Опыт разработки и эксплуатации установок вакуумной заливки высоковольтных трансформаторов

При изготовлении высоковольтных трансформаторов различного назначения (для определенности возьмем напряжения 3 кВ и выше) важным является процесс заливки их обмоток изолирующим многокомпонентным компаундом. Часто именно этот технологический передел определяет надежность и стабильность электротехнических характеристик трансформаторов. Правильно выбранный для каждого конкретного случая заливочный компаунд — залог надежного функционирования устройства. При его выборе, кроме изоляционных свойств, имеющих первостепенное значение, необходимо учитывать условия эксплуатации трансформатора с точки зрения климатических факторов и возможных механических нагрузок.

Как правило, выбор заливочного материала — прерогатива разработчика-технолога, а обеспечение условий качественного процесса заливки — задача разработчика заливочного оборудования. Под качеством процесса заливки будем понимать выполнение всех требований по подготовке заливочной смеси (компаунда) и соблюдение последовательности операций и параметров.

В общем случае понятие «подготовка компаунда» включает следующие процессы:

• подготовка исходных компонентов;
• обеспечение соотношения компонентов (дозирование компонентов);
• смешивание компонентов;
• дегазация подготовленной смеси (для динамического смесителя);
• непосредственно заливка трансформатора.

Конструкторы ООО «Технический центр «Виндэк», разрабатывая на протяжении десяти лет установки заливки под требования заказчиков, накопили определенный опыт в понимании физических процессов, происходящих при заливке и разработке конструкторских решений узлов и установок в целом.

Остановимся более подробно на вышеприведенных процессах и соответствующих им конструкторских решениях. Процесс «подготовка исходных компонентов», в свою очередь, включает в себя следующие процедуры:

• перемешивание;
• первичная дегазация;
• подогрев (иногда охлаждение).

Перемешивание компонента обеспечивает исключение выпадения осадков в смолах с наполнителями и кислотных отвердителях, равномерность нагрева и однородность состава компонента по объему, а также способствует процессу поверхностной дегазации. В ТЦ «Виндэк» разработаны как многооборотные вентиляторные, так и тихоходные рамные мешалки на основе асинхронного привода под управлением частотных преобразователей. Для вакуумного уплотнения штоков мешалок применяются уплотнения типа «Джон-Крейн».

Дегазация исходных компонентов осуществляется при давлениях 10–20 мм рт. ст., реже при 1 мм рт. ст. Различают тонкопленочную и поверхностную дегазацию. Тонкопленочная дегазация осуществляется в тонком слое дегазируемого компонента, поверхностная — с поверхности значительного объема жидкости. Тонкопленочная дегазация в ТЦ «Виндэк» реализована в виде конуса растекания, дегазирующий компонент на который подается порционно, обеспечивая его растекание по конусу тонким слоем. Подача компонента на конус осуществляется шнековым питателем или насосом. Такая дегазация применяется для вязких смол, а поверхностная — для низковязких смол, отвердителей и высоковязких смол, когда возможно длительное (несколько часов) дегазирование.

Подогрев исходных компонентов необходим для уменьшения вязкости некоторых из них и выполнения требований техрегламента по температуре. В установках, разработанных в ТЦ «Виндэк», нагрев осуществляется несколькими способами. Выбор каждого из них обусловлен техническими и экономическими соображениями. Нагрев баков с компонентами реализуется с применением нагревательных «рубашек» с жидким теплоносителем и с помощью нагревательных кабелей. В зависимости от значений заданных температур и разно­образия их по составным частям установки, используется локальный нагрев ТЭНами, внешним теплогенератором или ленточными кабелями. Диапазон нагрева баков составляет +60…+130 °С. Отдельно следует отметить решения по нагреву продуктопроводов в установках заливки. Здесь так же, как и в баках, реализованы два подхода: использование жестких и гибких «сэндвичей» (труба в трубе) и нагрев труб с помощью распределенных ленточных кабелей.

