Укрепление энергосистемы:ученые разработали сейсмостойкие трансформаторные втулки

Инсайдер силовой электроники

Джон Бендер из W.E. Gundy and Associates (WEGAI) изображен здесь стоящим рядом с примером силового трансформатора, который применим к этому исследованию ввода. (Изображение:ИНЛ)

Электрическая сеть, которую мы считаем само собой разумеющейся, включает в себя большое и дорогое оборудование, в первую очередь силовые трансформаторы. Если один из них выйдет из строя, его замена может занять больше года и потребует огромных затрат. В густонаселенных и сейсмически активных регионах, таких как Калифорния или Тихоокеанский северо-запад, время не является роскошью.

Во время землетрясения местом, где большой высоковольтный силовой трансформатор наиболее уязвим, являются его втулки — полые электрические изоляторы, которые безопасно проводят ток между внутренними обмотками трансформатора и внешними линиями электропередачи. Чаще всего они изготавливаются из фарфора из-за его способности изолировать проводящий материал, обычно медь или алюминий, и предотвращать утечку высоковольтного тока, искрение и взрывы.

Втулки прикручены болтами к турелям трансформатора, которые выходят из основного бака. Именно на этих связях сосредоточилась команда исследователей из Национальной лаборатории Айдахо (INL). Цель команды — разработать механически простой регулируемый изолятор, известный как развязывающий элемент, который можно установить в основании втулки и настроить так, чтобы предотвратить совпадение резонансных частот во втулке и турели (что приводит к усилению механического напряжения на фарфоровой втулке).

«Резонансные частоты — это стержень», — сказал Бьорн Ваагенсмит, главный исследователь проекта и лауреат Президентской премии за раннюю карьеру для ученых и инженеров 2025 года.

Все объекты имеют резонансную частоту, которая возникает, когда в объекте максимально усиливаются входные вибрации. Когда звуковая волна разбивает бокал или зеркало, это работает резонансная частота. В истории гражданского строительства, пожалуй, самым известным примером является обрушение моста Такома-Нарроуз в 1940 году. Скорость и направление ветра в сочетании с конструкцией и материалами моста, которые создавали резонансную частоту, заставляли его настил сильно колебаться. Благодаря этому недавно построенный мост получил прозвище «Скачущая Герти», прежде чем через четыре месяца он развалился на куски и упал в Пьюджет-Саунд.

При землетрясении сейсмические волны вызывают колебания грунта вверх-вниз или вперед-назад, которые передаются на большие силовые трансформаторы. Благодаря своей гибкости и плотности большие стальные баки силовых трансформаторов, заполненные изоляционным маслом, могут динамически резонировать с установленным на них оборудованием. Когда резервуар и установленные на нем втулки находятся на одной длине волны, существует опасность, что усиленная тряска от землетрясения приведет к катастрофическому выходу из строя вводов.

Ваагенсмит и его коллеги — Чанду Болисетти из INL и Джон Бендер из инженерной фирмы WEGAI в Бойсе — пытаются решить эту проблему, разработав развязывающее устройство, которое смещает резонансную частоту ввода в сторону от частоты трансформатора. Развязку, которую они разрабатывают, можно легко установить в основании ввода и недорого установить на старые модели трансформаторов. Команда добивается патента на эту конструкцию.

Первоначально их проект финансировался в рамках программы исследований и разработок под руководством лаборатории INL. В настоящее время его совместно поддерживают Программа устойчивости трансформаторов и передовых компонентов (TRAC) Управления энергетики Министерства энергетики США и Управление кибербезопасности, энергетической безопасности и реагирования на чрезвычайные ситуации (CESER). Программа TRAC существует для ускорения модернизации сетей путем решения проблем, связанных с технологиями сетевого оборудования, включая большие силовые трансформаторы. Целью офиса CESER является защита и укрепление энергетической инфраструктуры США от угроз и опасностей.

В завершение своего проекта Ваагенсмит и его коллеги надеются провести масштабные испытания своего развязывающего устройства на резонансной частоте. Им удалось заполучить трансформатор весом 500 000 фунтов, который они надеются использовать в симуляторе землетрясения в Калифорнийском университете в Сан-Диего в 2026 году. Университетский вибростол является самым большим в своем роде в США, и только по размеру он может соперничать с другим в Японии. Это будет первое испытание такого размера, которое может существенно повлиять на требования безопасности трансформаторов в сейсмических зонах.

В сотрудничестве с Университетом Буффало у команды есть множество возможностей ошибиться. В этом и состоит цель экспериментов. «Мы можем потерпеть неудачу, как бы нам ни хотелось», — сказал Ваагенсмит. "Мы можем опробовать наше решение и протестировать его на пределе возможностей. Мы хотим быть уверены, что знаем, как спроектировать развязку, прежде чем отправимся в Сан-Диего".

«Люди в восторге от этого», — сказал Ваагенсмит. «У нас есть возможность разрешить давнюю дискуссию о соответствующих мерах защиты сейсмических трансформаторов и предложить производителям вводов решение, которое не потребует от них переоснащения. Коммунальные предприятия будут довольны, а сеть станет более устойчивой».

Источник