CC BY
34
Electrical facilmes and systems
Галимова А. А. Galimova А. А.
кандидат технических наук,
доцент кафедры «Теоретическая и общая электротехника», ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет», г. Самара, Российская Федерация
УДК 621.316
DOI: 10.17122/1999-5458-2019-15-4-56-60
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОТНОСИТЕЛЬНОГО СРОКА СЛУЖБЫ ТРАНСФОРМАТОРА В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
При выборе мощности трансформатора на этапе проектирования необходимы количественные оценки надежности и долговечности работы электрооборудования, эффективности затрат на сооружение системы электроснабжения. Особенно актуален этот вопрос для распределительных сетей 6-10 кВ, так как существенная часть подстанций этого класса напряжений находится на балансе потребителя, и он несет затраты на проектирование, сооружение и эксплуатацию этих подстанций. Срок службы трансформатора, а также аппаратов высокого и низкого напряжения подстанций зависит от класса напряжения, условий эксплуатации, работы силового электрооборудования в нормальном и аварийном режимах, а также от коэффициента загрузки трансформатора в различных режимах работы. Для распределительных трансформаторов максимальное значение КПД возникает при коэффициенте загрузки Р=0,4 ^ 0,5. На практике при выборе мощности трансформатора во многих случаях руководствуются экономическим коэффициентом загрузки, который равен Р=0,6 ^ 0,7. В распределительных трансформаторах с естественным масляным охлаждением типа ON в установившемся режиме температура наиболее нагретой точки и металлических частей, соприкасающихся с изоляцией, не должна превышать 140 °С, температура, при которой обеспечивается нормальный срок службы трансформатора, — 98 °С. Превышение температуры на каждые 6 °С более 98 °С увеличивает скорость износа изоляции в 2 раза (так называемое 6-градусное правило), а, следовательно, значительно уменьшает срок службы трансформатора. Известно, что в 43,6 % случаев отказ работы трансформаторов мощностью до 2500 кВА происходит по причине нарушения изоляции. Основным компонентом, влияющим на температуру наиболее нагретой точки, является коэффициент загрузки р.
В статье рассмотрены влияние коэффициента загрузки масляного трансформатора для комплектных наружных трансформаторных подстанций напряжением 6-10 кВ, причины уменьшения его срока службы, влияние коэффициента загрузки трансформатора на износ изоляции и уменьшение срока службы его безопасной эксплуатации. Приведены методика и результаты расчета относительного срока службы трансформатора в зависимости от коэффициента загрузки, определены критерии выбора коэффициента загрузки в зависимости от мощности, структуры и типа потребителей электроэнергии.
Ключевые слова: мощность трансформатора, коэффициент загрузки, скорость износа изоляции, методика расчета относительного срока службы трансформатора для масляных трансформаторов.
CALCULATION METHOD OF TRANSFORMER RELATIVE SERVICE LIFE IN DISTRIBUTION NETWORKS
AT THE DESIGN STAGE
When choosing power of the transformer at a design stage quantitative assessment of reliability and durability of operation of electric equipment, efficiency of costs of a power supply system construction is necessary. This question is especially relevant for distribution networks of 6-10 kV as an essential part of substations of this class of tension is on balance of the consumer
and he incurs expenses for design, a construction and operation of these substations. Transformer service life and also devices of high and low voltage of substations depends on a class of tension, service conditions, operation of power electric equipment in the normal and emergency modes and also on transformer load factor in various operating modes. For distributive transformers the efficiency maximum value arises at load factor p=0.4 ^ 0.5. In practice when choosing power of the transformer in many cases are guided by the economic load factor which is equal p=0.6 ^ 0.7. In distributive transformers with natural oil ON cooling in the set mode temperature of the most heated point and the metal parts adjoining to isolation should not exceed 140 °C, temperature at which normal service life of the transformer of 98 °C is provided. Excess of temperature increases the speed of wear of isolation by each 6 °C more than 98 °C twice — the so-called 6-degree rule — and, therefore, considerably reduces transformer service life. It is known that in 43.6 % of cases failure in the functioning of transformers with a power up to 2500 kVA occurs for an isolation cause of infringement. The main component influencing temperature of the most heated point is load factor p.