Дозирование компонентов в установках заливки реализовано объемным методом и методом взвешивания. Объемное дозирование выполняется с помощью плунжерных и шестеренных насосов, а при гравитационном способе — с помощью мерной емкости, вывешенной на тензодатчиках. Каждый из методов обладает своими достоинствами и недостатками, поэтому выбор осуществляется разработчиком в каждом конкретном случае. Как правило, объемное дозирование применяется при статическом смешивании, гравитационное — при динамическом. Дело в том, что при статическом смешивании компоненты в заданном соотношении должны подаваться в смеситель одновременно, а при динамическом компоненты возможно подавать последовательно. Точность дозирования данных методов зависит в первую очередь от обслуживающей электроники и для насосов лежит в пределах 1–3%, для систем взвешивания — менее 1%.

В своих установках разработчики ТЦ «Виндэк» применяют смесители как статического, так и динамического типа. В статическом смесителе смешение, как правило, двух компонентов происходит за счет многократного разделения потока компонентов на отдельные ручьи и слияния их в промежуточных полостях в произвольном порядке. В своих разработках, в зависимости от производительности и других условий, конструкторы ТЦ «Виндэк» используют как покупные пластмассовые статические смесители, так и металлические смесители собственной разработки. Для универсальности и удобства промывки данные смесители сделаны наборными и разборными, с рубашками нагрева и охлаждения (рис. 1). Динамический смеситель целесообразно применять, когда время жизни реактивной смеси позволяет качественно перемешать «коктейль» из нескольких компонентов. Динамический смеситель разработки ТЦ «Виндэк» вместимостью 10 л, с рубашкой обогрева и многооборотной мешалкой, совмещает в себе функции дозатора компонентов на основе тензодатчиков (рис. 1). В данном смесителе при смешении компонентов также происходит дополнительная дегазация получаемой смеси.

Рис. 1. Типы смесителей

Непосредственно заливка трансформаторов подготовленным компаундом может производиться как при атмосферном давлении, так и в вакуумной камере. Естественно, последний вариант более предпочтителен с точки зрения качества заливки, но он является более дорогостоящим.

Рис. 2. Вакуумная камера установки «Вектор»

В ТЦ «Виндэк» имеется опыт разработки вакуумных камер из нержавеющей стали разных размеров и геометрии (рис. 2–4). Как правило, камеры оснащаются смотровыми окнами и подсветкой внутреннего объема. Внутри камер могут находиться механизмы перемещения и ориентирования заливаемых изделий. Для удобства заливки камеры снабжаются лазерными указателями местоположения заливочной формы.

Рис. 3. Малогабаритная вакуумная камера

Рис. 4. Вакуумная камера для контроля длинномерных изделий

В разработках ТЦ «Виндэк» для создания вакуума преимущественно используются вакуумные насосы пластинчато-роторного типа. Практика показывает, что насосы должны быть защищены от испарений вакуумируемых компонентов и получаемых смесей. Для этих целей применяются конденсоры двух типов: охлаждаемые холодной водой и жидким азотом. В ТЦ «Виндэк» разработаны конденсоры с большой распределенной площадью конденсации на основе нержавеющей дроби и на основе адсорбирующих поглотителей, охлаждаемые водой (рис. 5 и 6). Для переключения потоков компонентов, вакуумных магистралей, магистрали сжатого воздуха используются управляемые пневмокраны итальянской фирмы Valbia, сечением 1″ и 0,5″ (рис. 7).

Рис. 5. Конденсор на основе нержавеющей дроби

Рис. 6. Конденсор на основе адсорбирующих поглотителей

Рис. 7. Управляемые пневмокраны

Важной составляющей современных установок заливки является система управления (СУ). Именно она определяет качественные параметры установок, уровень безопасности, удобство управления и обслуживания. В разработках ТЦ «Виндэк» СУ строятся на основе контроллеров. Информация о протекании техпроцессов и состоянии оборудования поступает от электронных датчиков давления, температуры, веса, перемещения и т. п. СУ позволяет реализовывать алгоритмы ручного и автоматического управления (рис. 8 и 9).

