Среднечастотный трансформатор в сети 66 кВ: изоляция за счёт масляного зазора 50 мм
Исследователи из испанского фонда CIRCE и Universidad de Málaga предложили конструкцию среднечастотного трансформатора на 75 кВт и 50 кГц для твердотельного трансформатора в сети 66 кВ с масляным зазором 50 мм между слабосвязанными катушками. Замена круглых катушек на двойные D-образные снизила потери в корпусе примерно на 96% и температуру масла.
Из функций, которые должен взять на себя твердотельный трансформатор, труднее всего заменить не преобразование напряжения, а изоляцию. Трансформатор промышленной частоты с помощью изоляционной бумаги и масла между сердечником и обмотками разделяет сторону среднего и сторону низкого напряжения на два отдельных мира; эта технология существует более ста лет, и её надёжность подтверждена документально. При переходе на ключевые приборы со среднечастотным трансформатором ту же изоляцию нужно обеспечить в гораздо меньшем объёме, а полупроводниковые приборы боятся концентрации электрического поля сильнее, чем медь и железо.
Juan Blanco-Ortiz, Eduardo García-Martínez, Ignacio González-Prieto и Mario J. Duran из испанского фонда CIRCE и Universidad de Málaga предложили в журнале Electronics конкретный подход: первичную и вторичную обмотки среднечастотного трансформатора выполнить в виде слабосвязанных катушек, оставить между ними 50 мм и залить этот промежуток изоляционным маслом; конструкция рассчитана на сеть 66 кВ, мощность 75 кВт и частоту 50 кГц. Больше всего усилий в статье потрачено на расчёт того, как после замены круглой формы катушек на двойную D-образную одновременно снижаются потери в корпусе и температура масла.
На стороне 66 кВ приборы и изоляцию нужно рассматривать вместе. Приведённый в статье коэффициент трансформации равен 1:1, по 4 витка на катушку, по 8 витков на первичной и вторичной сторонах. Такое число витков аномально мало, и причина в том, что при рабочей частоте 50 кГц наведённое на каждом витке напряжение очень велико; путь получения нужного коэффициента за счёт числа витков не работает, и компенсировать это приходится связью и изоляцией. Обмотки выполнены литцендратом; на реальной рабочей частоте 47 кГц отношение сопротивления переменному току к сопротивлению постоянному току удерживается в пределах 1,5.
Показатели изоляции задаются стандартом, а не выбираются разработчиком. По IEC 60076-3 этот трансформатор должен выдерживать испытание приложенным напряжением 140 кВ; испытание грозовым импульсом проводится волной 1,2/50 мкс с пиковым значением 325 кВ. Эти два числа объясняют, почему необходимо оставить масляный зазор 50 мм. Электрической прочности воздуха на таком расстоянии недостаточно, а материалы высоковольтных кабелей — силиконовая резина, поливинилхлорид, полиэтилен высокой плотности — имеют диэлектрическую прочность от 4 до 28 кВ/мм: в виде тонкого слоя они годятся, но сплошное тело толщиной 50 мм получится слишком тяжёлым и дорогим. Диэлектрическое масло одновременно обеспечивает изоляцию и отвод тепла, поэтому в высоковольтных трансформаторах масло применяется так давно.
У масла есть и своя цена, и статья этого не обходит. Масло требует герметичного бака, при длительной эксплуатации приходится сталкиваться с утечками, окислительным старением и ростом влагосодержания, а также учитывать горючесть и затраты на обслуживание. Сухая или залитая твёрдым компаундом изоляция, напротив, проста в обслуживании, но обеспечить стойкость к 66 кВ при 50 кГц и мощности в десятки киловатт с ней сложно: толщину и массу твёрдого диэлектрика трудно уменьшить. Рабочая частота упомянутого в статье решения на биоразлагаемом трансформаторном масле составляет всего 5 кГц; если частоту не поднять, объём не уменьшить, и этот путь не вполне согласуется с целью миниатюризации твердотельного трансформатора.
В первоначальной конструкции применялись обычные круглые катушки. Например, вариант 7 из статьи: 5 витков, наружный диаметр 540 мм, внутренний 374 мм, квадратная ферритовая пластина со стороной 550 мм, напряжение на резонансном конденсаторе удерживается в пределах 1250 В, индуктивность намагничивания 25 мкГн. Авторы просканировали пространство проектирования по диаметру от 150 мм до 1500 мм, всего 80 расчётных случаев, общее время 77 с, в среднем менее 1 с на случай; требуемый порог коэффициента связи принят равным 0,6.