In article influence of load factor of the oil transformer for complete external transformer substations of 6-10 kV, the reason of reduction of its service life is considered, influence of load factor of the transformer on wear of isolation and reduction of service life of its safe operation is considered. The technique and results of calculation of relative service life of the transformer depending on load factor are given, criteria for selection of load factor depending on the power, structure and type of consumers of the electric power are defined.
Key words: transformer power, load factor, speed of wear of isolation, a method of calculation of relative service life of the transformer for oil transformers.
При эксплуатации силовых трансформаторов существует множество факторов, снижающих срок нормальной работы трансформатора: возникающие в процессе работы перегревы, снижение магнитных свойств стали сердечника и увеличение потерь холостого хода, ухудшение диэлектрических свойств изоляции обмоток и выводов. Грамотное обслуживание и контроль за режимами работы в процессе эксплуатации позволяют поддерживать трансформатор и электрооборудование подстанции в работоспособном состоянии длительное время [1]. Однако ошибки при расчете и выборе оборудования трансформаторной подстанции на этапе проектирования невозможно исправить даже в процессе грамотной эксплуатации.
Трансформаторная подстанция является одним из ключевых разделов проекта системы электроснабжения. При этом параметры трансформатора зависят от мощности проектируемой системы электроснабжения и от режимов ее работы. Паспортные данные электрооборудования практически не содержат информации для потребителей [2].
При проектировании силовой трансформатор выбирается по мощности нагрузки, подключаемой к подстанции. На стадии проектирования выполняется сбор нагрузок электроприемников с учетом коэффициентов
одновременности, максимального использования и др. Такой расчет нагрузок оправдывает себя, если предприятие не планирует дальнейшего развития производства. В современных условиях, как правило, предприятия планируют развиваться, постепенно увеличивая объемы производства, поэтому выбор мощности трансформатора целесообразно выполнять по его номинальному значению.
Срок службы трансформатора определяет эффективную работу предприятия в перспективе. Срок нормальной работы трансформатора оценить сложно. Действительный срок службы зависит также от перенапряжений, возникающих в сети коротких замыканий, аварийных перегрузок. При допустимых перегрузках увеличение температуры некоторых частей трансформатора уменьшает его срок безотказной работы, поэтому потребитель должен контролировать работу аппарата [3, 4].
Степень загрузки трансформатора Р существенно влияет на срок службы трансформатора и электрических аппаратов подстанции. Он определяет процент или относительную величину загруженности трансформатора относительно его номинальных параметров в рабочем режиме работы, а также влияет на допустимое время при перегрузке до 40 % [4].
Коэффициент загрузки влияет на КПД [5]. При правильно выбранном коэффициенте
Electrical facilities and systems
загрузки потери в обмотках будут равны потерям холостого хода:
АР0=/32АРК. (1)
Тогда оптимальный коэффициент загрузки:
Ропт =
m
АР,
к
(2)
Для трансформаторов распределительных сетей максимальное значение КПД наблюдается при загрузке на 40-50 %. На практике при выборе мощности трансформатора во многих случаях руководствуются загрузкой 70-75 %, которая позволяет работать трансформатору в аварийных режимах с допустимой перегрузкой. Такой процент загрузки часто называют экономическим.
Регламентирует допустимые нагрузки и перегрузки масляных трансформаторов ГОСТ 14209-97 (МЭК 354-91) «Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов» [6]. Температура рассчитывается для разных частей аппарата и зависит от мощности и системы охлаждения. Каждая группа имеет свои предельные значения по допустимым перегрузкам. И если трансформаторы большой мощности, как правило, эксплуатируются энергетиками, распределительные трансформаторы мощностью до 2500 кВА часто обслуживаются самими промышленными предприятиями и учреждениями различной сферы деятельности.
