ПЕРВЫЙ БЛОЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР 500 кВ НОВОГО

Электро, 2005, № 1. С.28 - 31
ПЕРВЫЙ БЛОЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР 500 кВ НОВОГО
ПОКОЛЕНИЯ ТИПА ТДЦ- 400000/500 ДЛЯ БУРЕЙСКОЙ ГЭС
Шифрин Л.Н., канд. техн. наук главный конструктор по
силовым трансформаторам ОАО «Электрозавод»
Разработка трансформатора ТДЦ-400000/500 производилась для поставки на
энергетические блоки 300 МВт новых станций и замены аналогичных трансформаторов,
отработавших свой ресурс. Первая поставка — на Бурейскую ГЭС.
Была поставлена задача разработать и освоить блочный трансформатор 500 кВ нового
поколения, отвечающий современным требованиям мирового трансформаторостроения в
части технических характеристик (потери массы), надежности, удобства монтажа и
эксплуатации.
Первые блочные трансформаторы нового поколения на напряжение 220 кВ типа ТДЦ125000/220 и ТДЦ-250000/220, на напряжение 110 кВ типа ТДЦ-125000/110 были освоены
в ОАО «Электрозавод» и поставлены в Мосэнерго в 2002-2003 гг.
Ниже приведены основные параметры и технические решения, принятые при разработке
трансформатора.
Основные параметры трансформатора
Трансформатор ТДЦ-400000/500 разрабатывался на базе действующих стандартов ГОСТ
11677-85 и ГОСТ 17544-85.
Если ГОСТ 11677-85 представляет собой общие технические требования, которые в
основном соответствуют международным стандартам МЭК, то ГОСТ 17544-85,
регламентирующий все параметры трансформаторов 220-750 кВ (мощности, напряжения,
напряжения к.з., испытательные напряжения, массы, габариты и т.д.), в настоящее время
является тормозом в совершенствовании конструкции трансформаторов, так как отражает
развитие трансформаторостроения в СССР в 70-е годы прошлого столетия в условиях
плановой экономики. В мировой практике подобные стандарты отсутствуют, параметры и
характеристики трансформаторов устанавливаются заказчиком и согласовываются с
изготовителем. Отметим некоторые параметры трансформатора, отличающиеся от ГОСТ
17544-85, но влияющие на технический уровень.
1. Напряжение к.з. (Uк)
Величины UK в силовых трансформаторах 220-750 кВ, которые установлены в ГОСТ
17544-85, отражали развитие отечественной энергетики в 60-70-е годы прошлого
столетия, при этом недостаточно учитывался фактор увеличения токов к.з. из-за малых
величин UK, что негативно сказалось на надежности электрооборудования, в том числе
силовых трансформаторов.
По данным ВНИИЭ, в 1990 г. трансформатор ТДЦ-400000/500 повредился из-за
недостаточной электродинамической стойкости при к.з.
Зарубежный опыт свидетельствует о более прагматичном подходе к этому вопросу —
величины UK в блочных трансформаторах значительно превышают величины UK в
аналогичных по мощности трансформаторах по ГОСТ 17544-85 [1]. МЭК рекомендует,
начиная с мощности 100 MB-А, устанавливать UK более 12%. По ГОСТ 17544-85 в
трансформаторах ТДЦ-400000/220 UK = 11 %.
Увеличение UK, помимо повышения электродинамической стойкости обмоток при к.з.,
приводит к улучшению технико-экономических характеристик трансформаторов —
снижению массы и потерь х.х. Поэтому в ОАО «Электрозавод» при разработке новых
блочных трансформаторов по согласованию с заказчиком и проектными организациями
принимаются более высокие значения UK. Так, уже изготовлено и поставлено заказчику
пять трансформаторов ТДЦ-400000/220 с UK = 12,7 % вместо 11 % по ГОСТ 17544-85.
При рассмотрении в 1998 г. вопроса замены на Костромской ГРЭС трансформатора ТДЦ400000/500 с UK = 12,6% на трансформатор ТДЦ-400000/500 с UK = 14,5% Департамент
стратегии РАО «ЕЭС России», ОРГРЭС и «Атомэнергопроект» подтвердили возможность
такой замены. По мнению ОРГРЭС, увеличение UK в трансформаторе ТДЦ-400000/500 до
14,5% не ограничивает возможности работы энергоблока в нормальных и аварийных
режимах ввиду того, что изменение сопротивления трансформатора незначительно по
сравнению с сопротивлениями генератора и системы.
