«Преобразователи энергии» в электросетевых системах и технологической эволюции

В современных энергосистемах существует такое незаменимое оборудование, как «энергетический узел» — оно соединяет сторону производства электроэнергии и сторону потребления энергии и посредством точной электромагнитной индукции осуществляет преобразование уровней напряжения, гарантируя снижение потерь мощности при передаче на большие расстояния, одновременно удовлетворяя разнообразные потребности в электроэнергии промышленного производства и жизни жителей. Этот тип оборудования называется силовым трансформатором. От повышающих трансформаторов на крупных электростанциях до распределительных трансформаторов на городских подстанциях, а затем и специальных трансформаторов в заводских цехах, они проходят через всю цепочку передачи и распределения электроэнергии и являются основным оборудованием, поддерживающим социальное энергоснабжение.

I. Основной принцип силовых трансформаторов: «энергетическая магия» электромагнитной индукции.

Рабочая основасиловые трансформаторыВозникло из закона электромагнитной индукции, открытого Фарадеем в 19 веке. Логику ядра можно резюмировать как процесс преобразования энергии «электричество, генерирующее магнетизм, и магнетизм, генерирующий электричество»: когда первичная обмотка (входной конец) трансформатора подключена к источнику питания переменного тока, ток будет генерировать переменное магнитное поле в железном сердечнике. Когда это магнитное поле проходит через вторичную обмотку (выходной терминал), на вторичной стороне индуцируется соответствующая электродвижущая сила, и в конечном итоге на выходе будет переменный ток, пропорциональный напряжению на первичной стороне.

В этом процессе ключом к преобразованию напряжения является соотношение витков первичной и вторичной обмоток. Согласно принципу электромагнитной индукции отношение первичного напряжения (U₁) к вторичному напряжению (U₂) равно отношению числа витков на первичной стороне (N₁) к числу витков на вторичной стороне (N₂), то есть U₁/U₂ = N₁/N₂. Например, выходное напряжение электростанции обычно составляет от 10 до 25 кВ. Чтобы обеспечить передачу электроэнергии на большие расстояния (уменьшение потерь в линии требует увеличения напряжения), повышающий трансформатор повысит напряжение до 110 кВ, 220 кВ или даже 1000 кВ через «многовитковую вторичную обмотку». Когда электроэнергия передается в город или к пользователю, распределительный трансформатор снижает высокое напряжение до 10 кВ (для промышленного использования) или 220 В/380 В (для жилого и коммерческого использования) через «вторичную обмотку с меньшим количеством витков», завершая согласование напряжения «генерация – передача – распределение».

Стоит отметить, что в идеальном состоянии входная мощность и выходная мощность трансформатора равны (без учета потерь в сердечнике и потерь на сопротивление обмоток), поэтому напряжение и ток имеют обратно пропорциональную зависимость - при увеличении напряжения ток уменьшается (уменьшаются тепловые потери линии), а при уменьшении напряжения ток увеличивается (удовлетворяя токовую потребность терминального оборудования). Именно эта характеристика является ключом к эффективной передаче энергии.

II. Основная структура: синергетический эффект четырех основных компонентов

Производительность силового трансформатора зависит от конструкции и уровня производства его четырех основных компонентов, которые совместно определяют эффективность, стабильность и срок службы оборудования.

1. Ядро: «носитель пути» магнитного поля.

Сердечник – это сердечник магнитной цепи трансформатора. Его функция состоит в том, чтобы направлять переменное магнитное поле в концентрированном виде и уменьшать утечку магнитного поля (т. е. «магнитные потери»). Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, генерируемые сердечником в переменном магнитном поле (потери тепла, вызванные циркуляцией тока внутри сердечника), сердечники современных трансформаторов обычно изготавливаются путем ламинирования листов из высококремнистой стали - толщина листов кремниевой стали составляет всего 0,3-0,5 мм, а их поверхности покрываются изолирующими покрытиями, которые могут эффективно блокировать путь прохождения вихревых токов. Конструктивное исполнение сердечника (например, метод ламинирования и процесс соединения) напрямую влияет на величину магнитных потерь. В настоящее время распространенные технологии «ступенчатого соединения» или «наклонного соединения» позволяют поддерживать потери в сердечнике на чрезвычайно низком уровне.

2. Обмотка: «сердечниковая катушка» для преобразования электрической энергии.

