэлектриком.
Важным фактором, определяющим тип трансформатора, служит и то, где он будет установлен - внутри офисного здания, или снаружи, для обслуживания промышленной нагрузки.
Сухие трансформаторы с мощностью, превышающей 5 МВА, доступны, но подавляющее большинство трансформаторов большой мощности являются трансформаторами с жидким диэлектриком. Для применений на улице, доминирующим выбором являются трансформаторы с жидким диэлектриком.
В следующей таблице показаны потери для трансформаторов обоих типов.
Таблица. Сравнение потерь: масляные и сухие трансформаторы
| Потери масляных трансформаторов | Потери сухих трансформаторов | ||||
| Киловольт-ампер | Половина нагрузки(W) | Полная нагрузка (W) | Киловольт-ампер | Половина нагрузки (W) | Полная нагрузка (W) |
| 500 | 2465 | 4930 | 500 | 5000 | 10000 |
| 750 | 3950 | 7900 | 750 | 7500 | 15000 |
| 1000 | 4360 | 8720 | 1000 | 8200 | 16400 |
| 1500 | 6940 | 13880 | 1500 | 11250 | 22500 |
| 2000 | 8155 | 16310 | 2000 | 13200 | 26400 |
Решение о приобретение трансформаторов, в тех случаях, когда оценка трансформатора и решение о покупке принимаются не конечным потребителем, часто основано исключительно на величине цены закупки (без учета долгосрочных экономических соображений). Это происходит, как правило, тогда, когда решение о покупки принимает агент или контрактор, основываясь на росте температуры и низкой закупочной цене для коммерческих и промышленных потребителей, приобретая трансформаторы сухого типа, монтируемые на специальном возвышении. Эти агенты или контракторы могут не быть заинтересованы в учете любых экономических факторов помимо закупочной стоимости трансформатора. Озабоченность потребителей в связи с более высокими закупочными ценами препятствует тому, чтобы поставщики и контракторы предлагали или рекомендовали хотя и более дорогие, но при этом более эффективные варианты потребителю, который явным образом не требует таких вариантов.
Система охлаждения и изоляции
Поскольку для трансформаторов сухого типа основной системой охлаждения и изоляции является воздух, все трансформаторы сухого типа будут крупнее трансформаторов с жидким диэлектриком, относящимися к тому же напряжению и мощности (киловатт / киловатт-ампер). При работе с одинаковым потоком и плотностью электрического тока, большее количество материала для сердечника и обмотки подразумевает увеличение потерь, и более высокие затраты.
В качестве системы изоляции для высоковольтных сухих трансформаторов используется стекловолоконное полотно из полиэстера. Этот компромисс присущ самой конструкции трансформаторов сухого типа, но такие трансформаторы традиционно предлагают определенные преимущества (огнестойкость, экологичность, и другие прикладные преимущества) для промышленных и коммерческих применений. Новые разработки в области трансформаторов с жидким диэлектриком сокращают часть этих преимуществ трансформаторов сухого типа.
При приобретении трансформаторов на основе самой низкой закупочной цены, трансформаторы сухого типа обычно имеют значительно более высокие операционные потери, чем более эффективные трансформаторы с жидким диэлектриком. По этой причине основные предприятия редко приобретают трансформаторы сухого типа. Так как изолирующая система сухих трансформаторов не обладает дополнительными охлаждающими и изолирующими свойствами промасленной бумаги, то при одних и тех же электрических характеристиках сухие трансформаторы имеют тенденцию к более высоким затратам, большим размерам, и более высоким потерям, чем аналогичные по свойствам трансформаторы с жидким диэлектриком.
Потери
Трансформатор 2500 кВА. Суммарные потери при 100% нагрузки.
Приведенный выше рисунок показывает суммарные потери при полной нагрузке, основанные на:
| С жидким диэлектриком | Залитый смолой | Сухой | |
| Потери холостого хода (кВт) | 16,38 | 21,00 | 18,52 |
| Потери холостого хода (кВт) | 2,66 | 7,00 | 7,55 |
| Общие потери (кВт) | 19,04 | 26,07 | 28,00 |
Приведенные выше значения являются типовыми
При нагрузке в 50% потери без нагрузки остаются теми же самыми, а потери под нагрузкой уменьшаются по закону обратных квадратов:
| С жидким диэлектриком | Залитый смолой | Сухой | |
| Потери холостого хода (кВт) | 4,10 | 4,63 | 5,25 |
| Потери холостого хода (кВт) | 2,66 | 7,00 | 7,55 |
| Общие потери (кВт) | 6,76 | 12,18 | 12,25 |
Затраты, связанные с потерями трансформаторов - потребление энергии трансформатором:
Константы:
Стоимость энергии = 0.06 $ / кВт*ч (консервативное значение)
8760 часов = 24 чача в день * 365 дней в году
| С жидким диэлектриком | Залитый смолой | Сухой | ||
| Общие потери (кВт) | 6,76 | 12,18 | 12,25 | |
| Плата за кВт*ч | х | $ 0,06 | $ 0,06 | $ 0,06 |
| Часов в год: | х | 8760 | 8760 | 8760 |
| Годовая стоимость потерь при нагрузке в 50% : |
= | $ 3553 | $ 6402 | $ 6439 |
| Превышение ежегодных расходов на электроэнергию: | базовые | $ 2849 | $ 2886 | |
| Дополнительные затраты за 10 лет | базовые | $ 28490 | $ 28860 |
Дополнительная стоимость потерь трансформатора
Дополнительная стоимость потерь трансформатора, это энергия, потребляемая системами охлаждения.
