Why Is Oil Used in 11kV Immersed Transformers? Key Roles Explained

В глобальных распределительных сетях напряжение 11 кВмасляные трансформаторыявляются доминирующим оборудованием для преобразования энергии. Они широко используются в городских распределительных сетях, промышленных парках, интеграции фотоэлектрических и ветроэнергетических сетей, сельской электрификации и зарубежных проектах EPC. Многие покупатели, инженеры-электрики и владельцы проектов продолжают задаваться одним фундаментальным, но важным вопросом: почему такие трансформаторы среднего напряжения заполнены изоляционным маслом, а не воздухом или другими твердыми изоляционными материалами?
Изоляционное масло – это не просто наполнитель. Это незаменимый функциональный материал внутри 11кВ.масляные трансформаторы, что напрямую определяет теплоотдачу, характеристики изоляции, срок службы оборудования и стабильность работы. Трансформаторы сухого типа используют воздух и эпоксидную смолу для изоляции, тогда как масляные трансформаторы используют минеральное изоляционное масло (или синтетическое эфирное масло) для одновременного выполнения нескольких функций. В этой статье подробно рассматриваются основные роли изолирующего масла в масляных трансформаторах напряжением 11 кВ, сравниваются преимущества и ограничения масляных решений, представлены распространенные типы изоляционного масла, критерии приемки качества и рекомендации по техническому обслуживанию. Он предоставляет посетителям профессиональные технические ссылки на независимых веб-сайтах, помогая специалистам-энергетикам принимать обоснованные решения при выборе проекта, приемке оборудования и ежедневном обслуживании.

Внутри трансформатора 11 кВ имеются части, находящиеся под напряжением, такие как обмотки высокого напряжения, обмотки низкого напряжения и железный сердечник, а также заземленные компоненты. Надежная изоляция между компонентами необходима для предотвращения пробоев и коротких замыканий. Воздух имеет ограниченную изолирующую способность и склонен к электрическим разрядам в узких пространствах, в сильных электрических полях и во влажных условиях. Трансформаторное изоляционное масло обладает высокой диэлектрической прочностью. Он заполняет все крошечные зазоры между железным сердечником и обмотками, полностью удаляет воздух, эффективно изолирует обмотки высокого напряжения от обмоток низкого напряжения, а также отделяет обмотки от заземленного железного сердечника и корпуса масляного бака.
When the transformer withstands power frequency voltage and lightning impulse voltage, insulating oil suppresses local electric field concentration and reduces partial discharge risks. According to IEC 60156, qualified new mineral insulating oil must reach a specified breakdown voltage level to ensure safe operation under rated voltage and temporary overvoltage conditions. If insulating oil becomes damp, contaminated or aged, its breakdown voltage will drop rapidly, and the risk of internal insulation breakdown rises sharply. This is the fundamental reason why oil immersed transformers need regular oil withstand voltage tests.

Во время работы трансформатора потери на гистерезис и потери на вихревые токи железного сердечника вместе с потерями нагрузки на обмотку постоянно выделяют тепло. Высокая температура является основной причиной старения твердой изоляции. Если тепло не удастся вовремя отвести, изоляция обмоток быстро ухудшится, что сократит срок службы трансформатора и даже приведет в тяжелых случаях к перегоранию оборудования.
Изоляционное масло обладает хорошей теплопроводностью и образует внутреннюю циркуляцию за счет естественной циркуляции масла (ОНАН) или принудительного воздушного охлаждения (ОНАФ). Нагретое изоляционное масло вблизи железного сердечника и обмоток имеет меньшую плотность и течет вверх. Тепло передается стенкам резервуара и радиаторам, а охлажденное масло течет обратно вниз, непрерывно отводя тепло от источников тепла. Эта система охлаждения с циркуляцией масла отличается простой конструкцией и высокой эффективностью теплообмена. По сравнению с воздушным охлаждением масляное охлаждение может поддерживать большую мощность при меньшей занимаемой площади, что является основной причиной, по которой распределительные трансформаторы большой мощности предпочитают масляную конструкцию.

Бумажная изоляция, обернутая вокруг обмоток трансформатора, изготовлена ​​из органического материала. Он постепенно окисляется и становится хрупким под воздействием высокой температуры и кислорода, теряя изоляционную способность. После того, как масляный бак заполнен изоляционным маслом, можно изолировать кислород и влагу для защиты изоляции намоточной бумаги. Изоляционное масло может растворять небольшое количество кислорода, уменьшать реакции окисления бумажной изоляции, замедлять старение всей системы изоляции и продлевать общий срок службы трансформатора.
Между тем, изоляционное масло покрывает металлические компоненты и снижает риск окислительной коррозии на металлических поверхностях железного сердечника и обмоток. Следует отметить, что этот защитный эффект не является постоянным. При длительной эксплуатации изоляционное масло медленно окисляется и выделяет органические кислоты и масляный шлам. Масляный шлам прилипает к обмоткам и поверхностям радиатора, препятствуя рассеиванию тепла и еще больше ускоряя деградацию оборудования. Поэтому масляные трансформаторы нуждаются в регулярном определении кислотного числа и содержания влаги. При необходимости требуется фильтрация или замена масла.

