«Умные» трансформаторы для «умной» энергетики - Энергетика и промышленность России - № 08 (196) апрель 2012 года - WWW.EPRUSSIA.RU - информационный портал энергетика
16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/196/13938.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 08 (196) апрель 2012 года

«Умные» трансформаторы для «умной» энергетики

Тема номера Антон КАНАРЕЙКИН

Трансформаторная отрасль является не то чтобы одной из самых консервативных отраслей производства аппаратов для энергетики. Но все изменения там обычно не революционные, а эволюционные.

Однако меняющаяся энергетика ставит новые задачи, и в скором времени мы можем увидеть совсем новые трансформаторы.

Анализируя основные тенденции, можно сказать, что сейчас в мире при разработке трансформаторов массовых серий основной задачей является снижение затрат на производство и эксплуатацию трансформаторов. Решаются вопросы снижения расхода активных и конструкционных материалов, повышения надежности в реальных условиях эксплуатации и ремонтопригодности трансформаторов. Прогресс в этих областях в значительной степени определяется созданием новых и совершенствованием используемых изоляционных и магнитных материалов. В частности, можно отметить существенный прогресс в применении аморфных материалов в трансформаторах, а также в создании пожаробезопасных трансформаторов.

Например, как отмечают специалисты, работающие в этой отрасли, существенное улучшение характеристик магнитопроводов ожидается за счет внедрения аморфных сплавов со значительно большей величиной удельных потерь (от потерь в обычной стали). В итоге на выходе производители имеют более низкие потери холостого хода и более высокую надежность.

В связи с малой толщиной аморфный материал наиболее пригоден для витой конструкции магнитопровода, то есть для трансформаторов малой мощности и распределительных. В частности, в США уже производят распределительные трансформаторы небольшой мощности с применением магнитопроводов из аморфной стали. Однако уже есть опытные образцы трансформаторов средней мощности, ведутся работы по увеличению толщины аморфного материала за счет спрессовывания и увеличения ширины листа, а главное, такие трансформаторы перестают быть экспериментальными и переходят в категорию серийных продуктов.

Исследования аморфных магнитных материалов начались в конце 60‑х годов. Первый изготовитель аморфных лент – фирма Allied Signal (США). В 70‑е годы она выпускала ленты толщиной 30 -50 мкм и шириной около 100 мм. Помимо указанных свойств, аморфные ленты обладают значительной твердостью (63‑80 ед. по Роквеллу), хотя имеют достаточную эластичность и гибкость.


Другой важной проблемой, в решении которой также наблюдается прогресс, является создание пожаро- и взрывобезопасных трансформаторов, не вредящих экологии. Современные трансформаторы с нетоксичными жидкими диэлектриками – заменителями хлордифенилов, производимые в США и Японии, вполне отвечают этим условиям.

Все жидкие диэлектрики, используемые в трансформаторах, должны удовлетворять следующим требованиям: быть самогасящимися, нетоксичными, биоразлагаемыми, иметь низкий коэффициент объемного расширения при нагреве.

В большей степени этим требованиям отвечают синтетические кремний-органические жидкости (КОЖ), в частности полидиметилсилоксаны, которые обладают достаточно низкой вязкостью, свойствами самогашения и хорошими охлаждающими свойствами. КОЖ с высокой молекулярной массой не способны аккумулироваться в живых организмах или вступать в процессы метаболизма. Они устойчивы к действию микроорганизмов, однако при попадании на поверхность почвы расплываются в виде тонкой пленки и под действием солнечного света быстро разлагаются, превращаясь в вещества, обычные для окружающей среды. Их применение в трансформаторах также становится уже нормой.

Конечно, стоит отметить, что новые решения в этих областях являются развитием старых идей, заложенных еще в 1980‑х годах. Впрочем, это не упрек, наоборот, на мой взгляд, без отработки этих направлений мировая трансформаторная промышленность просто не сможет достойно отвечать на вызовы времени. Однако стоит подумать, какими же будут трансформаторы нашего будущего.



Трансформатор с компьютерным чипом

Сейчас много говорится о создании так называемых «умных» электросетей. Более того, многие развитые государства уже вовсю создают подобные электросети, однако для новых сетей нужны и новые трансформаторы. Те трансформаторы, которые используются сейчас, являются устройствами с единственной функцией – понижения напряжения к бытовым 120‑240 В. В новых полупроводниковых трансформаторах будут использоваться специальные компьютерные чипы, которые смогут быстро и качественно регулировать напряжение в более широких пределах. По мнению экспертов, твердотельные трансформаторы дадут возможность оптимально управлять нагрузками и потреблением электроэнергии в каждом доме и хорошо дополнят «умную» электросеть. В зависимости от потребностей дома они смогут менять напряжение, переходить от постоянного к переменному току и подключать к домашней электросети ветровые турбины, дизель-генераторы или солнечные панели. Они также смогут предотвращать перегрузку сетей или, например, давать больше энергии в те часы, когда электроэнергия дешевле.