В окончательном варианте выбраны двойные D-образные катушки: наружный диаметр каждой катушки 252,5 мм, расстояние между центрами двух катушек 287,5 мм, их отношение около 1,14; феррит по-прежнему квадратная пластина со стороной 550 мм, индуктивность намагничивания выросла до 43,54 мкГн, добротность около 1870, максимальная плотность магнитного потока в феррите 0,12 Тл, что укладывается в проектные пределы: 0,15 Тл между двумя катушками и 0,1 Тл в остальных областях. Между катушками и ферритом оставлено 5 мм, сам ферритовый слой имеет толщину 5 мм, а под ним располагается алюминиевая пластина толщиной 2 мм.
Расчёт потерь показателен больше всего. При 20 °C, синусоидальной форме сигнала, пиковом напряжении 1300 В и средней мощности 73 кВт на обмотку потери в корпусе снизились с 269,6 Вт для прямоугольных катушек до 4,38 Вт для двойной D, то есть примерно на 96%; суммарные потери снизились с 434,17 Вт до 249,88 Вт, на 42,4%. Цена записана в другой графе: потери на постоянном токе в первичной обмотке выросли с 49,3 Вт до 60,4 Вт, на 22,5%, сопротивление провода первичной обмотки постоянному току выросло с 4,93 мОм до 6,04 мОм. Общая длина кабеля в варианте с двойной D составляет 9,22 м, сопротивление переменному току 6,87 мОм, суммарные потери на переменном токе двух обмоток 144,46 Вт, разница потерь на переменном токе между двумя способами намотки 14,06 Вт.
Тепловой расчёт следует за этим. При естественной конвекции средняя температура масла в варианте с двойной D составляет 31,77 °C, максимальная 40 °C; для прямоугольного варианта — 35,7 и 43,71 °C: средняя снизилась на 11%, максимальная на 8,5%, а максимальный перепад температуры катушки уменьшился на 3 °C. Граничные условия теплового моделирования заданы достаточно реалистично: окружающая среда 20 °C, стальной корпус толщиной 5 мм, теплопроводность изоляционного масла 0,152 Вт/(м·К), плотность 940 кг/м³, удельная теплоёмкость 1900 Дж/(кг·К), сила тяжести — единственная внешняя сила.
Снижение потерь в корпусе более чем на девять десятых объясняется просто. У прямоугольной катушки путь потока рассеяния длинный, поток попадает на стальной корпус и наводит в нём вихревые токи; у двойной D две катушки имеют противоположную полярность, поток замыкается в области между ними, и на корпус попадает гораздо меньшая его часть. Корпус из источника тепла превращается в практически не нагревающийся элемент, и температура масла естественно снижается. Это выигрыш от формы конструкции, а не результат увеличения площади теплоотвода.
В методической цепочке этой статьи подавляющую часть занимает моделирование. Двумерное магнитное поле рассчитано в FEMM 4.2, трёхмерная проверка и расчёт потерь — в COMSOL Multiphysics 6.1, тепловой анализ — в ANSYS Icepak; три инструмента взаимно подтверждают друг друга, но измеренные на опытном образце КПД, удельная мощность и общая масса не приведены. В статье также нет распределения напряжённости электрического поля и напряжения начала частичных разрядов — величин, напрямую связанных с изоляцией; масляный зазор 50 мм — инженерный выбор, полученный обратным расчётом от испытательных напряжений по стандарту, а не результат оптимизации по напряжённости поля.
При масштабировании до мегаваттного уровня масляный зазор и размеры катушек не масштабируются линейно. Рост мощности при неизменном классе напряжения означает больший ток, и потери в обмотках и температура масла пойдут вверх; при повышении класса напряжения масляный зазор и размеры корпуса нужно согласовывать заново. Методологию статьи перенести можно, конкретные размеры — нет.
Сторона среднего напряжения твердотельных трансформаторов продвигается от 10 кВ к 35 кВ и 66 кВ, и проектирование изоляции всё больше будет напоминать инженерию высоковольтного оборудования, а не схемотехнику. Сам подход — оценивать форму катушек, размещение диэлектрика, потери и температуру в едином замкнутом цикле моделирования — стоит применять и для других классов напряжения.