Потребление энергии трансформаторами является не только энергетическим фактором. Потери трансформатора рассеиваются в виде тепла, которое требуется удалять из среды с контролируемой температурой при помощи систем вентиляции и кондиционирования воздуха.
Ниже приведены расчеты для преобразования потерь трансформатора в увеличенное потребление энергии кондиционером воздуха.
Константы:
1кВт = 3415BTU/час
1тонна кондиционированного воздуха = 12000BTU/час
1тонна кондиционированного воздуха = 1.7кВт использованной энергии
| С жидким диэлектриком | Залитый смолой | Сухой | ||
| Общие потери (кВт) | 6,76 | 12,18 | 12,25 | |
| BTU/час/KW: | х | 3415 | 3415 | 3415 |
| BTU/час: | = | 23085 | 41595 | 41834 |
| BTU/час за тонну / C: | 12000 | 12000 | 12000 | |
| A / C (т): | = | 1,92 | 3,47 | 3,49 |
| мощность, кВт использования за тонну / C: | х | 1,7 | 1,7 | 1,7 |
| кВт: | = | 3,27 | 5,89 | 5,93 |
| Годовое количество часов работы (ч): | х | 8760 | 8760 | 8760 |
| Ежегодное потребление энергии (кВтч): | = | 28649 | 51619 | 51916 |
| Скорость кВтч биллинга: | х | $ 0,06 | $ 0,06 | $ 0,06 |
| Ежегодные затраты на охлаждение: | = | $ 1,718.94 | $ 3097 | $ 3115 |
| Превышение ежегодных расходов на охлаждение: | базовые | $ 1378 | $ 1396 | |
| затраты на охлаждение за 10 лет: |
базовые | $ 13782 | $ 13960 |
Типичный срок эксплуатации трансформатора сухого типа: 15-25 лет.
Типичный срок эксплуатации трансформатора с жидким диэлектриком: 25-35 лет.
Возраст трансформатора, снятого с работы по различным причинам варьируется от 14 до 35 лет. Средний возраст - 25 лет. Однако средняя продолжительность эксплуатации трансформаторов с жидким диэлектриком составляет 30 лет и более.
Поскольку трансформаторы с жидким диэлектриком служат дольше чем трансформаторы сухого типа, они дают экономию материальных и трудовых затрат для замены и эксплуатации, так как их приходится реже заменять.
Удобство обслуживанияРекомендуемое ежегодное обслуживание типичного трансформатора сухого типа заключается в осмотре, инфракрасном обследовании болтовых соединений, и чистке пылесосом решеток и обмоток для поддержания адекватного охлаждения и для предотвращения накопления воспламеняющегося материала.
Очистка решеток и обмотки может потребовать нежелательного отключения трансформатора, из-за чего часто отказываются от чистки. Пропуск чистки приводит к уменьшению потока воздуха, в результате чего снижается эффективность трансформатора, и повышается опасность возгорания.
Профилактическое обслуживание трансформатора с жидким диэлектриком может включать в себя забор и анализ образцов масла. Анализ масла обеспечивает очень точную оценку состояния трансформатора - что невозможно в случае трансформаторов сухого типа. Пропуск профилактического обслуживания не снижает эффективность трансформатора, и не создает опасности пожара.
Менее подверженные возгоранию трансформаторы с жидким диэлектриком предоставляют наилучшую возможность для обеспечения максимальной эффективности при минимальном обслуживании. Кроме того, они предоставляют лучшие возможности для диагностики с целью ремонта и последующего использования, вместо неожиданных отказов.
Ремонтопригодность
"Обмотку устройств с жидким диэлектриком намного легче ремонтировать, чем обмотку у трансформаторов сухого типа. Залитые смолой обмотки не подлежат ремонту, их необходимо заменять" - Роберт Моран, Руководство по проектированию приложений для трансформаторов. Журнал "" Electrical Construction and Maintenance", May 1996.
Когда трансформатор отказывает, следует принять решение о его ремонте или замене. Трансформаторы с жидким диэлектриком в большинстве ситуаций экономически выгодно ремонтировать силами независимых местных ремонтных организаций.
Трансформаторы с жидким диэлектриком предоставляют лучшие возможности для того, чтобы их ремонтировать, вместо того чтобы заменять.
