Why Is Oil Used in 11kV Immersed Transformers? Key Roles Explained

В глобалните електроразпределителни мрежи 11kVмаслени трансформаториса доминиращото оборудване за преобразуване на енергия. Те са широко разпространени в градски разпределителни мрежи, индустриални паркове, интегриране на фотоволтаични и вятърни енергийни мрежи, електрификация на селските райони и EPC проекти в чужбина. Много купувачи, електроинженери и собственици на проекти продължават да задават един фундаментален, но критичен въпрос: защо такива трансформатори за средно напрежение са пълни с изолационно масло вместо въздух или други твърди изолационни материали?
Изолационното масло не е просто пълнител. Това е незаменим функционален материал в 11kVмаслени трансформатори, което пряко определя капацитета на разсейване на топлината, изолационните характеристики, експлоатационния живот на оборудването и експлоатационната стабилност. Сухите трансформатори разчитат на въздух и епоксидна смола за изолация, докато маслените трансформатори приемат минерално изолационно масло (или синтетично естерно масло), за да постигнат множество функции едновременно. Тази статия разработва основните роли на изолационното масло в 11kV маслени трансформатори, сравнява предимствата и ограниченията на маслените решения, въвежда общи видове изолационно масло, критерии за приемане на качеството и насоки за поддръжка. Той предоставя професионални технически справки за посетителите на независими уебсайтове, като помага на специалистите по мощност да направят разумни преценки по време на избор на проект, приемане на оборудване и ежедневна поддръжка.

Вътре в трансформатор от 11 kV има части под напрежение, като намотки за високо напрежение, намотки за ниско напрежение и желязна сърцевина, както и заземени компоненти. Необходима е надеждна изолация между компонентите, за да се предотврати повреда и късо съединение. Въздухът има ограничена изолационна способност и е склонен към електрически разряд в тесни пространства, при силни електрически полета и влажни условия. Трансформаторното изолационно масло се характеризира с висока диелектрична якост. Той запълва всички малки празнини между желязното ядро ​​и намотките, напълно изтласква въздуха, ефективно изолира намотките с високо напрежение от намотките с ниско напрежение и разделя намотките от заземената желязна сърцевина и корпуса на масления резервоар.
Когато трансформаторът издържа напрежение на захранващата честота и напрежение на мълния, изолационното масло потиска локалната концентрация на електрическо поле и намалява рисковете от частичен разряд. Съгласно IEC 60156 квалифицираното ново минерално изолационно масло трябва да достигне определено ниво на пробивно напрежение, за да се осигури безопасна работа при условия на номинално напрежение и временно пренапрежение. Ако изолационното масло се навлажни, замърси или остарее, напрежението му на пробив ще спадне бързо и рискът от повреда на вътрешната изолация се повишава рязко. Това е основната причина, поради която маслените трансформатори се нуждаят от редовни тестове за устойчивост на масло на напрежение.

По време на работа на трансформатора загубата на хистерезис и загубата на вихров ток на желязното ядро ​​заедно със загубата на натоварване на намотката непрекъснато генерира топлина. Високата температура е основната причина за стареенето на твърдата изолация. Ако топлината не може да бъде разсеяна навреме, изолацията на намотката ще се влоши бързо, съкращавайки експлоатационния живот на трансформатора и дори водещо до изгаряне на оборудването в тежки случаи.
Изолационното масло има благоприятна топлопроводимост и образува вътрешна циркулация чрез естествена циркулация на маслото (ONAN) или принудително въздушно охлаждане (ONAF). Нагрятото изолационно масло близо до желязната сърцевина и намотките има по-ниска плътност и тече нагоре. Топлината се прехвърля към стената на резервоара и радиаторите, докато охладеното масло тече обратно надолу, за да отвежда непрекъснато топлината от източниците на топлина. Тази охлаждаща система с циркулация на маслото се отличава с проста структура и висока ефективност на топлообмен. В сравнение с въздушното охлаждане, масленото охлаждане може да поддържа по-голям капацитет в рамките на по-малък отпечатък, което е ключова причина, поради която разпределителните трансформатори с голям капацитет предпочитат потопен в масло дизайн.