Обмотка (широко известная как «катушка») — это часть цепи трансформатора, которая разделена на первичную обмотку (подключенную к источнику питания) и вторичную обмотку (подключенную к нагрузке). Обычно его наматывают медными или алюминиевыми проводами (медные провода обладают лучшей электропроводностью и меньшими потерями, часто используются в трансформаторах большой мощности). В процессе намотки обмоток необходимо строго контролировать плотность расположения проводов, толщину изоляции и каналы отвода тепла. Изоляционная бумага или изоляционный лак, обернутый вокруг внешнего слоя проводов, должен выдерживать испытание на пробой под высоким напряжением (обычно требуется, чтобы класс изоляции соответствовал классу A, классу B или классу H, что соответствует различным верхним пределам термостойкости). Между тем, в конструкции обмотки должны быть предусмотрены масляные или воздушные каналы, чтобы обеспечить своевременное рассеивание тепла, выделяемого во время работы.

3. Топливный бак и система охлаждения: «Гарантия рассеивания тепла» оборудования.

Когда трансформатор работает, сердечник и обмотки будут генерировать потери и преобразовывать их в тепло. Если температура слишком высокая, это ускорит старение изоляции и даже приведет к неисправностям. Поэтому масляный бак и система охлаждения являются залогом обеспечения безопасности оборудования: внутренняя часть масляного бака заполнена трансформаторным маслом (обладающим как изоляционными, так и теплоотводящими функциями), а тепло передается стенкам резервуара за счет естественной конвекции или принудительной циркуляции масла. Внешняя часть топливного бака обычно оснащена радиаторами (или трубками для отвода тепла), которые увеличивают площадь контакта с воздухом и ускоряют отвод тепла. Для трансформаторов большой мощности (например, выше 50 МВА) также оборудуются системы охлаждения с принудительной циркуляцией масла (OFAF) или системы направленного охлаждения с принудительной циркуляцией масла (ODAF). Благодаря согласованному действию масляного насоса и вентилятора эффективность рассеивания тепла еще больше повышается.

4. Изоляционные и защитные устройства: «барьер безопасности» оборудования.

Помимо межвитковой изоляции обмоток,трансформатортакже должен быть оснащен несколькими изоляционными и защитными компонентами:

Изоляционная втулка: используется для вывода выводных проводов обмотки изнутри масляного бака и должна выдерживать высокое напряжение и атмосферные условия. Обычно он изготавливается из фарфора или композитных изоляционных материалов (например, эпоксидной смолы).

Клапан сброса давления: когда в топливном баке из-за неисправности (например, короткого замыкания) образуется большое количество газа и давление резко возрастает, клапан автоматически открывается, чтобы сбросить давление и предотвратить взрыв топливного бака.

Газовое реле: устанавливается на трубопроводе между масляным баком и шкафом для хранения масла. Оно подает сигнал тревоги или напрямую отключает подачу питания при возникновении незначительной неисправности (выделение небольшого количества газа) или серьезной неисправности (воздействие потока масла) внутри трансформатора, чтобы предотвратить распространение неисправности.

Термометр: контролирует температуру масла в топливном баке в режиме реального времени. Когда температура превышает установленный порог, подается сигнал тревоги, чтобы гарантировать, что оборудование не будет повреждено из-за перегрева.

III. Типы и приложения: «Решения по энергетической настройке», адаптированные к различным сценариям

В зависимости от различий в уровне напряжения, мощности, методе охлаждения или применении силовые трансформаторы можно разделить на различные типы для адаптации к различным звеньям энергосистемы.

По уровню напряжения: Охват всей цепочки «генерация – передача – распределение»

Повышающий трансформатор: Расположенный на электростанции, он повышает выходное напряжение генератора низкого напряжения (10–25 кВ) до высокого напряжения (110–1000 кВ) для передачи электроэнергии на большие расстояния, с типичной мощностью 100–1000 МВА.

Понижающие трансформаторы: они подразделяются на «понижающие трансформаторы основной сети» (например, от 220 кВ до 110 кВ) и «понижающие трансформаторы распределительной сети» (например, от 110 кВ до 10 кВ, от 10 кВ до 0,4 кВ). Первый используется для электроснабжения региональных электросетей, а второй напрямую обслуживает промышленных потребителей или жилые районы.

Трансформаторы сверхвысокого напряжения: с уровнями напряжения 750 кВ и выше (например, трансформаторы сверхвысокого напряжения 1000 кВ в Китае) они являются основным оборудованием в проектах передачи сверхвысокого напряжения (таких как «Передача электроэнергии с запада на восток») и должны выдерживать чрезвычайно высокие напряжения и токи с чрезвычайно сложными производственными процессами.

