Масляный трансформатор вторичной энергоэффективности - комплексный анализ энергосберегающих распределительных трансформаторов серии S20

На фоне продвижения национальной стратегии «двойного углерода» и полной реализации GB 20052-2020 «Пределы энергоэффективности и уровни энергоэффективности силовых трансформаторов», масляные трансформаторы вторичной энергоэффективности (обычно представленные серией S20) стали основным выбором для промышленного распределения электроэнергии, преобразования городских распределительных сетей и новых энергетических проектов. По сравнению с традиционным типом S11/S13 он обладает выдающимися характеристиками по снижению потерь при холостом ходу и нагрузке, принимая во внимание преимущества энергосбережения и окупаемости инвестиций.

I. Что такое масляный трансформатор вторичной энергоэффективности?

Масляные трансформаторы вторичной энергоэффективности относятся к трехфазным масляным распределительным трансформаторам, которые соответствуют ограничениям вторичной энергоэффективности в GB 20052-2020 (и обновленной версии GB 20052-2024). Распространенные модели обозначены как серия S20-M (полностью герметичная) мощностью от 30 до 2500 кВА. Уровни напряжения обычно составляют 6/10/20 кВ (сторона высокого напряжения) и 0,4 кВ (сторона низкого напряжения).

• Энергоэффективность первого уровня: минимальные потери (например, аморфный сплав S22/SH21), подходит для долгосрочных сценариев полной нагрузки.

• Энергоэффективность уровня 2: по сравнению с уровнем энергоэффективности 3 потери на холостом ходу сокращаются примерно на 10–20 %, а потери при нагрузке снижаются примерно на 5 – 15 %, то есть в серии S20.

• Энергоэффективность уровня 3: минимальный порог входа на рынок (например, часть S13), новые проекты будут постепенно сворачиваться.

Конструкция вторичного масляного трансформатора, являющегося высокоэффективным и энергосберегающим силовым оборудованием, была оптимизирована в соответствии с требованиями новых стандартов энергоэффективности. Этот тип трансформатора в основном состоит из основных компонентов, таких как сердечник, обмотки и масляные баки. Каждый компонент дополняет друг друга по функциям и совместно обеспечивает эффективную работу трансформатора. В качестве сердечника магнитной цепи трансформатора железный сердечник обычно изготавливается из ламинированных листов кремнистой стали с высокой магнитной проницаемостью. Форма его поперечного сечения оказывает важное влияние на электрические и конструктивные параметры трансформатора. Обмотка – это схемная часть трансформатора. Он реализует функцию преобразования напряжения за счет разумного коэффициента трансформации. Материал и расположение проводов напрямую влияют на потери нагрузки и сопротивление короткого замыкания трансформатора. Масляный бак не только обеспечивает механическую поддержку трансформатора, но также выполняет функции рассеивания тепла и изоляции за счет циркулирующего потока внутреннего изоляционного масла, тем самым обеспечивая стабильность и надежность трансформатора при длительной эксплуатации.

II. Принцип работы

Принцип работы двухступенчатого энергоэффективного масляного трансформатора основан на законе электромагнитной индукции, а преобразование входного напряжения в выходное достигается за счет действия переменного магнитного поля. Когда первичная обмотка подключена к источнику переменного тока, переменный ток, генерируемый в обмотке, будет возбуждать переменный магнитный поток в сердечнике, тем самым вызывая индуцированную электродвижущую силу во вторичной обмотке. Этот процесс электромагнитной индукции позволяет трансформатору гибко регулировать уровень напряжения без изменения общего количества электрической энергии, тем самым удовлетворяя потребности различных сценариев применения.

В масляных трансформаторах роль изолирующего масла имеет решающее значение. С одной стороны, изоляционное масло, как превосходная изолирующая среда, позволяет эффективно изолировать высоковольтную часть между обмоткой и сердечником, предотвращая выход оборудования из строя вследствие электрического пробоя; с другой стороны, изоляционное масло отводит тепло, выделяемое во время работы трансформатора, посредством естественной конвекции или принудительной циркуляции, гарантируя, что оборудование поддерживает разумный диапазон повышения температуры при номинальной нагрузке. Этот эффективный механизм отвода тепла не только продлевает срок службы трансформатора, но и обеспечивает его стабильную работу в условиях высоких нагрузок. Таким образом, масляный трансформатор вторичной энергоэффективности достигает цели высокой эффективности и энергосбережения благодаря научному и разумному проектированию, в полной мере используя принцип электромагнитной индукции и характеристики изолирующего масла.

III. ТТХ

1. Производительность тепловыделения

Масляные трансформаторы демонстрируют значительные преимущества в эффективности рассеивания тепла благодаря своему уникальному механизму рассеивания тепла. Во время работы трансформаторное масло поглощает тепло, выделяемое обмотками и сердечником, посредством естественной конвекции или принудительной циркуляции, и передает его на поверхность масляного бака для рассеивания тепла. Этот эффективный метод отвода тепла позволяет не только эффективно контролировать повышение температуры внутри трансформатора, но и продлить срок службы оборудования. Исследования показывают, что эффективность отвода тепла у масляных трансформаторов примерно на 20% выше, чем у трансформаторов сухого типа, что обусловлено главным образом высокой теплоемкостью и высокой теплопроводностью изоляционного масла.

