Нагрузочная способность

Влияние нагрузки трансформатора на износ изоляции. Под нагрузочной способностью трансформатора понимается способность трансформатора работать с нагрузкой выше номинальной при определенных условиях эксплуатации (величина предшествующей и последующей нагрузки, температура охлаждающей среды, допустимая температура отдельных частей трансформатора).
Срок службы трансформатора определяется износом изоляции под влиянием прежде всего температуры при изменяющихся значениях нагрузки, напряжения и условиях охлаждения. К концу срока службы изоляция полностью изнашивается и трансформатор находится под постоянной угрозой аварии. Расчетный срок службы трансформатора при номинальном режиме нагрузки составляет 20...40 лет. При этом за номинальную температуру θ _н наиболее нагретой точки обмотки масляных трансформаторов (класс нагревостойкости А) в соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК) принята температура 98 °С. Разница в номинальных температурах (классу нагревостойкости А соответствует длительно допустимая температура 105 °С) объясняется тем, что для системы изоляции из нескольких однородных изоляционных материалов одного класса длительно допустимая температура принимается меньше, чем для однородной изоляции. При расчете срока службы изоляции класса А принято, что он уменьшается в два раза при увеличении температуры на 6 °С от номинальной («правило шести градусов»).
МЭК рекомендует оценивать срок службы изоляции класса А по формуле:

V = c e^-αθ, (12.1)

где c = (7,5... 1,5) • 10⁴ лет; α = 0,115 - постоянные коэффициенты (для диапазона температур 80... 140 °С); θ - температура наиболее нагретой точки изоляции обмотки, °С.
На практике чаще пользуются не абсолютным, а относительным сроком службы изоляции:

υ = V / V _н = e^{-α (θ - θ н)} , (12.2)

или относительным износом изоляции:

F = 1 / υ = e^{α (θ - θ н)} , (12.3)

где V _н - срок службы изоляции при нормальной температуре θ _н в наиболее нагретой точке изоляции обмотки.
Относительный износ изоляции F показывает, во сколько раз износ изоляции при данной температуре наиболее нагретой точки обмотки θ больше (меньше) износа при нормальной температуре (θ _н = 98 °С) за одинаковое время работы. Поскольку относительный износ изоляции F =1 при θ _н = 98 °С, то нетрудно рассчитать, что при θ = 86 °С относительный износ F = 0,25 (относительный срок службы υ = 4), а при θ = 110 °С F = 8 (υ = 0,125).
Трансформаторы обычно работают с переменной нагрузкой. При этом если максимальное значение нагрузки не превышает номинальной мощности трансформатора, то температура обмоток и масла изменяется в диапазоне температур, меньших нормальной. Поэтому износ изоляции F < 1, что дает возможность без ущерба для срока службы трансформатора повышать на некоторое время его нагрузку сверх номинальной.
Расчеты нагрузочной способности трансформатора проводятся либо для проверки допустимости предполагаемого графика нагрузки, либо для определения возможных для данного трансформатора графиков нагрузки при известных значениях времени и величины перегрузки. Обе задачи решаются при выборе трансформаторов по мощности.
Перегрузки разделяются на систематические и аварийные. Систематические перегрузки характерны для переменного графика нагрузки (часового, суточного, месячного), аварийные перегрузки возникают в случаях необходимости обеспечить электроснабжение потребителей, несмотря на перегрузку трансформатора и возможное сокращение его срока службы.
Значения допустимых и систематических перегрузок масляных трансформаторов мощностью до 100 MB • А установлены ГОСТ 14209 - 85, для других трансформаторов - техническими условиями, инструкциями или стандартами.
Величина систематических перегрузок ограничивается средним износом изоляции Fcp, который не должен быть больше 1:

F _ср = ∑ F_i t_i / T ≤1, (12.4)

