Transformatory uszczelnione hermetycznie kontra transformatory z rozszerzalnikami: wybór odpowiedniego systemu zachowywania oleju

W kwietniu menedżer operacyjny elektrowni przybrzeżnej na Filipinach przesłał nam zdjęcie oddechnicy transformatora. Żel krzemionkowy w jej wnętrzu zmienił kolor na różowy — był wyczerpany — a jego załoga wymieniła go już dwukrotnie w tym kwartale. Wilgotność powietrza na ich stacji transformatorowej utrzymuje się przez większość roku powyżej 80 procent, a za każdym razem, gdy urządzenie „oddychało”, wpuszczało wilgoć bezpośrednio do rozszerzalnika. Jego pytanie to pytanie, które słyszymy od kupujących w regionach o wilgotnym klimacie: „Po co w ogóle potrzebujemy tej rury i oddechnicy? Czy nie można wykonać transformatora, który nie oddycha?”

Krótka odpowiedź brzmi tak — taki urządzenie nazywa się transformator hermetycznie zamknięty . Decyzja między nim a tradycyjnym transformator z konserwatorem jest systemem konserwacji oleju transformatorowego to decyzja techniczna, a nie cenowa. Błędny wybór oznacza albo konieczność ponoszenia kosztów konserwacji wentylatora, której w ogóle nie planowano, albo rezygnację z ochrony przekaźnikowej gazowej, której zakładało się, że jest dostępna. Poniżej wyjaśniono, jak te dwa rozwiązania różnią się od siebie i jak dokonać właściwego wyboru.

 

Dlaczego sposób konserwacji oleju transformatorowego określa czas eksploatacji

Olej w transformatorze transformator zanurzeniowy w oleju pełni dwie funkcje — izolację elektryczną i odprowadzanie ciepła — ale przenosi również wodę i tlen do miejsc, w których powodują one uszkodzenia. Mniej więcej 99 procent wody znajdującej się wewnątrz transformatora znajduje się w papierze celulozowym owijającym uzwojenia, a nie w oleju; dlatego próba oleju wyglądająca na „suchą” może ukrywać wilgotny system izolacyjny. Woda i tlen przyspieszają starzenie się papieru, zwiększają ryzyko wyładowań cząstkowych oraz skracają krzywą trwałości, której wartość została podana w raporcie z badań.

Ciepło czyni problem mechanicznym. Olej mineralny rozszerza się o około 4 procent, gdy transformator przechodzi od zimnego stanu wyłączania przy 20 °C do temperatury oleju na wierzchołku zbiornika wynoszącej 75 °C przy pełnym obciążeniu, a następnie kurczy się ponownie każdej nocy. Sztywny, całkowicie uszczelniony zbiornik nie może zignorować tej zmiany objętości. Projekt musi albo zapewnić rozszerzającemu się olejowi miejsce, do którego może przepływać — tzw. zbiornik rozszerzalny — albo pochłaniać cykle ciśnienia i podciśnienia wewnątrz uszczelnionego zbiornika. Ten pojedynczy wybór mechaniczny określa całą historię konserwacji urządzenia przez kolejne 25 lat.

Stronę konserwacji dokumentuje Przewodnik IEEE C57.93-2019 dotyczący instalacji i konserwacji , który obejmuje serwisowanie filtrów powietrza, kontrole zachowawcze oleju oraz kontrolę wilgoci w transformatorach zanurzanych w cieczy. Ogólne wymagania dotyczące zbiorników i akcesoriów zawarte są w IEEE C57.12.00-2021 iEEE C57.12.00-2015

 

Projekt transformatora ze zbiornikiem rozszerzalnym: oddychanie z założenia projektowego

A transformator z konserwatorem zawiera małą cylindryczną zbiorniczkę rozszerzeniową zamontowaną nad głównym zbiornikiem i połączoną z nim rurą. Gdy olej w głównym zbiorniku rozszerza się pod obciążeniem, przepływa on do góry, do zbiorniczka rozszerzeniowego, a powietrze nad powierzchnią oleju jest wypychane na zewnątrz przez oddechownicę wypełnioną żelowym krzemionkiem, który suszy powietrze wpływające w kolejnym cyklu. Objętość zbiorniczka rozszerzeniowego jest zwykle dobierana na 8–10 procent objętości oleju w głównym zbiorniku, co pokrywa zakres rozszerzenia od zimowego wyłączenia przy niskiej temperaturze do temperatury oleju na szczycie przy pełnym obciążeniu.

Ten układ znajduje zastosowanie w urządzeniach klasy stacji transformatorowych z trzech powodów. Po pierwsze umożliwia on zastosowanie przekaźnika gazowego Buchholza: przekaźnik montuje się w rurze łączącej zbiornik z zabezpieczonym zbiornikiem rozszerzalnym, gdzie gromadzi się gaz powstający w wyniku uszkodzenia, dlatego też transformatory mocy z ochroną gazową są zazwyczaj typu z zabezpieczonym zbiornikiem rozszerzalnym. Po drugie poziom oleju jest widoczny, a uzupełnianie jego ilości jest proste — olej dolewa się do zabezpieczonego zbiornika rozszerzalnego bez konieczności otwierania głównego zbiornika. Po trzecie ciśnienie wewnętrzne pozostaje niskie i stabilne, co łagodnie wpływa na uszczelki, wskaźnik poziomu oleju oraz uszczelkę pokrywy.

Cena tych korzyści to interfejs wentylacyjny, który wymaga konserwacji przez osobę trzecią. Żel krzemionkowy w wentylatorze nasycza się z czasem — zmiana koloru z niebieskiego na różowy jest sygnałem ostrzegawczym — a w wilgotnym środowisku przybrzeżnym lub tropikalnym może to oznaczać konieczność wymiany wkładu co kwartał, a nie raz w ciągu roku. Kubek uszczelniający z olejem umieszczony poniżej wentylatora musi pozostać wypełniony; w przeciwnym razie wentylator przestaje osuszać powietrze i zaczyna działać jak otwarte otwór wentylacyjne. W przypadku dużych transformatorów mocy zbiornik rozszerzalny jest często dostarczany oddzielnie, wraz z płytami zamykającymi, co dodatkowo wymaga wykonania połączenia w terenie podczas instalacji.

 

Co czyni inaczej transformator uszczelniony hermetycznie

A transformator hermetycznie zamknięty nie ma konserwatora ani oddechownicy. Zbiornik jest zaprojektowany tak, aby wewnętrznie pochłaniać całą ekspansję oleju na jeden z trzech sposobów: za pomocą poduszki ściśliwego gazu nad olejem (typ zbiornika uszczelnionego lub z poduszką gazową), elastycznej przegrody lub gumowej membrany oddzielającej olej od objętości gazu albo elastyczności ścian zbiornika zaprojektowanej w jego obudowie. Ponieważ urządzenie nigdy nie „oddycha”, powietrze zewnętrzne — wraz z zawartą w nim wilgocią — nigdy nie przedostaje się do wnętrza. Żel krzemionkowy, uszczelki olejowe oraz konserwacja oddechownicy całkowicie znikają z harmonogramu konserwacji.

Dlatego właśnie projekt uszczelniony dominuje transformatory montowane na podstawach oraz mniejsze jednostki dystrybucyjne w Ameryce Północnej, gdzie powszechne są jednostki z uszczelnionymi zbiornikami certyfikowane przez UL i CSA, a zespoły konserwacyjne mogą odwiedzać jednostkę tylko raz w ciągu roku. Jest to również doskonałe rozwiązanie dla oddalonych lokalizacji, instalacji w pustyni i przybrzeżnych oraz dowolnego projektu, w którym nie można polegać na lokalnym zespole w zakresie wymiany wkładu wentylacyjnego zgodnie z harmonogramem. Jednostki z uszczelnionymi zbiornikami są standardowo produkowane do wypełniania w pełnej próżni, co pozwala usunąć wilgoć pozostałą po produkcji w fabryce; ponadto inhibitor w oleju działa dłużej, ponieważ utlenianie jest ograniczone przez brak dostępu świeżego tlenu.

