Режим перегрузки трансформаторов

Наиболее подверженным процессу старения элементом трансформа­тора является целлюлозная изоляция обмоток, фактически определяющая ресурс (срок службы) трансформатора. Основным фактором, влияющим на старение изоляции, является ее нагрев, обуславливающий термический износ изоляции. Существует так называемое 6-градусное правило: увели­чение температуры изоляции на 6 градусов сокращает срок ее службы вдвое. Это правило справедливо в диапазоне температур 80…140°С.

Наиболее интенсивный нагрев изоляции обмоток происходит при перегрузке трансформаторов. Поэтому режиму перегрузки трансфор­маторов уделим особое внимание.

Перегрузки, обусловленные неравномерным суточным графиком нагрузки трансформатора, называются систематическими. Пере­грузки, обусловленные аварийным отключением какого-либо элемента системы электроснабжения, называются аварийными перегрузками.

Допустимость систематических и аварийных перегрузок транс­форматоров при их эксплуатации регламентируется Руководством по нагрузке силовых масляных трансформаторов (ГОСТ 14209-97). Здесь учитываются система охлаждения трансформатора, температура охла­ждающей среды, график нагрузки трансформатора и другие факторы.

С целью ознакомления с основными положениями ГОСТ 14209-97 рассмотрим сначала режим работы трансформатора при неизменной нагрузке S. Источником нагрева в трансформаторе является его актив­ная часть. Масло нагревается от обмоток, его объем увеличивается,
а плотность уменьшается. Нагретое масло поднимается в верхнюю часть бака и вытесняется в радиаторы системы охлаждения трансформатора (рис. 9.2,а). Проходя через радиаторы, масло остывает и поступает
в нижнюю часть бака. Так происходит естественная циркуляция масла.

На тепловой диаграмме трансформатора (рис. 9.2,б) температура охлаж­дающего воздуха Q_а принята неизменной (вертикальная прямая 1). Темпера­тура масла и температура витков обмотки увеличиваются практически ли­нейно по высоте обмотки. Превышение температуры масла над температурой воздуха (прямая 2) в верхней части обмотки достигает величины DQ_оа.

Рис. 9.2. Естественная циркуляция масла в трансформаторе (а)
и тепловая диаграмма трансформатора (б)

В силу дополнительных потерь в верхней части обмотки будет на­ходиться наиболее нагретая точка обмотки h. Превышение темпера­туры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла (зави­симость 3) в верхней части обмотки достигает величины DQ_ho.

Допустимость работы трансформатора в режиме перегрузки определяется со­поставлением температуры масла в верхней части обмотки Q_о и тем­пературы наиболее нагретой точки обмотки Q_h с их предельными зна­чениями. Эти предельные значения для распределительных трансфор­маторов (мощность до 2,5 МВ^.А и напряжение до 35 кВ) и трансфор­маторов средней мощности (до 100 МВ^.А) приведены в табл. 9.1. Здесь же указаны предельные перегрузки трансформаторов, обуславливаю­щие предельные температуры Q_{о max} и Q_{h max} при температуре воздуха Q_а=20°С.

Действительная температура воздуха изменяется в течение суток, сезона, года. При одной и той же нагрузке трансформатора увеличение температуры воздуха вызовет увеличение температуры масла и об­мотки. Таким образом, термический износ изоляции определяется как нагрузкой трансформатора, так и температурой окружающего воздуха.

Таблица 9.1

Таблица 9.2

При инженерных расчетах режимов перегрузки трансформаторов используется эквивалентная температура воздуха. Это условно по­стоянная температура, которая в течение рассматриваемого периода времени вызывает такой же износ изоляции, как и действительная из­меняющаяся температура за тот же период времени.

Для разных районов страны эквивалентные сезонные и годовые температуры рассчитаны и приведены в [8]. Значения эквивалентных годовых, зимних и летних температур для некоторых населенных пунктов Северо-Западного региона приведены в табл. 9.2.

9.4. Расчет теплового режима трансформатора и термического
износа изоляции

Практическое снятие суточного графика нагрузки трансформатора осуществляется с некоторым интервалом времени, внутри которого нагрузка считается неизменной. Поэтому график нагрузки представ­ляет собой ступенчатый вид. На рис. 9.3,а приведен суточный ступен­чатый график нагрузки трансформатора, снятый с временным интер­валом 1 ч.

Рис. 9.3. Преобразование графика нагрузки (а) в эквивалентный
двухступенчатый (б) и переходный тепловой режим трансформатора (в)

Для оценки допустимости перегрузки трансформатора суточный график его нагрузки преобразуется в эквивалентный по тепловому воздействию на изоляцию двухступенчатый график. На исходном гра­фике проводится линия номинальной нагрузки S_ном. Пересечением этой линии с исходным графиком выделяется участок перегрузки про­должительностью t.

Часть графика нагрузки, расположенная ниже линии S_ном, состоит из интервалов Dt_i c нагрузкой S_i на каждом интервале (i=1, 2,…m). Другая часть графика нагрузки, расположенная выше линии S_ном, состоит из интервалов Dt_j c нагрузкой S_j на каждом интервале (j=1, 2,…n).