где F_i, t_i - относительный износ изоляции при i -й нагрузке длительностью t_i; T = ∑ t_i - длительность рассматриваемого графика нагрузки (обычно 24 ч).
При расчете износа изоляции вводятся дополнительные ограничения. Для систематических перегрузок - максимальная нагрузка β_м ≤ 1,5, температура обмотки в наиболее нагретой точке θ _о.н.н.т. ≤ 140 °С, температура масла в верхних слоях θ _м ≤ 95 °С; для аварийных перегрузок - максимальная нагрузка β_м ≤ 2,0, температура обмотки в наиболее нагретой точке θ _о.н.н.т. ≤ °С (для классов напряжения до 110 кВ) и θ _о.н.н.т. ≤ 140 °С (для классов свыше 110 кВ), температура масла в верхних слоях θ _м ≤ 115 °С. Ограничения по мощности определяются характеристиками вводов и устройств регулирования напряжения.
Расчет относительного износа изоляции в соответствии с ГОСТ 14209 - 85 проводится в следующей последовательности.
1. Преобразование графика нагрузки. На непрерывном или дискретном графике нагрузки β (t), полученном по данным измерений или расчетов (рис. 12.1), выделяются интервалы времени t₁ и t₂, на которых нагрузка β ≤ 1 и β ≥ 1. Далее реальный график нагрузки 1 аменяется на эквивалентный в тепловом отношении многоступенчатый график 2, оторый затем приводится к эквивалентному прямоугольному двухступенчатому графику 3, как показано на рис. 12.1. Многоступенчатый график получают эквивалентированием на интервалах времени Δ t, соизмеримых с постоянной времени нагрева обмотки (порядка 0,5 ч).
Затем определяют начальную эквивалентную нагрузку K ₁ на интервале t ₁.

K ₁ = [(β ₁ ² Δ t₁ + β ₂ ² Δ t₂ +...+ β _n ² Δ t_n) t₁ ] ^1/2, (12.5)

где β _i, Δ t_i - относительная нагрузка и длительность i -го интервала эквивалентного многоступенчатого графика нагрузки на интервале t₁.
По формуле (12.5) определяют среднюю перегрузку K ₂ на интервале t₂ и проверяют ограничение по перегрузке K ₂ ≤ β_м.

Рис. 12.1. Преобразование графика нагрузки трансформатора:

1 - реальный график нагрузки; 2 - многоступенчатый эквивалентный график нагрузки; 3 - двухступенчатый эквивалентный график нагрузки

2. Расчет теплового режима трансформатора для эквивалентного графика нагрузки. Температура масла в верхних слоях

θ _{м =} θ _охл + ΰ _м, (12.6)

где θ охл - температура охлаждающей среды (воздух), °С; ΰ м - превышение температуры масла в верхних слоях над температурой воздуха, °С.
Температура обмотки в наиболее нагретой точке:

θ о.н.н.т ₌ θ _охл + ΰ м + ΰ о.м, (12.7)

где ΰ о.м - превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхних слоях, °С.
Уравнение (12.6) справедливо как в установившихся, так и в переходных тепловых режимах. При нагрузках длительностью более 0,5 ч можно пренебречь постоянной времени нагрева обмотки и считать, что при скачкообразном изменении нагрузки превышение температуры обмотки ΰ о.м также изменяется скачкообразно. Постоянная времени нагрева масла полагается известной или определяется по формуле:

τ _м = c _м G _м θ _м /∑ P, (12.8)

где c _м = 1800 Дж/(кг°С) - теплоемкость масла; G _м - масса масла, кг; θ м - температура масла, °С; ∑ P - суммарные потери в трансформаторе, Вт.
Суммарные потери:

∑ P = γ² P _{о. н} + β ² P _к.н,

где γ = U / U _н, β = I/ I_н, P _{о. н} - номинальные потери холостого хода, Вт; P _к.н - номинальные потери короткого замыкания, Вт.
Для эквивалентного двухступенчатого графика нагрузки определяют установившиеся значения превышений температуры масла ΰ _{1 м} и ΰ _{2 м} для каждой ступени нагрузки K ₁ и K ₂ , полагая известным из расчетных (заводских) данных трансформатора установившееся превышение температуры масла в верхних слоях ΰ _м.н над температурой окружающей среды при номинальной нагрузке:

ΰ _{1 м} = ΰ _{м. н} [(1+ d K₁ ²) /(1+ d) ] ^x;
ΰ _{2 м} = ΰ _{м. н} [(1+ d K ₂ ²) /(1+ d) ] ^x, (12.9)

где х = 0,9 (для трансформаторов с охлаждением типа М и Д) или 1,0 (для трансформаторов с охлаждением типа Ц и ДЦ); d = P _{о. н} / P _к.н.
Превышение температуры наиболее нагретой точки ΰ _{о. м} над температурой масла определяют по формуле:

ΰ _{о. м} = ΰ _{о. м. н} K ^y, (12.10)