Еще одна ключевая ценность изоляционного масла, которую легко упустить из виду, — это возможность диагностики неисправностей. Когда внутри трансформатора возникают скрытые неисправности, такие как локальный перегрев, электрические дуги и межвитковые разряды, высокая температура вызывает термическое разложение изоляционного масла и образование характерных газов, включая водород, метан и ацетилен. Эти газы растворяются в изоляционном масле. Специалисты по техническому обслуживанию проводят анализ растворенных газов (DGA), собирая пробы масла для проверки состава и концентрации растворенных газов. Скрытые опасности могут быть выявлены до того, как неисправности перерастут в серьезные аварии из-за короткого замыкания.
Это уникальное диагностическое преимущество масляных трансформаторов. Трансформаторы сухого типа практически не позволяют осуществлять выборку для получения характеристик внутреннего повреждения. Напротив, масляные трансформаторы реализуют ненавязчивое раннее предупреждение о неисправности, опираясь на изолирующее масло, что значительно снижает риски внезапных отключений электроэнергии и повреждения оборудования. Реле Бухгольца также воздействует на масляно-газовые смеси, образующиеся в результате неисправностей, вызывая срабатывание сигнализации или срабатывание защиты, и этот механизм защиты построен на изолирующей масляной системе.

Минеральное изоляционное масло: наиболее широко распространенный тип на рынке с умеренной стоимостью и стабильными диэлектрическими и тепловыми характеристиками, соответствующий стандарту IEC 60296. В большинстве обычных распределительных трансформаторов 11 кВ используется минеральное масло. Его недостаток – горючесть. Схемы противопожарной защиты необходимы при использовании в закрытых помещениях и густонаселенных помещениях.
Синтетическое эфирное масло и натуральное эфирное масло: экологически чистые биоразлагаемые изоляционные масла с высокой температурой вспышки и низким риском возгорания. Утечка вызывает меньшее загрязнение почвы и водоемов. Они широко используются в городских подземных электрораспределительных помещениях, жилых кварталах, охранных зонах источников воды и других объектах со строгими требованиями пожарной безопасности и охраны окружающей среды. Обратной стороной является более высокая стоимость закупок по сравнению с минеральным маслом.
Выбор должен быть всесторонне определен на основе условий установки, норм пожарной безопасности, местных сетевых стандартов и бюджета проекта.

Использование изоляционного масла также имеет недостатки. Существует опасность утечки изоляционного масла, которая может быть вызвана старением сварных швов резервуара и уплотнительных прокладок. Минеральное масло легко воспламеняется, поэтому необходимо предусмотреть меры противопожарной защиты. Изоляционное масло со временем портится, поэтому регулярные проверки качества масла являются обязательными.
Ключевые задачи ежедневного технического обслуживания включают контроль уровня масла и проверку герметичности баков; регулярный отбор проб масла на пробивное напряжение, влажность, кислотное число и тесты DGA; поддержание чистоты радиаторов для обеспечения циркуляции тепла; наличие сапунов для минимизации попадания влаги в бак. Со стандартным обслуживанием, 11кВмасляные трансформаторыможет стабильно работать десятилетиями.

Подводя итог, можно сказать, что изоляционное масло выполняет четыре основные функции при напряжении 11 кВ.масляные трансформаторы: действует как изоляционная среда высокого напряжения, циркулирует и отводит тепло, защищает внутреннюю твердую изоляцию от старения и служит средой для обнаружения скрытых внутренних неисправностей. В совокупности эти четыре преимущества делают масляные трансформаторы основным вариантом для распределительных сетей 11 кВ во всем мире благодаря высокой надежности, отличному рассеиванию тепла и выгодной стоимости.
Тем не менее, характеристики изоляционного масла ухудшаются в зависимости от времени эксплуатации, температуры и влажности окружающей среды, а также уровня загрязнения. Специалисты, работающие в энергетических проектах, должны понимать принцип работы изолирующего масла и придавать большое значение периодическим испытаниям качества масла, чтобы в полной мере использовать преимущества производительности масляных трансформаторов и обеспечить долгосрочное стабильное электроснабжение распределительных сетей.