Хартиената изолация, увита около намотките на трансформатора, е органичен материал. Той постепенно ще се окисли и ще стане крехък при висока температура и излагане на кислород, губейки изолационен капацитет. След като резервоарът за масло се напълни с изолационно масло, кислородът и влагата могат да бъдат изолирани, за да се защити изолацията на намотката. Изолационното масло може да разтвори малко количество кислород, да намали окислителните реакции на хартиената изолация, да забави стареенето на цялата изолационна система и да удължи общия експлоатационен живот на трансформатора.
Междувременно изолационното масло покрива металните компоненти и намалява риска от окислителна корозия върху металните повърхности на желязната сърцевина и намотките. Трябва да се отбележи, че този защитен ефект не е постоянен. При продължителна работа изолационното масло бавно се окислява и произвежда органични киселини и маслена утайка. Маслената утайка полепва по намотките и повърхностите на радиатора, възпрепятства разсейването на топлината и допълнително ускорява деградацията на оборудването. Следователно маслените трансформатори се нуждаят от редовно откриване на киселинното число и съдържанието на влага. Необходима е филтрация на маслото или смяна на маслото, когато е необходимо.

Друга лесно пренебрегвана ключова стойност на изолационното масло е да служи като средство за диагностика на неизправности. Когато в трансформатора възникнат латентни повреди като локално прегряване, електрически дъги и разряди от завой до завой, високата температура предизвиква термично разлагане на изолационното масло и генерира характерни газове, включително водород, метан и ацетилен. Тези газове се разтварят в изолационното масло. Техниците по поддръжката извършват анализ на разтворен газ (DGA), като събират проби от масло, за да тестват състава и концентрацията на разтворените газове. Скритите опасности могат да бъдат идентифицирани преди повредите да се превърнат в тежки аварии с късо съединение.
Това е уникално диагностично предимство на маслените трансформатори. Сухите трансформатори трудно позволяват вземане на проби за получаване на вътрешни характеристики на повреда. Обратно, маслените трансформатори реализират ненатрапчиво ранно предупреждение за повреда, разчитайки на изолационно масло, което значително намалява рисковете от внезапни прекъсвания на захранването и повреда на оборудването. Релето на Buchholz също действа върху смеси петрол-газ, генерирани от грешки, за да задейства аларми или защита от изключване и този защитен механизъм е изграден върху системата за изолационно масло.

Минерално изолационно масло: най-разпространеният тип на пазара с умерена цена и стабилни диелектрични и топлинни характеристики, в съответствие с IEC 60296. Повечето конвенционални 11kV разпределителни трансформатори използват минерално масло. Недостатъкът му е запалимостта. Схемите за противопожарна защита са необходими, когато се използват в затворени помещения и гъсто населени райони.
Синтетично естерно масло и естествено естерно масло: екологично чисти биоразградими изолационни масла с висока точка на запалване и нисък риск от пожар. Изтичането причинява по-малко замърсяване на почвата и водните тела. Те се използват широко в градски подземни електроразпределителни помещения, жилищни квартали, зони за защита на водоизточници и други проекти със строги изисквания за пожарна безопасност и екология. Недостатъкът е по-високата цена на доставка в сравнение с минералното масло.
Изборът трябва да бъде изчерпателно определен въз основа на инсталационната среда, пожарните кодове, местните стандарти за мрежата и бюджета на проекта.

Приемането на изолационно масло също има недостатъци. Съществува риск от изтичане на изолационно масло, което може да бъде причинено от стареене на заварките на резервоара и уплътнителните уплътнения. Минералното масло е запалимо и трябва да бъдат оборудвани противопожарни мерки. Изолационното масло се разгражда с времето и редовното тестване на качеството на маслото е задължително.
Ключовите задачи за ежедневна поддръжка включват наблюдение на нивото на маслото и проверка на течовете в резервоара; редовно вземане на проби от масло за пробивно напрежение, влага, киселинно число и DGA тестове; поддържане на радиаторите чисти, за да се гарантира циркулация на топлина; поддържане на вентилатори за минимизиране навлизането на влага в резервоара. Със стандартизирана поддръжка, 11kVмаслени трансформаториможе да работи стабилно в продължение на десетилетия.

За да обобщим, изолационното масло изпълнява четири основни функции при 11 kVмаслени трансформатори: действа като изолационна среда с високо напрежение, циркулира и отвежда топлината, защитава вътрешната твърда изолация срещу стареене и служи като среда за латентно откриване на вътрешни повреди. Комбинирани, тези четири предимства правят маслените трансформатори основната опция за глобални 11kV разпределителни приложения поради високата надеждност, отличното разсейване на топлината и изгодната цена.
Независимо от това, работата на изолационното масло се влошава с времето на работа, температурата и влажността на околната среда и нивото на замърсяване. Практиците в енергийните проекти трябва да разбират принципа на работа на изолационното масло и да отдават значение на периодичното тестване на качеството на маслото, така че да използват напълно предимствата на производителността на маслените трансформатори и да осигурят дългосрочно стабилно захранване на разпределителните мрежи.