Режимы работы оборудования

Турбогенераторы. Различают нормальные и аварийные режимы работы турбогенераторов. Под нормальными понимают такие режимы, которые допускаются длительно, без каких либо ограничений. К нормальным режимам генераторов относится его работа:

с различной нагрузкой от минимально возможной по технологическим условиям до номинальной;

с коэффициентом мощности, отличным от номинального;

с отклонениями напряжения на выводах генератора;

при отклонениях частоты в сети;

при отклонении температуры охлаждающей среды от номинальной температуры и другие режимы.

Допустимые границы отклонения параметров при таких режимах лимитируются нагревом различных частей генераторов (обмоток статора, ротора) и указываются в нормативных документах и инструкциях заводов-изготовителей. Так, например, допускается длительная работа турбогенераторов при отклонении напряжения статора на ±5 % от номинального; при этом длительно допустимый ток статора соответственно изменяется на 5 %.

Допустимая нагрузка турбогенераторов по активной и реактивной мощности ограничивается нормированной диаграммой мощности, показанной на рис. 1.10, где обозначено:

1 – ограничение по нагреву обмотки ротора;

2 – ограничение по нагреву обмотки статора;

3 – ограничение по мощности турбины;

4 – ограничение по нагреву других конструктивных элементов статора;

5 – ограничение по условиям устойчивости работы генератора.

К аварийным режимам работы генераторов относятся режимы, связанные со значительными перегрузками, потерей возбуждения, потерей устойчивости параллельной работы, асинхронным ходом.

Допустимые аварийные перегрузки по току статора турбогенераторов и их продолжительность указаны в табл. 1.2.

Относительно малая допустимая продолжительность аварийных перегрузок объясняется тем, что постоянная времени нагрева обмоток статора турбогенераторов очень мала. В частности, для турбогенератора мощностью 150 МВт эта постоянная составляет около 1 минуты.

Рис. 1.10. Диаграмма мощности турбогенератора

Вопросы нарушения устойчивости параллельной работы синхронных генераторов и асинхронного хода подробно рассматриваются в специальной дисциплине «Переходные процессы в электроэнергетических системах».

Силовые трансформаторы могут работать в различных режимах, характеризуемых нагрузкой, напряжением, условиями окружающей среды и другими факторами.

Т а б л и ц а 1.2

Номинальным режимом трансформатора называется режим его работы при номинальной нагрузке, номинальном напряжении и темпе­ратуре охлаждающей среды (воздуха) +20°С.

Из приведенного определения видно, что длительный номиналь­ный режим является идеализированным (практически недостижимым) режимом. Однако считается, что в таком режиме трансформатор способен проработать установленный заводом-изготовителем срок службы 25 лет.

Нормальным режимом работы трансформатора называется режим, при ко­тором его параметры отклоняются от номинальных в пределах, допус­тимых ГОСТами, техническими условиями и другими норматив­ными документами.

Режим напряжения. При нагрузке, не превышающей номинальную, допускается про­должительная работа трансформатора при повышении напряжения на любом ответвлении любой обмотки на 10 % сверх номинального на­пряжения данного ответвления.

Режим параллельной работы. Допускается режим параллельной работы трансформаторов при условии, что ни один из них не будет перегружен. Для этого должны выполняться следующие условия:

группы соединений обмоток трансформаторов должны быть оди­наковыми;

соотношение мощностей трансформаторов не более 1:3;

отличие коэффициентов трансформации не более чем на 0,5 %;

отличие напряжений короткого замыкания не более чем на 10 %.

Поскольку при параллельной работе трансформаторов увеличиваются токи КЗ, такой режим в системах электроснабжения практически не используется.

Режим регулирования напряжения. Устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) должны работать, как правило, в автоматическом режиме. Допускается дистанционное переключение РПН с пульта управления. На трансформаторах с переключением без возбуждения (ПБВ) правильность выбора коэффициента трансформа­ции должна проверяться два раза в год - перед зимним максимумом и летним минимумом нагрузки.

Режим перегрузки. 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, обусловливающий термический износ изоляции. Существует так называемое 6-градусное правило: увели­чение температуры изоляции на 6°С сокращает срок службы изоляции вдвое. Это правило справедливо в диапазоне температур 80…140°С.

Наиболее интенсивный нагрев изоляции обмоток и, следовательно, наиболее интенсивное ее старение происходят в режиме перегрузки трансформаторов. Это очень важный режим трансформатора, поэтому рассмотрим его более подробно.

Допустимость перегрузок транс­форматоров при их эксплуатации регламентируется Руководством по нагрузке силовых масляных трансформаторов (ГОСТ 14209-97).