Kompromisy są istotne. Bez zbiornika rozszerzalnego klasyczny przekaźnik gazowy Buchholza nie może zostać zamontowany — gaz nie ma gdzie się gromadzić — dlatego konstrukcje uszczelnione opierają się na urządzeniach odpowietrzających ciśnienie oraz opcjonalnie na przekaźnikach szybkiego wzrostu ciśnienia lub monitoringu opartym na analizie gazów rozpuszczonych (DGA). Pobieranie próbek oleju i uzupełnianie jego poziomu wymaga większej ostrożności, ponieważ praca odbywa się pod ciśnieniem wewnętrznym, a nie w otwartym zbiorniku zapasowym. Sam zbiornik ponosi rzeczywiste obciążenia ciśnieniowe i podciśnieniowe: spoiny pokrywy, uszczelki i kołnierze muszą wytrzymać projektowe ciśnienie przez cały okres eksploatacji urządzenia, dlatego budowa zbiorników uszczelnionych wymaga dyscyplinowanego spawania oraz udokumentowanego testu ciśnieniowego przed malowaniem.

 

Zbiornik rozszerzalny vs. konstrukcja hermetyczna: porównanie obok siebie

Punkt porównania	Transformator z konserwatorem	Transformator hermetycznie zamknięty
Obsługa rozszerzalności oleju	Zewnętrzny zbiornik rozszerzalny umieszczony nad głównym zbiornikiem	Wewnętrzna poduszka gazowa, membrana lub elastyczna obudowa zbiornika
Wentylacja / przenikanie wilgoci	Wentylacja przez sucharkę z żelowym żelazem krzemionkowym; ryzyko przenikania wilgoci przy zaniedbaniu sucharki	Nigdy nie wentyluje się; najniższe możliwe ryzyko przenikania wilgoci
Przekaźnik gazowy (Buchholza)	Możliwe do zainstalowania — standardowo w transformatorach mocy	Nie montowane w klasycznej formie; zamiast nich zawór bezpieczeństwa i przekaźniki RPR
Utrzymanie rutynowe	Kontrola i wymiana żelu krzemionkowego, wskaźnik poziomu oleju	Kontrola ciśnienia i wskaźnik ciśnienia; brak środka odsączającego do wymiany
Dolanie oleju / pobranie próbek	Proste, za pośrednictwem zbiornika rozszerzalnego	Możliwe, ale wymaga procedury zarządzania ciśnieniem
Typowe zastosowania	Stacje elektroenergetyczne, transformatory mocy, jednostki OLTC, projekty zgodne z normą IEC oraz projekty na Bliskim Wschodzie/w Azji Południowo-Wschodniej	Jednostki umieszczone na podstawie i jednostki rozdzielcze, Ameryka Północna (normy UL/CSA), miejsca odległe i wilgotne
Transport i powierzchnia zajmowana	Zbiornik rozszerzalny; może być wysyłany osobno przez konserwatora w przypadku dużych jednostek	Kompaktowy, niskoprofilowy, pojedynczy uszczelniony zbiornik
Czynnik wpływający na koszty cyklu życia	Praca konserwatorska i materiały eksploatacyjne	Jakość zbiornika i spawów w trakcie produkcji

Oba projekty są poprawne i oba pojawiają się w katalogach każdej poważnej transformator zanurzeniowy w oleju fabryki. Kluczowe pytanie brzmi: który z nich najlepiej odpowiada warunkom lokalizacji, zespołowi obsługi oraz przyjętej filozofii ochrony.