Эквивалентирование каждой части графика нагрузки проводится по условию одинакового теплового воздействия на изоляцию переменного и эквивалентного неизменного графика нагрузки:

• эквивалентная неизменная на интервале (24 — t) предшествую­щая нагрузка S₁

(9.5)

• эквивалентная неизменная на интервале t перегрузка S₂

(9.6)

Эквивалентный по тепловому воздействию на изоляцию двухсту­пенчатый график нагрузки с предшествующей нагрузкой S₁ и пере­грузкой S₂ показан на рис. 9.2,б.

Рассмотрим расчет теплового режима трансформатора при изме­нении его нагрузки на примере двухступенчатого графика (рис. 9.3). Температура охлаждающей среды в течение суток принимается посто­янной и равной эквивалентной температуре Q_а.

Установившийся тепловой режим. В установившемся тепловом режиме, предшествующем перегрузке, температура масла Q_о и наибо­лее нагретой точки обмотки Q_h неизменны. Этому режиму соответст­вует участок графика с нагрузкой S₁ (в относительных единицах К₁) перед интервалом перегрузки t. Температура масла на выходе из об­мотки Q_{о К1} и температура наиболее нагретой точки обмотки Q_{h К1} вы­числяются по следующим выражениям:

(9.8)

(9.9)

(9.10)

(9.11)

Необходимые для расчетов показатели приведены в табл. 9.3.

Переходный тепловой режим в интервале t увеличения нагрузки от значения К₁ до значения К₂. Тепловая постоянная времени металли­ческих обмоток t_об значительно меньше тепловой постоянной времени масла t_о. Поэтому при увеличении нагрузки температура обмоток (по сравнению с температурой масла) увеличивается до нового устано­вившегося значения практически мгновенно. В дальнейшем темпера­туры обмоток и масла увеличиваются с одинаковой постоянной вре­мени t_о.

Таблица 9.3

Примечание. Индекс r соответствует номинальному значению параметра.

Изменения во времени температуры масла Q_о(t) и температуры наиболее нагретой точки обмотки Q_h (t) вычисляются по следующим выражениям:

(9.12)

(9.13)

(9.14)

(9.15)

где _{оа K2 —} превышение температуры масла над температурой воз­духа при длительной нагрузке трансформатора, равной К₂, рассчи­тываемое по формуле, аналогичной (9.11);

t=1, 2, 3... t — текущее время, ч.

Температура масла на выходе из обмотки и температура наиболее нагретой точки обмотки к концу интервала перегрузки t соответст­венно составят _оt и _ht.

Переходный тепловой режим после интервала t при уменьшении нагрузки от значения К₂ до значения К₁. После снижения нагрузки про­цесс уменьшения температуры масла Q_о(t) и температуры наиболее на­гретой точки обмотки Q_h (t) рассчитывается по следующим выражениям:

(9.16)

(9.17)

(9.18)

(9.19)

где t = 1, 2, 3... 3t_о — текущее время.

При t @ 3t_о наступает установившийся тепловой режим, соответст­вующий нагрузке К₁.

Расчет термического износа витковой изоляции. При номиналь­ной нагрузке трансформатора, температуре воздуха _а=20°С и номи­нальных значениях превышений температур _оаr=55°С и _hоr =23°С температура наиболее нагретой точки обмотки _h=98°С (см. табл. 9.3). Это базовая температура наиболее нагретой точки обмотки, при кото­рой износ изоляции обмоток соответствует относительному сроку службы трансформатора, равному 1.

В установившемся тепловом режиме с нагрузкой К и температу­рой наиболее нагретой точки обмотки Q_hК износ витковой изоляции за сутки определяется по выражению

V=2^{(QhК–98)/D}, (9.20)

где D = 6°С — температурный интервал, принятый в соответствии с 6-градусным правилом износа изоляции.

Размерность относительного износа витковой изоляции — нор­мальные сутки. Например, для неизменной в течение суток нагрузки К, обуславливающей температуру наиболее нагретой точки обмотки
Q_{h К} =86°С, относительный износ витковой изоляции составит:

V=2^(86–98)/6=0,25 норм. сут. (9.21)

Таким образом, за одни сутки при нагрузке К и температуре наи­более нагретой точки обмотки Q_hК = 86°С витковая изоляция износится так же как за 0,25 суток при нагрузке, обуславливающей температуру наиболее нагретой точки обмотки Q_h = 98°С.

В переходном тепловом режиме, когда температура наиболее на­гретой точки обмотки является функцией времени Q_h(t), износ изоля­ции на интервале времени t₁<t<t₂ определяется как

(9.22)

На практике применяется более простой способ расчета термиче­ского износа изоляции в переходном тепловом режиме. Зависимость Q_h(t) разбивается на n участков Dt_i, на каждом из которых изменение Q_h(t) можно считать линейным. На каждом i–м участке величина Q_h(t) заменяется средним значением температуры Q_hi. Износ изоляции оп­ределяется как

(9.23)

Кроме аналитических выражений в [8] приводятся таблицы и но­мограммы, позволяющие при эксплуатации трансформаторов оценить допустимые перегрузки и износ изоляции, не прибегая к вычислениям.