В указанном стандарте все трансформаторы делятся на три класса:

распределительные трансформаторы – трехфазные трансформаторы номинальной мощностью не более 2500 кВ×А классов напряжения до 35 кВ включительно;

трансформаторы средней мощности – трехфазные трансформаторы номинальной мощностью до 100 МВ×А;

трансформаторы большой мощности – трехфазные трансформаторы мощностью более 100 МВ×А.

С целью ознакомления с основными положениями ГОСТ 14209-97 рассмотрим сначала режим работы трансформатора при неизменной нагрузке. 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. 1.11,а). Проходя через радиаторы, масло остывает и поступает в нижнюю часть бака. Так происходит естественная циркуляция масла.

На тепловой диаграмме трансформатора (рис. 1.11,б) температура охлаж­дающего воздуха Q_а принята неизменной (вертикальная прямая 1). Темпера­тура масла Q_о и температура обмотки Q_h увеличиваются практически ли­нейно по высоте обмотки (прямые 2 и 3). В верхней части трансформатора температуры масла и обмотки достигают значений Q'_о и Q'_h.

Оценка допустимости работы трансформатора в каком-либо режиме определяется со­поставлением температуры масла Q'_о и обмотки Q'_h в верхней части трансформатора с их предельными зна­чениями Q_{о max} и Q_{h max}, установленными ГОСТ 14209-97.

Эти предельные значения для трансфор­маторов различной мощности приведены в табл. 1.3. Здесь же указаны предельные перегрузки трансформаторов, обусловливаю­щие предельные температуры Q_{о max} и Q_{h max} при температуре воздуха Q_а=20 °С.

а) б)

Рис. 1.11. Естественная циркуляция масла в трансформаторе (а)
и тепловая диаграмма трансформатора (б)

Т а б л и ц а 1.3

При работе трансформатора с переменным суточным графиком нагрузки этот график приводится к двухступенчатому графику (рис. 1.12), эквивалентному по тепловому воздействию на изоляцию обмоток трансформатора.

На рис. 1.12 обозначено:

К₁ – предшествующая нагрузка в долях от номинальной мощности трансформатора;

К₂ – перегрузка в долях от номинальной мощности трансформатора;

t – длительность перегрузки.

Рис. 1.12. Двухступенчатый график нагрузки трансформатора

При работе по такому графику определяются температура масла Q_оt и обмотки Q_ht в верхней части трансформатора к концу интервала перегрузки t. Оценка допустимости перегрузки трансформатора определяется со­пос-тавлением значений Q_оt и Q_ht с их предельными зна­чениями Q_{о max} и Q_{h max}.

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. 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 (летние и зимние) и годовые температуры рассчитаны и приведены в ГОСТ 14209-97.

В табл. 1.3 указаны два режима с циклическими изменениями нагрузки (цикл, как правило, равен суткам):

режим систематической нагрузки;

режим аварийной перегрузки.

Для пояснения этих режимов введем понятие «скорость относительного износа изоляции». В отмеченном выше номинальном режиме работы трансформатора скорость относительного износа изоляции равна единице. При перегрузке трансформатора эта скорость будет больше единицы, при нагрузке, меньшей номинальной, эта скорость будет меньше единицы.

Режим систематической нагрузки - это такой режим, в течение части суток которого перегрузка со скоростью относительного износа изоляции больше единицы компенсируется в течение другой части суток недогрузкой со скоростью износа изоляции меньше единицы. Однако при перегрузке трансформатора предельные параметры не должны превышать значений, указанных в табл. 1.3. Такой режим важен для оценки допустимости нагрузки трансформаторов на однотрансформаторных подстанциях.

Режим аварийной перегрузки - это такой режим, который возникает при продолжительном выходе из строя некоторых элементов электрической сети. Предполагается, что такой режим трансформатора будет возникать редко, но будет достаточно длительным и вызовет значительный термический износ изоляции. Тем не менее, такой режим не должен быть причиной аварии вследствие термического повреждения или снижения электрической прочности изоляции трансформатора. Такой режим важен для оценки допустимости нагрузки трансформаторов двухтрансформаторных подстанций, на которых один из трансформаторов может аварийно отключиться, а оставшийся в работе трансформатор возьмет на себя всю нагрузку подстанции.

В ГОСТ 14209-97 приводятся аналитические выражения для расчета температур масла и обмотки в верхней части трансформатора, а также приводятся многочисленные таблицы и графики, позволяющие оценить допустимость перегрузки трансформаторов с различными системами охлаждения (М, Д, ДЦ, при различных графиках нагрузки (К₁, К₂, t) и различной температуре окружающей среды (-40 ... +40°С) без выполнения аналитических расчетов.