Фактически «умный» трансформатор будет способен объединить любые источники энергии с совершенно разными характеристиками, от высоковольтной сети до бензинового генератора, и обеспечить бесперебойное питание дома без необходимости покупки многочисленных сложных систем для каждого типа оборудования. Кроме того, он может надежно поддерживать напряжение на минимальном уровне, необходимом для стабильной работы домашних приборов. По данным исследования, например, использование таких трансформаторов позволит сэкономить в США до 3 процентов энергии, что в несколько раз больше, чем вырабатывается всеми американскими солнечными панелями.

Кроме того, они смогут «общаться» с поставщиками энергии для обеспечения бесперебойного электропитания в сложных условиях.

Эксперты выделяют следующие преимущества ВТСП-трансформаторов:

• снижение нагрузочных потерь при номинальном токе на 90 процентов, что значительно увеличивает КПД трансформатора;
• уменьшение веса и габаритов трансформатора до 40 процентов. Следует отметить, что упомянутые достоинства позволяют применять ВТСП-трансформаторы в уже существующих подстанциях без их конструкционных изменений со значительным увеличением мощности. Облегчается и транспортировка трансформаторов;
• свойства ограничения токов КЗ, что в аварийных режимах защищает электрооборудование сети;
• значительное уменьшение реактивного сопротивления, что позволяет обеспечить стабилизацию напряжения, не прибегая к его регулированию;
• большая перегрузочная способность без повреждения изоляции и старения трансформатора;
• уменьшение уровня шума.

Кроме того, по сравнению с масляными трансформаторами ВТСП-трансформатор пожаробезопасен и экологичен.


Надо сказать что, несмотря на то что это звучит как фантастика, поступление первых серийных устройств подобного рода в продажу ожидается в ближайшие несколько лет. Ведь многие производители, особенно японские, такие, как Mitsubishi Electric и Toshiba, уже заявили о разработке подобных систем.



Сверхпроводимость и трансформаторы

Другой перспективной темой при разработке трансформаторов нового поколения является использование эффекта сверхпроводимости. Вообще, интерес к трансформаторам с использованием сверхпроводимости возник еще в 1960‑х годах при появлении низкотемпературных сверхпроводников, применяемых для обмоток трансформаторов. Многие производители во всем мире, среди которых можно назвать европейские концерны ABB и Alstom, а также K. E. P. C. (Япония) и Westinghouse (США), начали разработки низкотемпературных сверхпроводниковых (НТСП) трансформаторов. Однако барьером на пути развития и применения НТСП-трансформаторов являлись огромные по размерам криогенные системы для получения жидкого гелия, которые делали использование таких трансформаторов экономически нецелесообразным.

Открытие высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) материалов в 1986 году позволило отказаться от громоздких охлаждающих устройств. И основные разработки по созданию сверхпроводимых трансформаторов нового поколения ведутся именно в этом направлении. Что, впрочем, и неудивительно, так свойства сверхпроводников, а именно – очень малые потели при большой плотности тока, переход от практически нулевого сопротивления к высокому сопротивлению при превышении током определенного значения (так называемого критического тока) и т. д., позволяют получить трансформатор, значительно превосходящий по всем своим характеристикам традиционно применяемые на сегодняшний день масляные и сухие трансформаторы.

В настоящее время существуют три основных проекта по созданию ВТСП-трансформаторов – в Европе, США и Японии, и в 1997 году все три были реализованы в опытных образцах. По данным Министерства энергетики США, сделавшего подробный анализ возможного применения ВТСП-трансформаторов мощностью до 30 МВА, затраты (при средней оценке) на весь срок службы при эксплуатации ВТСП-трансформаторов будут наполовину меньше по сравнению с затратами на обслуживание традиционно применяемых трансформаторов. Имеются проекты сверхпроводящих трансформаторов на мощность до 1 миллиона кВт. При достаточно больших мощностях сверхпроводящие трансформаторы будут легче обычных на 40‑50 процентов при примерно одинаковых с обычными трансформаторами потерях мощности.

Впрочем, пока у сверхпроводящих трансформаторов, однако, есть и существенные недостатки. Они связаны с необходимостью защиты трансформатора от выхода его из сверхпроводящего состояния при перегрузках, коротких замыканиях, перегревах, когда магнитное поле, ток или температура могут достичь критических значений.

В этом случае есть угроза разрушения трансформатора, однако даже если трансформатор при этом не разрушится, то потребуется несколько часов, чтобы снова охладить его и восстановить сверхпроводимость. А в ряде случаев такой перерыв в электроснабжении неприемлем. Поэтому, прежде чем говорить о массовом изготовлении сверхпроводящих трансформаторов, необходимо разработать меры защиты от аварийных режимов и возможности обеспечения потребителей электроэнергией во время простоев сверхпроводящего трансформатора. Достигнутые в этой области успехи позволяют думать, что в ближайшем будущем проблема защиты сверхпроводящих трансформаторов будет решена и они займут свое место на электростанциях.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 08 (196) апрель 2012 года: