Зашто се уље користи у 11кВ уроњеним трансформаторима? Објашњене кључне улоге

У глобалним електродистрибутивним мрежама 11кВтрансформатори потопљени у уљесу доминантна опрема за трансформацију енергије. Они су широко распоређени у градским дистрибутивним мрежама, индустријским парковима, интеграцији фотонапонских и ветроелектричних мрежа, руралној електрификацији и прекоморским ЕПЦ пројектима. Многи купци, електроинжењери и власници пројеката стално постављају једно фундаментално, али критично питање: зашто су такви средњенапонски трансформатори пуњени изолационим уљем уместо ваздухом или другим чврстим изолационим материјалима?
Изолационо уље није само једноставан медиј за пуњење. То је незаменљив функционални материјал унутар 11кВтрансформатори потопљени у уље, што директно одређује капацитет дисипације топлоте, перформансе изолације, радни век опреме и радну стабилност. Трансформатори сувог типа се ослањају на ваздух и епоксидну смолу за изолацију, док трансформатори уроњени у уље користе минерално изолационо уље (или синтетичко естарско уље) за постизање више функција истовремено. Овај чланак елаборира кључне улоге изолационог уља у 11кВ трансформаторима уроњеним у уље, упоређује предности и ограничења уљних решења, уводи уобичајене типове изолационог уља, критеријуме прихватљивости квалитета и смернице за одржавање. Пружа професионалне техничке референце за посетиоце на независним веб страницама, помажући практичарима моћи да донесу разумне одлуке током одабира пројекта, прихватања опреме и свакодневног одржавања.

Унутар трансформатора од 11 кВ налазе се делови под напоном као што су високонапонски намотаји, нисконапонски намотаји и гвоздено језгро, као и уземљене компоненте. Потребна је поуздана изолација између компоненти да би се спречили кварови и грешке кратког споја. Ваздух има ограничен изолациони капацитет и склон је електричном пражњењу у уским просторима, под јаким електричним пољима и влажним условима. Трансформаторско изолационо уље има високу диелектричну чврстоћу. Попуњава све мале празнине између гвозденог језгра и намотаја, потпуно избацује ваздух, ефикасно изолује високонапонске намотаје од нисконапонских намотаја и одваја намотаје од уземљеног гвозденог језгра и шкољке резервоара за уље.
Када трансформатор издржи напон фреквенције струје и напон импулса грома, изолационо уље потискује концентрацију локалног електричног поља и смањује ризик од делимичног пражњења. Према ИЕЦ 60156, квалификовано ново минерално изолационо уље мора да достигне одређени ниво пробојног напона да би се обезбедио безбедан рад под називним напоном и условима привременог пренапона. Ако изолационо уље постане влажно, контаминирано или стари, његов пробојни напон ће брзо пасти, а ризик од квара унутрашње изолације нагло расте. Ово је основни разлог зашто трансформаторима уроњеним у уље требају редовна испитивања отпорности на напон у уљу.

Током рада трансформатора, губитак хистерезе и губитак на вртложне струје гвозденог језгра заједно са губитком оптерећења намотаја континуирано стварају топлоту. Висока температура је примарни узрок старења чврсте изолације. Ако се топлота не може распршити на време, изолација намотаја ће се брзо погоршати, скраћујући радни век трансформатора и чак довести до прегоревања опреме у тешким случајевима.
Изолационо уље има повољну топлотну проводљивост и ствара унутрашњу циркулацију кроз природну циркулацију уља (ОНАН) или принудно хлађење ваздухом (ОНАФ). Загрејано изолационо уље у близини гвозденог језгра и намотаја има мању густину и тече нагоре. Топлота се преноси на зид резервоара и радијаторе, док охлађено уље тече назад надоле да континуирано одводи топлоту из извора топлоте. Овај систем за хлађење са циркулацијом уља одликује се једноставном структуром и високом ефикасношћу размене топлоте. У поређењу са ваздушним хлађењем, уљно хлађење може да подржи већи капацитет у оквиру мањег отиска, што је кључни разлог зашто дистрибутивни трансформатори великог капацитета преферирају дизајн уроњен у уље.

Папирна изолација омотана око намотаја трансформатора је органски материјал. Постепено ће оксидирати и постати крхка под високим температурама и излагањем кисеонику, губећи изолациони капацитет. Након што се резервоар за уље напуни изолационим уљем, кисеоник и влага се могу изоловати да би се заштитила изолација папира за намотавање. Изолационо уље може растворити малу количину кисеоника, смањити оксидационе реакције папирне изолације, успорити старење целог изолационог система и продужити укупан радни век трансформатора.
У међувремену, изолационо уље облаже металне компоненте и смањује ризик од оксидативне корозије на металним површинама гвозденог језгра и намотаја. Треба напоменути да овај заштитни ефекат није трајан. Током дуготрајног рада, изолационо уље полако оксидира и производи органске киселине и уљни муљ. Уљни муљ се лепи за намотаје и површине радијатора, ометајући дисипацију топлоте и даље убрзавајући деградацију опреме. Због тога је уљним трансформаторима потребна редовна детекција киселинске вредности и садржаја влаге. Филтрирање уља или замена уља је потребна по потреби.

Још једна кључна вредност изолационог уља која се лако превиђа је да служи као медиј за дијагнозу квара. Када се латентни кварови као што су локално прегревање, електрични лукови и пражњења од окрета до круга појаве унутар трансформатора, висока температура покреће термичку разградњу изолационог уља и ствара карактеристичне гасове укључујући водоник, метан и ацетилен. Ови гасови се растварају у изолационом уљу. Техничари за одржавање спроводе анализу раствореног гаса (ДГА) прикупљањем узорака уља да би тестирали састав и концентрацију растворених гасова. Латентне опасности се могу идентификовати пре него што се кварови прерасту у озбиљне несреће кратког споја.
Ово је јединствена дијагностичка предност трансформатора уроњених у уље. Трансформатори сувог типа тешко дозвољавају узорковање да би се добиле карактеристике унутрашње грешке. Насупрот томе, трансформатори уроњени у уље реализују ненаметљиво рано упозорење о квару ослањајући се на изолационо уље, значајно смањујући ризик од изненадних нестанка струје и оштећења опреме. Бухолц релеј такође делује на мешавине нафте и гаса настале услед кварова да би активирао аларме или заштиту од окидања, а овај заштитни механизам је изграђен на изолационом систему уља.

Минерално изолационо уље: најраспрострањенији тип на тржишту са умереном ценом и стабилним диелектричним и термичким перформансама, у складу са ИЕЦ 60296. Већина конвенционалних 11кВ дистрибутивних трансформатора користи минерално уље. Његов недостатак је запаљивост. Шеме заштите од пожара су потребне када се користе у затвореним просторијама и густо насељеним подручјима.
Синтетичко естарско уље и природно естарско уље: еколошки прихватљива биоразградива изолациона уља са високом тачком паљења и малим ризиком од пожара. Цурење узрокује мање загађење тла и водених тијела. Широко се користе у урбаним подземним просторијама за дистрибуцију електричне енергије, стамбеним насељима, зонама заштите извора воде и другим пројектима са строгим захтевима заштите од пожара и заштите животне средине. Недостатак је већи трошак набавке у поређењу са минералним уљем.
Избор ће бити свеобухватно одређен на основу окружења за инсталацију, кодекса против пожара, локалних стандарда мреже и буџета пројекта.

Усвајање изолационог уља такође има недостатке. Постоји ризик од цурења изолационог уља, што може бити узроковано старењем заварених спојева резервоара и заптивних заптивки. Минерално уље је запаљиво и морају бити опремљене мере заштите од пожара. Изолационо уље се временом деградира и редовно испитивање квалитета уља је обавезно.
Кључни задаци дневног одржавања укључују праћење нивоа уља и проверу цурења из резервоара; редовно узорковање уља за пробојни напон, влагу, киселину и ДГА тестове; одржавање радијатора чистим како би се гарантовала циркулација топлоте; одржавање одзрачника како би се минимизирао улазак влаге у резервоар. Са стандардизованим одржавањем, 11кВтрансформатори потопљени у уљеможе стабилно да ради деценијама.

Укратко, изолационо уље обавља четири основне функције у 11кВтрансформатори потопљени у уље: делује као изолациони медијум високог напона, циркулише и уклања топлоту, штити унутрашњу чврсту изолацију од старења и служи као медијум за латентну детекцију унутрашњих грешака. Комбиновано, ове четири предности чине трансформаторе уроњене у уље главном опцијом за глобалне дистрибутивне апликације од 11 кВ због високе поузданости, одличног одвођења топлоте и повољне цене.
Ипак, перформансе изолационог уља се погоршавају са временом рада, амбијенталном температуром и влажношћу и нивоом контаминације. Практичари у енергетским пројектима морају разумети принцип рада изолационог уља и придати значај периодичном испитивању квалитета уља, како би у потпуности искористили предности перформанси трансформатора уроњених у уље и обезбедили дугорочно стабилно напајање дистрибутивних мрежа.