2. Испытательные напряжения
В трансформаторе ТДЦ-400000/500 приняты испытательные напряжения по ГОСТ 1516.396 уровень «а», который на 10-15% ниже уровня «б», соответствующего ГОСТ 1516.1-76.
Стремление к снижению стоимости электрооборудования сверхвысокого напряжения
(СВН) обуславливает применение более эффективных мер по защите от перенапряжений
и на этой основе снижение испытательных напряжений. Этот процесс происходит
непрерывно во всем мире. Так, в энергосистемах США еще в начале 60-х годов были
установлены трансформаторы класса 345 кВ с одноминутным испытательным
напряжением U ИСП(1 мин) = 395 кВ и напряжением полного грозового импульса Uисп(ПГИ) =
900 кВ и трансформаторы 500 кВ с испытательными напряжениями, соответственно, 575 и
1300 кВ.
В СССР испытательные напряжения нормировались, как известно, стандартами, в
которых для каждого класса напряжения предусматривался один уровень испытательных
напряжений. В то же время в зарубежной практике в соответствии с МЭК для каждого
класса напряжения используются несколько уровней испытательных напряжений.
Установленные в ГОСТ 15161-76 испытательные напряжения базировались на защитных
характеристиках вентильных разрядников.
В 80-90-х годах получили широкое распространение ограничители перенапряжений
(ОПН), имеющие значительно лучшие защитные характеристики, чем вентильные
разрядники. В настоящее время ряд фирм в России производят ОПН на напряжение 10750 кВ, разрядники сняты с производства. Это нашло отражение в новом стандарте ГОСТ
1516.3-96, где для электрооборудования 330-750 кВ предусмотрено два уровня
испытательных напряжений:
«а» — при защите ОПН;
«б» — при защите вентильными разрядниками.
Известно, что снижение испытательных напряжений приводит к повышению
технического уровня трансформаторов: на каждые 10% снижения испытательных напряжений потери х.х. и массы снижаются на 4-6% [2].
Что касается надежности трансформаторов 500 кВ со сниженными испытательными
напряжениями, то есть с более высокими рабочими напряжениями в изоляции, то со
времен СССР в России есть уникальный, не имеющий аналогов в мировой практике опыт
эксплуатации таких трансформаторов.
В 1977 г. в ВИТе был разработан опытный генераторный трансформатор ОРЦ-135000/500
с резко сниженным уровнем испытательных напряжений (Uки = 850 кВ, Uпги = 900 кВ,
Uдлит = 425 кВ) с применением специальных ОПН-500.
В 1979 г. группа этих трансформаторов была введена в эксплуатацию на Волжской ГЭС, а
в 1981-1990 гг. еще 9 фаз — на Волгоградской ГЭС.
В 80-90-х годах были сданы в эксплуатацию ряд трансформаторов 500 кВ с
испытательными напряжениями второго уровня: 9 фаз трансформаторов ОДЦ- 210000/500
— на Братской ГЭС и 18 фаз автотрансформаторов АОДЦТН-167000/500/220 — в
энергосистемах России.
Все указанные трансформаторы не имели никаких специфических особенностей
конструкции и технологических процессов изготовления.
За прошедшее время не было ни одного случая повреждения указанных трансформаторов
в эксплуатации по причине недостаточной электрической прочности. Это свидетельствует
о том, что снижение испытательных напряжений в разумных пределах при надежном
интервале координации не приводит к снижению надежности трансформаторов [3].
Технический уровень
Высокий технический уровень трансформатора ТДЦ-400000/500 нового поколения
достигается за счет разработки и внедрения новых конструктивных и технологических
решений, применения прогрессивных материалов и комплектующих изделий.
1. Новые конструктивные и технологические решения
Принципиальные отличия конструкции трансформаторов нового поколения по сравнению
с традиционной конструкцией, применяемой в трансформаторах 220-750 кВ до
настоящего времени трансформаторными заводами России и СНГ, заключается в следующем.
