12 марта 2015, ЭнергоЭксперт
Азотный трансформатор тока 110 кВ: техническая, экономическая и экологическая целесообразности применения


Козловский А.Н., генеральный директор ЗАО «ЗЭТО»
Иванов Д.В., технический директор ЗАО «ЗЭТО»
Ярошенко Д.С., генеральный конструктор ЗАО «ЗЭТО»
Острейко В.Н., к.т.н., гранд-доктор теоретической электротехники, зам. ген. конст. по научно-техническим разработкам и публикациям
В последнее десятилетие в соответствии с мировой тенденцией элегаз в России стал основной коммутационной и изоляционной средой для высоковольтных аппаратов напряжением 110 кВ и выше. Превосходные свойства элегаза как коммутационной среды, обеспечивающей в сравнении с маслом и воздухом значительно более низкое напряжение и энергию на электрической дуге, позволили элегазовым выключателям полностью вытеснить масляные и воздушные. Но в отличие от выключателей применение элегаза в измерительных трансформаторах не является безальтернативным. ООО «ЗЭТО-Газовые Технологии» подготовило производство и аттестовало азотный трансформатор тока ТОГФ-110.
Элегаз и масло имеют примерно одинаковые изоляционные характеристики. Поэтому на рынке присутствуют и масляные, и элегазовые измерительные трансформаторы, которые в основном имеют равные технико-экономические показатели.
Но при этом масляный трансформатор пожаро- и взрывоопасен, а элегазовый – подпадает под экологический контроль по утечкам парникового газа в атмосферу. Общая же проблема для обоих видов трансформаторов при ремонтах и окончании срока службы – извлечение и утилизация масла и элегаза с соблюдением экологических правил. Это приводит к издержкам, иногда значительным, особенно для подстанций, удаленных от мест нахождения ремонтных подразделений и мест утилизации.

ООО «ЗЭТО-Газовые Технологии» подготовило производство (фото 1) и аттестовало азотный трансформатор тока ТОГФ-110 (фото 2). Он имеет изоляционную среду, которая является основной составляющей воздуха. Поэтому у такого трансформатора отсутствуют вышеупомянутые недостатки, свойственные для масляных и элегазовых трансформаторов, поскольку:
  • азотный трансформатор пожаро- и взрывобезопасен;
  • он не подпадает под экологический контроль;
  • его изоляционная (азотная) среда проста и единообразна для всех климатических исполнений, она практически не зависит от температуры, а также не нуждается в специальных технологиях контроля и утилизации; „
  • в процессе монтажа и эксплуатации трансформатора, а также утилизации азота не требуется присутствие представителей производителя или специально обученного персонала.
С учетом этих факторов азотный измерительный трансформатор высокого напряжения более предпочтителен по сравнению с масляным и элегазовым аналогами.
Но азот как изоляционная среда уступает маслу и элегазу, что приводит к некоторому (сравнительно небольшому) удорожанию трансформатора. Но разумное удорожание, исключающее риски и финансовые издержки в будущем, при дальновидном подходе является оправданным. Нельзя забывать, что в местах компактного проживания людей в ряде стран, например, Европы и в Японии финансовые санкции накладываются на малейшие уровни выбросов парниковых газов, что в будущем может быть и в России.
Подстанции 110 кВ – самые многочисленные, зачастую они значительно удалены от сервисных центров, что предопределяет высокие транспортные расходы, связанные с ремонтом и утилизацией масла и элегаза (особенно в районах Сибири и Дальнего Востока). Применение же азотных трансформаторов даст существенное снижение эксплуатационных затрат, компенсирующее возможное удорожание изделий. Что касается трансформатора тока ТОГФ-110, то его стоимость мало отличается от стоимости элегазовых аналогов – особенно, если количество вторичных обмоток меньше шести, что характерно для регионов климатического исполнения УХЛ1.
Отметим, что в основном трансформатор ТОГФ-110 имеет известную конструкцию [1]. Вместе с тем, в ней применен ряд инновационных технологических и конструктивных решений. Так, минимизированы электрические напряженности в областях их максимальных значений. Это принципиально важно, поскольку электрическая прочность азота существенно ниже прочности элегаза. В частности, наиболее электрически напряженным является каплеобразный торец внутреннего экрана [1, с. 330]. Поэтому он выполнен эллиптической формы с полуосями a и b>a и с полуфокусным расстоянием c (рис. 1). Минимизация напряженности на эллиптическом торце в точках (y=0, x =x1 – боковая поверхность эллипса), (y=0, x=x2 – поверхность цилиндрической стойки) и (x=0, y=–b – торцевая поверхность эллипса) осуществлена с помощью координатно-структурного метода [2] на основе семейства софокусных эллипсов, аппроксимирующих эквипотенциальные поверхности электрического поля (семейство описывается функцией комплексной переменной x+jy=c ∙ch(u + jv)). При этом торцевой профиль между точками Ta и Tb может отличаться от эллиптического, а эллиптическое сечение может быть полым или сплошным.

Указанная минимизация реализуется путем отыскания промежуточных параметров x2, x3 и c из следующей системы трех нелинейных алгебраических уравнений:

при подстановке в них выражения
и численных значений 
После решения этой системы искомые геометрические параметры торцевой части экрана (рис. 1) рассчитываются по формулам:

Кроме этого, найдены оптимальные радиусы всех закруглений, минимизирующих напряженность в местах ее повышенных значений.

ВЫВОДЫ
По техническим, экономическим и экологическим характеристикам азотные трансформаторы тока являются наиболее предпочтительными для электрических сетей 110 кВ и выше. Особенно целесообразно их применение на подстанциях 110 кВ в районах с низкими температурами или удаленных от мест утилизации масла и элегаза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Электрические аппараты высокого напряжения с элегазовой изоляцией / Под ред. Ю.И. Вишневского – СПб.: Энергоатомиздат, 2002.
2. Острейко В.Н. Синтез потенциального поля заданной структуры и интенсивности за счет реализации определенного закона изменения характеристики среды // Электричество, 1978. – № 4.