где ΰ _{о. м. н} - превышение температуры обмотки в номинальном режиме; K - коэффициент нагрузки для двухступенчатого графика K = K₁ { или K = K ₂ ); у = 1,6 (для трансформаторов с охлаждением типа М и Д) или 1,8 (для трансформаторов с типа Ц и ДЦ).
По результатам произведенных расчетов строят графики изменения температуры масла в верхних слоях θ м, определенной по формуле (12.6), и температуры наиболее нагретой точки изоляции обмотки θ н.н.т, определенной по формуле (12.7). При этом полагают, что к началу интервала перегрузки t₂ (точка А на рис. 12.1) температурный режим трансформатора является установившимся и определяется нагрузкой K₁. К концу интервалов нагрева (t = t₂) и охлаждения (t = t₁) справедливы выражения:

ΰ _{м t 2} = ΰ _{1 м} + (ΰ _{2 м} - ΰ _{1 м} )[1–exp(- t_2/ τ _м )];
ΰ _{м t 1} = ΰ _{2 м} + (ΰ _{1 м} - ΰ _{2 м} )[1–exp(- t_{1 /} τ _м )], (12.11)

где τ _м - постоянная времени нагрева масла; t₂ -длительность интервала перегрузки (K = K ₂ ); t₁ - длительность интервала недогрузки (K = K₁),
По результатам строят графики нагрева (охлаждения) трансформатора, показанные на рис. 12.2, по которым проверяют температурные ограничения по θ н.н.т и θ м и с помощью которых производят расчет относительного износа изоляции F.

Рис. 12.2. Определение теплового состояния трансформатора (б) для эквивалентного двухступенчатого графика нагрузки (а)

1. Расчет относительного износа изоляции. В соответствии с формулами (12.1)... (12.3) срок службы и износ изоляции определяется только температурой. Поэтому сначала график температуры наиболее нагретой точки изоляции обмотки трансформатора θ н.н.т (t), полученный в результате теплового расчета и приведенный на рис. 12.2, разбивается на временные интервалы Δ t_i так, чтобы разность температур на концах каждого интервала не превышала 6 °С. Затем находят средние температуры наиболее нагретой точки на каждом интервале θ _{i ср} , по которым ведется расчет относительного износа изоляции. Общий относительный износ за рассматриваемый период времени Т составит:

F = ∑ F_i, (12.12)
где
F_i = 2^{(θ i ср - θ баз)/∆} * Δ t_i / T _. (12.13)

Здесь θ _{i ср} - средняя температура наиболее нагретой точки обмотки на интервале Δ t_i; θ _баз = 98 °С - базисная температура для класса нагревостойкости А; Δ = 6 °С - температурный интервал, при изменении на который срок службы изоляции класса А изменяется в два раза; Т - длительность интервала повторяемости нагрузки, во время которого происходят систематические перегрузки трансформатора.

Анализ результатов расчета.

1. Эквивалентный график нагрузки.Если K ₂ ≤ 1,5, переходят к следующему этапу расчета. Если K ₂ > 1,5, то нагрузки, которые отражает данный график, не могут быть отнесены к систематическим перегрузкам, а трансформатор данной мощности не выдерживает указанный график нагрузки. В этом случае необходимо увеличить установленную мощность трансформатора, Дальнейший расчет в этом случае не проводится.
2. Тепловой режим трансформатора.Если температура наиболее нагретой точки изоляции обмотки не превышает 140 °С и температура масла в верхних слоях не превышает 95 °С, то переходят к следующему этапу расчета. Если температура наиболее нагретой точки изоляции обмотки превышает 140 °С и (или) температура масла в верхних слоях превышает 95 °С, то нагрузки, которые отражает данный график, не могут быть отнесены к систематическим перегрузкам. Выводы совпадают с выводами предыдущего этапа расчета.
3. Расчет относительного износа изоляции. Если относительный износ изоляции F ≤ 1, то трансформатор данной мощности выдерживает заданный график нагрузки без уменьшения срока службы. Если F > 1, то необходимо увеличить установленную мощность трансформатора, либо согласиться с уменьшением срока его службы. Выбор правильного решения в последнем случае определяется экономическими расчетами.
При эксплуатации трансформатора можно, используя описанную методику, определять текущий износ изоляции обмоток трансформатора путем прямого (измерение температуры наиболее нагретой точки обмотки и масла в верхних слоях) или косвенного (измерение тока и напряжения трансформатора с последующим расчетом теплового режима) контроля температуры. Такая математическая модель может использоваться при техническом обслуживании, предусматривающем ремонт по мере необходимости.

Дата добавления: 2015-07-20