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 Qа 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 DQоа.
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 DQho.
Допустимость работы трансформатора в режиме перегрузки определяется сопоставлением температуры масла в верхней части обмотки Qо и температуры наиболее нагретой точки обмотки Qh 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 Qо max и Qh max при температуре воздуха Qа=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
Распреде- лительные | Средней мощности | |
Режим систематических перегрузок: предельная перегрузка, о.е. предельная температура наиболее нагретой точки обмотки, Qh max, °С предельная температура масла в верхних слоях, Qо max, °С | 1,5 | 1,5 |
Режим продолжительных аварийных перегрузок: предельная перегрузка, о.е. предельная температура наиболее нагретой точки обмотки, Qh max, °С предельная температура масла в верхних слоях, Qо max, °С | 1,8 | 1,5 |
Таблица 9.2
Населенный пункт | Эквивалентная температура воздуха a, °С | ||
годовая | зимняя | летняя | |
Архангельск | 5,8 | -11,4 | 14,0 |
Вологда | 7,4 | -10,8 | 15,5 |
Воркута | 0,5 | -19,4 | 9,4 |
Калининград | 9,9 | -2,4 | 16,5 |
Кандалакша | 4,5 | -10,6 | 12,5 |
Мурманск | 3,4 | -9,5 | 10,7 |
Нарьян-Мар | 2,0 | -15,7 | 10,3 |
Новгород | 8,3 | -7,6 | 16,0 |
Петрозаводск | 7,1 | -8,8 | 15,1 |
Псков | 8,8 | -6,5 | 16,3 |
Санкт-Петербург | 8,6 | -6,8 | 16,4 |
Сыктывкар | 6,5 | -14,1 | 15,0 |
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 Sном. Пересечением этой линии с исходным графиком выделяется участок перегрузки продолжительностью t.
Часть графика нагрузки, расположенная ниже линии Sном, состоит из интервалов Dti c нагрузкой Si на каждом интервале (i=1, 2,…m). Другая часть графика нагрузки, расположенная выше линии Sном, состоит из интервалов Dtj c нагрузкой Sj 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 Qа.
Установившийся тепловой режим. В установившемся тепловом режиме, предшествующем перегрузке, температура масла Qо и наиболее нагретой точки обмотки Qh неизменны. Этому режиму соответствует участок графика с нагрузкой S1 (в относительных единицах К1) перед интервалом перегрузки t. Температура масла на выходе из обмотки Qо К1 и температура наиболее нагретой точки обмотки Qh 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 tоб значительно меньше тепловой постоянной времени масла tо. 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 tо.
Таблица 9.3
Название показателя | Обозна-чение | Трансформаторы |
ТМН | ТДН |
2 | |||
Показатель степени масла | х | 0,8 | 0,9 |
Показатель степени обмотки | у | 1,6 | 1,6 |
Отношение потерь Ркз/Рхх | R | ||
Тепловая постоянная времени масла, ч | o | 2,5 | |
Температура воздуха, °С | Qа | ||
Превышение температуры масла на выходе из обмотки над температурой воздуха в номинальном режиме, °С | оаr | ||
Превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла на выходе из обмотки в номинальном режиме, °С | hоr | ||
Температура наиболее нагретой точ- ки обмотки, при которой относительный износ изоляции равен единице, °С | Qh |
Примечание. Индекс r соответствует номинальному значению параметра.
Изменения во времени температуры масла Qо(t) и температуры наиболее нагретой точки обмотки Qh (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 Qо(t) и температуры наиболее нагретой точки обмотки Qh (t) рассчитывается по следующим выражениям:
(9.16)
(9.17)
(9.18)
(9.19)
где t = 1, 2, 3... 3tо — текущее время.
При t @ 3tо 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 QhК 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
Qh 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 QhК = 86°С витковая изоляция износится так же как за 0,25 суток при нагрузке, обуславливающей температуру наиболее нагретой точки обмотки Qh = 98°С.
В переходном тепловом режиме, когда температура наиболее нагретой точки обмотки является функцией времени Qh(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 Qh(t) разбивается на n участков Dti, на каждом из которых изменение Qh(t) можно считать линейным. На каждом i–м участке величина Qh(t) заменяется средним значением температуры Qhi. 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.
Дата добавления: 2017-09-19; просмотров: 1975;