 В конструкции магнитопровода прессовка горизонтальных ярем осуществляется не
ярмовыми балками, а стеклобандажами.
 Верхние и нижние ярмовые балки, жестко связанные друг с другом, осуществляют
только функцию раскрепления обмоток.
 В обмотках и ярмовой изоляции применяется специальный малоусадочный
электрокартон фирмы «Weidmann».
 Разработана и внедрена технология стабилизации обмотки большим постоянным
давлением при сушке.
 Обмотки НН и ВН собираются в блоки с общим изоляционным прессующим
кольцом из ДСП фирмы «Rochling», то есть исключаются металлические прессующие кольца с шунтами, которые являются источниками дополнительных
потерь к.з.
 Прессовка обмоток осуществляется при помощи изоляционных клиньев,
устанавливаемых между верхней ярмовой балкой и прессующим кольцом.
На рис. 1 показана активная часть трансформатора ТДЦ-400000/500.
Такая конструкция и технология обеспечивают низкую материалоемкость и трудоемкость
изготовления активной части и, самое главное, позволяют обеспечивать необходимые
усилия запрессовки обмоток в течение всего срока службы трансформатора.
Необходимо отметить, что такая конструкция и технология широко используются за
рубежом передовыми зарубежными фирмами с 80-х годов прошлого столетия. В этом
заключалось основное отставание отечественного трансформаторостроения от зарубежного технического уровня.
2. Потери
Известно, что величина потерь является важнейшим экономическим показателем, так как
требует значительных затрат на их компенсацию. Поэтому зарубежные энергетические
компании при проведении тендеров на поставку трансформаторов указывают методику
расчета годовых затрат у потребителя, учитывающую цену трансформатора и стоимость
потерь х.х. и к.з.
При разработке трансформатора основное внимание уделялось снижению потерь х.х.,
которое достигается применением электротехнических сталей высших марок и схемы
шихтовки магнитопровода с полным косым стыком.
Увеличение UK и снижение испытательных напряжений также приводит к снижению
потерь х.х., однако при этом естественно увеличиваются потери к.з.
Применение в обмотках специального транспонированного провода позволило снизить
добавочные потери в обмотках.
Использование современных методов расчета электромагнитных полей, оптимизация
конструкции магнитных шунтов, отсутствие стальных прессующих колец позволили
получить минимальные добавочные потери в элементах конструкции трансформатора
(12% от потерь в обмотках против 20-30% в трансформаторах старой серии). В результате
потери к.з. в трансформаторе ТДЦ-400000/500 увеличились незначительно (на 2 %).
3. Надежность
Надежность является важнейшим фактором, определяющим технический уровень
трансформатора, и включает такие факторы, как электродинамическая стойкость обмоток
при к.з., применение комплектующих изделий повышенной надежности, совершенствование методов испытаний.
Рис. 1. Активная часть трансформатора ТДЦ-400000/500
Электродинамическая стойкость при к.з.
Повышение электродинамической стойкости обмоток при коротком замыкании
достигается за счет следующих мер.
 Применение однослойной обмотки НН и увеличения UK.
 Применение в обмотке НН транспонированного провода со склейкой
элементарных проводников фирмы «Lacroix=Kress», что увеличивает радиальную
устойчивость обмоток при к.з. почти в 2 раза.
 Применение жесткого электрокартона для прокладок обмоток.
 Внедрение техпроцессов стабилизации обмоток.
В результате расчетный коэффициент запаса радиальной устойчивости обмоток НН
превышает 1,7.
Комплектующие изделия
Применяются вводы 500 кВ фирмы «Trench-Bushing», обладающие высокой надежностью
и не требующие практически специального обслуживания в эксплуатации. Вводы 500 кВ
— с укороченной нижней частью, с подсоединением в нижней части на уровне крышки с
бака, что позволяет устанавливать и извлекать ввод без слива масла из бака
трансформатора.
Впервые на блочном трансформаторе применены охлаждающие устройства ДЦ и вся
запорная арматура импортного производства фирма «Flakt». Охлаждающие устройства
имеют теплосъем 270 кВт вместо 160 кВт отечественного производства, что позволило
уменьшить число охладителей с 9 до 5, повысить надежность трансформатора и снизить
затраты при эксплуатации.