Рис. 8. Мнемосхема установки приготовления двухкомпонентной смеси

Рис. 9. Ручной режим установки заливки компаунда

Реализована функция архивации данных, что является важным в установках подобного типа. Для установок заливки, где на определенном этапе процесса присутствует реактивная смесь компонентов, важно продумать поведение СУ и обслуживающего персонала при пропадании энерго­носителей: электроэнергии, пневмопитания, охлаждающей воды, поддавливающего инертного газа.

Неоценимым является опыт эксплуатации установок заливки у заказчиков, позволяющий улучшить и оптимизировать конструкцию узлов, повысить надежность их функционирования, улучшить организацию работ.

При повышенных температурах (более +60 °С) дегазируемых компонентов в конденсоре и трубах вакуумпровода выпадает конденсат из паров воды и легких фракций, составляющих компонент. Часто конденсат является химически агрессивным и способствует коррозии. Отсюда вывод: вакуумпровод до вакуумного насоса должен иметь минимальную длину, не иметь отстойных зон, быть выполненным из химически стойкого материала, желательно — теплоизолирован для минимизации выпадения конденсата. В зависимости от алгоритма работы должен быть определен момент и периодичность сброса конденсата из конденсора. Так как какое-то количество конденсата попадает в вакуумный насос, важно определиться с периодичностью замены вакуумного масла.

Следующим важным моментом эксплуатации является подготовка и обеспечение условий межсменных простоев и простоев в выходные и праздничные дни. Все элементы конструкции, соприкасающиеся с реактивной смесью, должны быть промыты. Компоненты в емкостях, склонные к выпадению осадков, должны во время простоя перемешиваться. Дегазируемые емкости, во избежание насыщения в них компонента воздухом, не следует соединять с атмосферой. Компоненты, меняющие агрегатное состояние в зависимости от температуры, желательно поддерживать при температуре готовности к техпроцессу.

При эксплуатации установок важно поддерживать герметичность вакуумных соединений и уплотнений, которые вследствие температурных изменений и вибраций могут приводить к поступлению воздуха в баки, вакуумные камеры, насосы и трубопроводы, что в итоге приводит к нарушению в дозировании компонентов, их окислению, нарушению параметров техпроцесса.

Вот еще несколько конкретных примеров из опыта эксплуатации установки заливки компаунда специального назначения типа «Вектор» разработки ТЦ «Виндэк»:

1. Изменение вязкости и переходы в другое агрегатное состояние компонентов при хранении и работе с изменением температуры. Примером данного положения может быть ситуация с разогревом смолы в баке подготовки, когда центральная часть бака, где расположен насос, разогревается с задержкой по сравнению с основной массой смолы, что приводит к ошибкам в дозировании. Тот же эффект может проявляться на клапанах отвердителя, при неполном разогреве остатков которого клапан не может открыться. Ситуация устраняется выбором правильного места установки термопары и выдержкой времени.
2. Выпадение конденсата отвердителя. В установке выпадение конденсата в вакуумном насосе приводило к нарушению герметичности насоса и протечке вакуумного масла. Устранить эффект удалось установкой фильтров-ловушек конденсата.
3. Нарушение герметизации при температурных переходах. Нарушение герметичности шарикового клапана отвердителя приводило к уменьшению дозы компонента. Своевременное подтягивание уплотнений клапана устранило проблему.
4. Изменение характеристик материалов при взаимодействии с компонентами и их парами. В установке неоднократно выходил из строя насос отвердителя. Причина — срабатывание резьбы винтовой пары насоса вследствие потери прочностных свойств материала винта при взаимодействии с расплавом отвердителя и его парами. Замена материалов винта не приводила к необходимому результату. Решением стало вынесение винтовой пары из бака наружу.
5. Неполное освобождение конуса с маршалитом при дозировке. Эффект удалось устранить подбором частоты вибратора конуса.

Процессы компаундирования высоковольтных трансформаторов и других моточных электротехнических изделий являются неотъемлемой составляющей современных технологий производства, поэтому создание современного заливочного оборудования для реализации данных процессов является актуальной задачей для разработчиков. На сегодня эту задачу успешно решают специалисты ТЦ «Виндэк».