Кроме того, была дополнительно оптимизирована конструкция рассеивания тепла вторичного энергосберегающего масляного трансформатора. Например, способность рассеивания тепла значительно улучшается за счет увеличения площади поверхности топливного бака, установки радиаторов или применения системы принудительного воздушного охлаждения. Эти меры по оптимизации, особенно в условиях работы с высокой нагрузкой, гарантируют, что внутренняя температура трансформатора всегда поддерживается в разумных пределах, что позволяет избежать риска ухудшения производительности или отказа из-за перегрева. Таким образом, преимущества вторичных энергоэффективных масляных трансформаторов в характеристиках рассеивания тепла заложили прочную основу для их широкого применения в промышленности и строительстве.

2. Полностью герметичная гофрированная конструкция топливного бака.

В нем используется полностью герметичный гофрированный масляный бак (без маслорасширителя или внутреннего маслорасширителя). Гофрированный лист автоматически расширяется и сжимается при изменении температуры масла, чтобы компенсировать объем масла и изолировать проникновение воздуха и влаги, тем самым уменьшая старение изоляционного масла. Он практически не требует технического обслуживания и имеет расчетный срок службы до 30 лет.

3. Высокая надежность и безопасность.

• Сопротивление короткого замыкания: 4% (≤630 кВА) / 4,5%～6% (большая мощность)

• Повышенная устойчивость к короткому замыканию: улучшенная конструкция опоры обмотки и соединительных пластин, позволяющая выдерживать электрическую силу короткого замыкания на уровне 31,5 кА.

• Стандартный предохранительный клапан, интерфейс газового реле, сигнальный термометр.

• Уровень защиты IP44 (наружный тип), шум обычно не превышает 50 дБ(А), подходит для жилых помещений/коммерческих зданий.

IV. Типовые технические параметры (выдержка из серии С20 10кВ)

Примечание. Конкретные значения немного отличаются в зависимости от технологии производителя и зависят от протокола типовых испытаний.

V. Основные сценарии применения

• Промышленные предприятия/технопарки: непрерывная работа, высокая степень загрузки (>30%), короткий энергосберегающий цикл восстановления.

• Коммерческий комплекс/офисное здание: малошумное, полностью герметичное и не требующее обслуживания, подходящее для подвального или уличного трансформатора.

• Реконструкция городских электросетей/старые жилые районы: замена трансформаторов S7/S9/S11 с высокими потерями для снижения потерь в распределительной сети.

• Новые объекты энергообеспечения: распределенное фотоэлектрическое усиление и доступ к системе хранения энергии (доступны некоторые настраиваемые антигармонические конструкции)

• Трансформация сельской электросети/Тайваня: очевидный эффект в снижении потерь холостого хода и улучшении качества электроснабжения.

VI. Рекомендации по выбору

• Предпочтителен S20 (уровень энергоэффективности 2): новые проекты, долгосрочная эксплуатация (>10 часов в день), промышленное/коммерческое распределение электроэнергии.

• S13 (уровень энергоэффективности 3): рекомендуется только для кратковременного временного энергопотребления или для сценариев с чрезвычайно низким бюджетом.

• Новые установки уровня S11 и ниже запрещены: они больше не соответствуют национальным требованиям доступа к энергоэффективности.

• Если проект имеет достаточные средства, годовую эксплуатацию >8000 часов и высокую скорость нагрузки, можно оценить энергоэффективность первого уровня S22 или аморфный сплав SH15.

VII. Заключение

В качестве важного оборудования в современных энергосистемах вторичные энергетические масляные трансформаторы получили широкое применение во многих областях благодаря своим значительным энергосберегающим характеристикам и надежным эксплуатационным характеристикам. В этой статье представлен углубленный анализ его технических характеристик, включая структуру и принцип работы, преимущества энергоэффективности и эксплуатационные характеристики, раскрывающие его выдающиеся характеристики в области потерь холостого хода и оптимизации потерь нагрузки, а также ключевые технологии для достижения повышения энергоэффективности за счет новых материалов сердечника и оптимизированной конструкции обмотки. С точки зрения применения трансформатор показал хорошую применимость в системах энергоснабжения высокой мощности в промышленной сфере, адаптации к специальным промышленным условиям, электропитании в высотных зданиях и коммерческих комплексах в строительной сфере, а также в других сценариях, таких как транспорт и добыча энергии.

Однако масляные трансформаторы вторичного энергосбережения по-прежнему сталкиваются с определенными проблемами с точки зрения адаптации к окружающей среде, затрат на техническое обслуживание и технологических обновлений. В ответ на эти проблемы в этой статье предлагаются оптимизированные проектные и защитные меры для улучшения адаптации к окружающей среде, технологии мониторинга состояния и стратегии оптимизации управления техническим обслуживанием для снижения затрат на техническое обслуживание, а также инвестиции в НИОКР и стандартные методы реагирования на обновления, чтобы идти в ногу с технологическим развитием. Ожидается, что в будущем этот трансформатор будет и дальше следовать более высоким стандартам энергоэффективности за счет глубокой интеграции с интеллектуальными сетями и применения новых материалов и технологий, тем самым играя более важную роль в энергосистеме и способствуя устойчивому развитию электроэнергетики.