 

 

Wybór odpowiedniego systemu konserwacji oleju dla danego projektu

Zacznij od standardu docelowego i schematu ochrony, ponieważ eliminują one opcje szybciej niż jakiekolwiek preferencje. Transformator typu pad-mounted określony zgodnie z normami IEEE C57.12.20 lub C57.12.22 dla rynku amerykańskiego lub kanadyjskiego będzie prawdopodobnie wyposażony w uszczelniony zbiornik i certyfikowany zgodnie z wymaganiami UL lub CSA — określenie zbiornika rozszerzalnego w tym przypadku wiąże się z koniecznością zapłaty za niestandardową modyfikację. Transformator stacyjny o mocy 15 MVA z ochroną różnicową i ochroną Buchholza będzie typu z zbiornikiem rozszerzalnym; próba jego wykonania jako uszczelnionego wymagałaby przeprojektowania całej filozofii ochrony. Między tymi skrajnościami zadaj cztery pytania:

• Klimat i wilgotność. Lokalizacje nadmorskie, tropikalne lub piaszczyste w regionach pustynnych z ograniczonym dostępem do punktów konserwacji mocno zwiększają ryzyko transformator hermetycznie zamknięty .
• Kompetencje załogi. Jeśli w praktyce pomiary żelu krzemionkowego będą pomijane, bezpieczniejszym rozwiązaniem jest projekt nie wymagający takich pomiarów niż harmonogram konserwacji, który nie zostanie przestrzegany.
• Filozofia monitorowania. Jeśli projekt zakłada analizę gazów rozpuszczonych (DGA) oraz monitorowanie w czasie rzeczywistym, dobrze sprawdzają się zbiorniki uszczelnione; jeśli natomiast system ochrony zakłada zastosowanie przekaźnika Buchholza, należy wybrać transformator z konserwatorem .
• Standardyzacja floty. Przedsiębiorstwo energetyczne, które wprowadza jeden typ zbiornika na setki jednostek, przywiązuje większą wagę do spójności niż do jakiegokolwiek pojedynczego optymalnego rozwiązania dla konkretnej lokalizacji.

Ryan Electric buduje oba konfiguracje w tej samej hali o powierzchni 120 000 m², w ramach partnerstwa z Eatonem rozpoczętego w 2023 roku, posiadając certyfikaty UL, CSA, IEEE, DEKRA oraz CNAS. To, co przekazujemy zakupującym, to to samo, co inżynierowie mówią sobie nawzajem: wybór systemu zachowawczego oleju zależy od miejsca instalacji i schematu ochrony, a nie od karty sprzedaży. Wyślij nam klasę napięcia, moc wyrażoną w kVA, warunki klimatyczne oraz plan konserwacji — zalecany typ zbiornika wynika z tych czterech danych wejściowych, a uzasadnienie przedstawimy w ofercie technicznej.

 

Zapytaj nas zanim ostatecznie ustalisz specyfikację zbiornika

Koszt zmiany typu zbiornika po zatwierdzeniu rysunków jest znacznie wyższy niż koszt zadania jednego pytania na wczesnym etapie. Jeśli określasz zbiornik dla transformatora transformator zanurzeniowy w oleju — klasy rozdzielczej lub mocy, dla dowolnego rynku — prześlij nam warunki eksploatacyjne i miejsca instalacji za pośrednictwem naszego strona kontaktu a następnie przedstawimy zalecenia dotyczące typu zbiornika, prognozę konserwacji na pierwsze pięć lat oraz realistyczny harmonogram dostaw. Poprawna systemem konserwacji oleju transformatorowego decyzja to rozmowa na jednej stronie. Oszczędza lata wymiany wkładów filtrujących lub lata rozmyślania nad tym, dlaczego nie zainstalowano przekaźnika gazowego.

O autorze : Ten przewodnik został opracowany przez zespół inżynierów i dział eksportowy firmy Ryan Electric – producenta transformatorów założonego w 2007 roku w prowincji Jiangsu w Chinach oraz od 2023 roku partnera strategicznego Eaton w ramach wspólnej przedsiębiorstwa. Zespół wspiera zakupców z sektora energetyki, firm EPC oraz przemysłu w Ameryce Północnej, Azji Południowo-Wschodniej, na Bliskim Wschodzie i w Afryce, oferując wsparcie techniczne w zakresie aplikacji, pomoc w uzyskiwaniu certyfikatów oraz dokumentację wyników testów fabrycznych.