Укрепление сети: ученые разработали сейсмостойкие вводы трансформаторов

Power Electronics INSIDER

Джон Бендер из W. E. Gundy and Associates (WEGAI) на фото стоит рядом с примером силового трансформатора, применительно к этому исследованию вводов. (Изображение: INL)

Уязвимость трансформаторов при землетрясениях

Электрическая сеть, которую мы считаем само собой разумеющейся, включает крупное, дорогое оборудование, наиболее заметное — силовые трансформаторы. Если один выходит из строя, замена может занять более года и стоить огромных денег. В густонаселенных, сейсмически активных зонах вроде Калифорнии или Тихоокеанского Северо-Запада время — не роскошь.

Во время землетрясения место, где большой высоковольтный силовой трансформатор наиболее уязвим — это его вводы (bushings) — полые электрические изоляторы, безопасно проводящие ток между внутренними обмотками трансформатора и внешними линиями питания. Они чаще всего сделаны из фарфора из-за его способности изолировать проводящий материал, обычно медь или алюминий, и удерживать высоковольтный ток от утечки или искрения, вызывающего взрывы.

Вводы прикрепляются к башням (turrets) трансформатора, выходящим из основного бака. Эти соединения — то, на чем сфокусировалась команда исследователей в Idaho National Laboratory (INL). Цель команды — разработать механически простой, регулируемый изолятор, известный как декуплер (decoupler), который можно смонтировать у основания ввода и настроить для предотвращения совпадения резонансных частот вводе и башни (что приводит к усиленному механическому напряжению на фарфоровом вводе).

«Резонансные частоты — это ключ», — сказал Бьорн Ваагенсмит, главный исследователь проекта и лауреат 2025 Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers.

Резонансная частота и исторические примеры

У всех объектов есть резонансная частота, возникающая, когда входные вибрации максимально усиливаются в объекте. Когда звуковая волна разбивает бокал для вина или зеркало — это резонансная частота в действии. В истории гражданской инженерии, пожалуй, самым известным примером является обрушение моста Такома Нарроуз в 1940 году. Скорость и направление ветра в сочетании с дизайном и материалами моста создали резонансную частоту, заставлившую его настил дико осциллировать. Это дало новому мосту прозвище «Галопирующая Гертруда» — до того, как он развалился на куски и упал в Пюджет ساунд через четыре месяца.

Во время землетрясения сейсмические волны вызывают вертикальные или горизонтальные колебательные движения грунта, передающиеся в большие силовые трансформаторы. Из-за своей гибкости и плотности большие баки трансформаторов из стали, заполненные изоляционным маслом, могут динамически резонансировать с оборудованием, смонтированным на них. Когда бак и его смонтированные вводы на одной волне, есть опасность, что усиленная тряска от землетрясения будет напрягать вводы до катастрофического отказа.

Решение: декуплер для сдвига резонансной частоты

Ваагенсмит и его коллеги — Чанду Болисетти из INL и Джон Бендер из WEGAI, инженеринговой фирмы из Бойсе — ищут решение этой проблемы разработкой декуплирующего устройства, сдвигающего резонансную частоту ввода от частоты трансформатора. Декуплер, который они проектируют, может быть легко установлен у основания ввода и ретрофитнут на старые модели трансформаторов за низкую стоимость. Команда преследует патент на дизайн.

Их проект изначально финансировался через программу Laboratory Directed Research and Development INL. Сейчас он совместно поддерживается офисом электричества Министерства энергетики США в рамках программы Transformer Resilience and Advanced Components (TRAC) и офисом кибербезопасности, энергетической безопасности и экстренного реагирования (CESER). Программа TRAC существует для ускорения модернизации сети за счет адресации вызовов в сетовых аппаратных технологиях, включая большие силовые трансформаторы. Офис CESER нацелен на обеспечение и усиление американской энергетической инфраструктуры против угроз и опасностей.

Планы крупномасштабного тестирования

В завершении своего проекта, Ваагенсмит и его коллеги надеются протестировать свой резонансный декуплер в большом масштабе. Им удалось 확보 500 000-фунтовый трансформатор, который они надеются доставить на симулятор землетрясений в Университете Калифорнии Сан-Диего в 2026 году. Виброплита университета — крупнейшая такого рода в США и соперничающая по размеру только одной в Японии. Это будет первый тест такого масштаба и может существенно повлиять на требования безопасности для трансформаторов в сейсмических зонах.

В сотрудничестве с Университетом Буффало, команда имеет множество возможностей ошибиться. Это и есть цель экспериментов. «Мы можем провалиться как угодно», — сказал Ваагенсмит. «Мы можем испробовать наше решение и тестировать до пределов. Мы хотим быть уверены, что знаем, как спроектировать декуплер, прежде чем поехать в Сан-Диего».

«Люди взволнованы этим», — сказал Ваагенсмит. «У нас есть возможность разрешить давний спор об адекватных сейсмических мерах защиты трансформаторов и придумать решение для производителей вводов, не требующее их переоборудования. Утилиты будут довольны, и сеть будет более устойчивой».

Источник