2. Классификация по методу охлаждения: адаптирована к различной производительности и требованиям окружающей среды.

Масляный трансформатор. Трансформаторное масло используется в качестве охлаждающей среды. Он имеет зрелую структуру, относительно низкую стоимость и подходит для наружных подстанций или сценариев большой мощности (что составляет более 80% общего рынка).

Трансформаторы сухого типа: в качестве охлаждающей среды используют воздух или азот, имеют высокий класс изоляции (обычно класс H) и хорошую огнестойкость. Они подходят для высотных зданий, метро, ​​больниц и других мест с высокими требованиями пожарной безопасности, а их мощность в большинстве случаев не превышает 20 МВА.

3. Классификация по использованию: удовлетворение особых потребностей в электроэнергии.

Распределительный трансформатор: наиболее распространенный тип, используемый для понижения высокого напряжения 10 кВ до низкого напряжения 0,4 кВ, питающий жилые дома, магазины и т. д., с мощностью в основном от 50 до 1600 кВА.

Выпрямительный трансформатор: используется в промышленном выпрямительном оборудовании (например, при электролитическом алюминиевом производстве, гальваническом производстве), он преобразует переменный ток в постоянный и должен адаптироваться к гармоническому воздействию нелинейных нагрузок.

Трансформатор электропечи: специально разработан для промышленных электропечей (таких как электродуговые печи и индукционные печи), он выдает низкое напряжение и большой ток и должен иметь сильную перегрузочную способность.

Автотрансформатор: Первичная и вторичная обмотки имеют общую часть катушки, которая имеет небольшой размер и низкие потери. Он часто используется для регулирования напряжения в системах передачи высокого напряжения (например, в связующих трансформаторах в системах 500 кВ).

Ив. Эксплуатация, техническое обслуживание и технологические тенденции: от «стабильной работы» к «умной модернизации»

Расчетный срок службысиловые трансформаторыобычно составляет от 20 до 30 лет, но реальный срок их службы зависит от уровня эксплуатации и технического обслуживания. Суть ежедневного технического обслуживания заключается в «предотвращении неисправностей», в основном включая:

Мониторинг качества масла: регулярно проверяйте диэлектрические потери, напряжение пробоя и содержание влаги в трансформаторном масле, чтобы предотвратить ухудшение качества масла и ухудшение характеристик изоляции.

Испытание изоляции: посредством испытаний на сопротивление изоляции, испытаний на диэлектрические потери и т. д. оценивается состояние изоляции между обмотками и сердечником.

Мониторинг температуры: отслеживание температуры масла и температуры обмотки в режиме реального времени для предотвращения перегрузки;

Техническое обслуживание по состоянию: с помощью технологий онлайн-мониторинга (таких как онлайн-мониторинг растворенных газов в масле и онлайн-мониторинг частичных разрядов) состояние оборудования можно отслеживать в режиме реального времени, заменяя традиционное «регулярное техническое обслуживание» и сокращая время простоя.

Благодаря крупномасштабному подключению к сети новых источников энергии (энергия ветра, фотоэлектрическая энергия) и строительству интеллектуальных сетей технология силовых трансформаторов развивается в трех основных направлениях:

Высокая эффективность и энергосбережение. Благодаря использованию листов кремнистой стали с высокой магнитной индукцией, проводников с низкими потерями и оптимизации структуры сердечника потери холостого хода и потери нагрузки дополнительно сокращаются, что соответствует требованиям энергоэффективности в рамках целей «двойного углерода» (например, новый национальный стандарт Китая GB 20052-2022 выдвигает более высокие требования к классам энергоэффективности трансформаторов).

Интеллектуальное обновление: интеграция датчиков, модулей Интернета вещей и возможностей периферийных вычислений обеспечивает восприятие состояния оборудования в режиме реального времени, раннее предупреждение о неисправностях и дистанционное управление. Например, он прогнозирует тенденцию старения изоляции с помощью алгоритмов искусственного интеллекта и заранее планирует техническое обслуживание.

Адаптация к новой энергии. В ответ на нестабильность и прерывистость выработки новой энергии необходимо разработать «новые энергетические трансформаторы» с широким диапазоном регулирования напряжения и сильным сопротивлением гармоникам. В то же время изучите модульную конструкцию, отвечающую требованиям гибкого доступа к распределенным фотоэлектрическим станциям и электростанциям хранения энергии.