Пример: трансформатор 2500 кВА - приобретение и обслуживание
| С жидким диэлектриком | Залитый смолой | Сухой | |
| Закупочная цена: | $ 35.000 | $ 60.000 | $ 38,000 |
| Срок службы (лет): | 35 | 30 | 25 |
| Ежегодное обслуживание: | никто | 6 часов | 6 часов |
| Ежегодное обслуживание: | никто | $ 360 | $ 360 |
| Отключение требуется для обслуживания | нет данных | Да | Да |
| Пожарная опасность, если не в работе: | Нет | Да | Да |
| Ремонтопригодность | Да | Нет | Да |
| Ежегодные затраты на приобретение и поддержание: | $ 902 | $ 1693 | $ 1376 |
Утилизация и переработка сердечников и обмотки
Свойство: Трансформаторы с жидким диэлектриком упрощают утилизацию сердечника и обмотки.
Преимущество материалов и ресурсов: проще переработать.
Компании энергоснабжения, использующие основную часть трансформаторов с жидким диэлектриком, обычно заменяют обмотку на старых трансформаторах и продолжают их использовать. Такие трансформаторы составляют большой процент их парка старых трансформаторов. Небольшая часть трансформаторов по достижению коца срока эксплуатации заменяется или отправляется на переработку.
Когда наступает время списания трансформатора, переработка уменьшает потребность в новых материалах и создает положительный денежный баланс. Большую часть компонентов трансформаторов с жидким диэлектриком, и трансформаторов сухого типа можно переработать. Исключением являются трансформаторы, залитые смолой. Из-за их конструкции, переработка материалов, содержащихся в таких трансформаторах, может быть трудным и экономически невыгодным процессом. Когда отказывает обмотка залитая смолой, то все провода, залитые в эпоксидной смолой, бесполезны для применения, и обычно отправляются на свалку. Такие отходы создают дополнительные затраты по утилизации, а также долговременные обязательства у первоначального владельца.
В противоположность этому, трансформаторы с жидким диэлектриком могут быть легко переработаны после завершения своей службы. Трансформаторная жидкость может быть очищена, и повторно использована, а сталь, медь и алюминий могут быть полностью и достаточно выгодно переработаны, создавая положительный денежный баланс.
Ниже показана стоимость в долларах лома и величина затрат на утилизацию для трансформатора мощностью 2500 кВА. Положительный баланс денежных средств указывается в скобках.
Трансформатор 2500 кВА
| Сухого типа | С литой изоляцией | Заполненный жидкостью | |
| Жидкий диэлектрик | $ 0 | $ 0 | $ 500 |
| Сердечник и обмотка | $ 1100 | $ 100 | $ 1200 |
| Бак и фитинги | $ 400 | $ 100 | $ 400 |
| Расходы на утилизацию | $ 0 | $ 400 | $ 0 |
| Общая сумма расходов (или экономии) | $ 1500 | $ 200 | $ 2100 |
Свойство: Трансформаторы с жидким диэлектриком имеют более низкие уровни шума при работе.
Преимущество для окружающей среды: Меньшее шумовое загрязнение.
Сравнение типов трансформаторов - Уровень шума при работе
Децибелы задаются логарифмической функцией, и при увеличении на три децибелы, звуковое давление удваивается. Исследования показывают, что уровень децибел более 60 может понизить объем внимания человека. Исследование, проведенное Американским Обществом Дизайнеров Интерьера, показало, что продуктивность офисной работы увеличивается, если рабочее место имеет меньший уровень шума.
Занимаемая площадьСвойство: Трансформаторы с жидким диэлектриком имеют меньшую площадь
Преимущества для материалов и ресурсов: Меньшее по размерам оборудование снижает потребность к размеру зданий.
Константы:
Типичные затраты на квадратный фут: 25 $/SF
| кВА | С жидким диэлектриком | Сухой: | Разница: | $ 25/SF: | |
| 750кВА | Глубина: | 4,6 фута | 5,5 фута | ||
| Ширина: | 4,6 фута | 8,0 фута | |||
| Площадь: | 21 футов2 | 44 футов2 | 23 футов2 | $ 575 | |
| 1000 кВА | Глубина: | 5,2 фута | 5,5 фута | ||
| Ширина: | 4,8 фута | 8,0 фута | |||
| Площадь: | 25 футов2 | 44 футов2 | 19 футов2 | $ 475 | |
| 1500кВА | Глубина: | 6,3 фута | 5,5 фута | ||
| Ширина: | 4,4 фута | 8,0 фута | |||
| Площадь: | 28 футов2 | 44 футов2 | 16 футов2 | $ 400 | |
Меньшие здания имеют преимущества и в том, что они требуют меньше освещения и вентиляции
ЗаключениеИспользование трансформаторов с жидким диэлектриком для коммерческих и промышленных предприятий является современной практикой строительства. Трансформаторы сухого типа являются стандартным решением для предоставления энергии в таких конструкциях. Оценка общих затрат владения как трансформаторов сухого типа, так и для трансформаторов с жидким диэлектриком может показать наименьшие общие затраты владения и обосновать выбор установки реже возгорающихся трансформаторов с жидким диэлектриком.