В результате внедрения новых технических решений характеристики трансформатора
ТДЦ-400000/500 нового поколения значительно превосходят характеристики по ГОСТ
15744-85 и аналогичных зарубежных образцов (см. таблицу).
По сравнению с ГОСТ 17544-85 потери х.х. снижены на 90 кВт (40%) при незначительном
увеличении потерь к.з. на 14 кВт (2%), полная масса снижена на 42 т (13,4%), масса масла
— на 18,5 т (22,5%), уровень звуковой мощности — на 8 дБА.
Монтажные и эксплуатационные затраты
Качество и объем монтажных работ определяются, главным образом, следующими
факторами:
 полной комплектацией демонтированных узлов;
 удобством монтажа демонтированных узлов.
В ОАО «Электрозавод» внедрена система контрольной сборки демонтированных узлов
металлоконструкций с маркировкой деталей.
Все вводы, включая 500 кВ, устанавливаются без слива масла из бака трансформатора.
В настоящее время основной объем работ, связанных с эксплуатацией силовых
трансформаторов, обусловлен значительными объемами работ по обслуживанию
комплектующих изделий, а также необходимостью проведения через 12 лет эксплуатации
Технические характеристики трансформатора нового поколения ТДЦ-400000/500
производства ОАО «Электрозавод»
ТДЦ-400000/500
426 МВА,
ГОСТ 17544-85
«Электрозавод»
Наименование параметра
400 кВ
Техническое
Испытание
«ABB»
задание
головного образца
(2003 г.)
Номинальная мощность, МВА
400
400
426
Номинальное напряжение, кВ
525
420
ВН
525
НН
15,75
15,75
22
Напряжение
короткого
замыкания, %
13,0
14,5
14,75
14,5
Потери холостого хода, кВт
315
245
225
267
Потери короткого замыкания,
790
855
804
1220
кВт
Полные потери, кВт
1105
1100
1029
1487
Масса,т
полная
355
320
313
314
масло
62
54
50,5
58,5
(ГОСТ 16677-85) капитальных ремонтов с подпрессовкой обмоток, что негативно
сказывается на надежности трансформатора.
Рис. 2. Трансформатор ТДЦ-400000/500 на испытательной станции ОАО
«Электрозавод»
Рис. 3. Трансформатор ТДЦ-400000/500 на сочлененном железнодорожном
транспортере перед отправкой на Бурейскую ГЭС
Внедрение новых технических решений позволяет исключить необходимость проведения
капитальных ремонтов с подпрессовкой обмоток в течение всего срока службы, что также
снижает эксплуатационные затраты.
Применение импортных вводов 500 кВ, охлаждающих устройств и запорной арматуры
значительно снижает затраты на обслуживание трансформатора.
Головной образец трансформатора ТДЦ-400000/500 в 2003 г. был изготовлен, испытан и с
высокой оценкой сдан МВК РАО «ЕЭС России» (рис. 2).
Трансформатор смонтирован на Бурейской ГЭС и в ноябре 2004 г. включен в
эксплуатацию (рис. 3).
В начале 2005 г. в Ленэнерго будет поставлен первый автотрансформатор нового
поколения типа АТДЦТН-200000/330/110, в котором применены те же современные
технические решения, что и в трансформаторе ТДЦ-400000/500.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ванин Б.В., Львов Ю.Н., Львов М.Ю., Антипов К.М., Сурба А.С, Загретдинов
И.Ш.,
Шейко
П.А., Неклепаев Б.Н., Шифрин Л.Н. Вопросы повышения
надежности работы блочных трансформаторов. — «Электрические станции», 2003,
№ 7.
2. Шифрин Л.Н., Френкель В.Ю., Носачев В.А. Технико-экономическая
эффективность
снижения
испытательных
напряжений
трансформаторов
сверхвысокого напряжения. — «Электротехника», 1975, № 4.
3. А.К. Lokhman, T.L. Morozova, L.N. Shifrin, A.I. Savchenko. Technical and
economical efficiency of reducing the insulation level of power transformers an service
experience concerned.- SIGRE, 2000, 33-105.