В распределительных трансформаторах, согласно таблице 1 [6], температура в установившемся режиме должна быть не более 140 °С, а «... трансформатор с температурой наиболее нагретой точки, равной 98 °С, стареет нормально. Срок службы в этом случае составляет несколько десятков лет» [7, с. 21]. Скорость износа изоляции удваивается при каждом изменении температуры приблизительно на 6 °С [6, 7]. Это происходит и при увеличении нагрузки. Почти половина отказов в работе трансформаторов средней мощности происходит из-за нарушения изоляции [7]. Температура рассчитывается при неизменной нагрузке, а также для нагрузки, которая изменяется в течение интервала времени [4]. В системах электроснабжения предприятий нагрузку трансформатора целесообразно принимать в соответствии с отпуск-
ной мощностью и проверять на допустимую перегрузку в аварийном режиме. Часто предприятия на начальном этапе развития не используют всю мощность, которую покупают у энергетиков. Но в процессе расширения мощность увеличивается, и при большой загрузке трансформатора это приводит к увеличению потерь в обмотках и снижению напряжения на выходе подстанции.
В установившемся тепловом режиме для трансформаторов средней мощности температуру можно рассчитать по зависимости (1), применив характеристики из таблицы 2 [6]. Максимальная температура наиболее нагретой точки определяется:
®й=65-р+23-р1'б+33, (3)
где в — коэффициент загрузки трансформатора.
Рассчитав максимальную температуру по формуле (3), можно определить показатели термического износа изоляции:
У=А-2 6 , (4)
где А — постоянная, соответствует сроку службы при 7=0°, А = 0,112, срок службы определяется экспоненциальным отношением Монтсингер:
Срок службы=е~р&н, (5)
где р — постоянная.
Согласно [6], отношение Монтсингер дает оценку термического износа с запасом прочности. Расчет коэффициента выполняется в [8] в уравнении (1-3а) и принимается р = 0,1155 °С-1.
Чтобы определить полезный срок эксплуатации трансформатора, необходима количественная оценка его срока службы. В соответствии с [6] можно определить скорость износа изоляции, но невозможно составить прогноз сроков нормальной работы трансформатора, поэтому при проектировании системы электроснабжения важно иметь количественный критерий. Для количественной оценки автором предлагается коэффициент N. При температуре 98 °С коэффициент N= 1. Таблица расчета коэффициента N приведена в [2]. Для N=1 коэффициент загрузки Р=0,77. Коэффициент N изменяется нели-
нейно, и снижение загрузки до 0,6-0,7 увеличивается срок службы в несколько раз.
Одним из важнейших параметров эффективной работы трансформатора является КПД, который зависит от потерь электрической мощности. Как известно, нагрузочные потери мощности в обмотках трансформатора также зависят от коэффициента загрузки в [9, 10]. Расчеты потерь мощности и КПД для масляных трансформаторов марки ТМ мощностью от 100 до 2500 кВА показали, что снижение загрузки трансформатора до 45-50 % увеличивает КПД на 1-2 %.
Стоимость трансформатора составляет не более 20 %, остальная часть — стоимость коммутационных аппаратов, релейная защита и автоматика и корпуса. Следовательно,
Список литературы
1. Грачева Е.И., Наумов О.В., Сады-ков Р.Р. Учет потерь холостого хода трансформаторов в период эксплуатации при расчете потерь электроэнергии в распределительных сетях // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2016. № 1-2. С. 53-63.
2. Галимова А.А. Выбор мощности трансформатора при проектировании систем электроснабжения // Состояние и перспективы развития электротехнологии: матер. Междунар. науч.-техн. конф. (XVII Бенар-досовские чтения), 29-31 мая 2013 г Иваново: Электроэнергетика, 2013. Т. I. С. 245-248.
3. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.
4. Галимова А.А. Критерии выбора коэффициента загрузки силового трансформатора при проектировании подстанций распределительных сетей // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2013. № 5-6. С. 66-71.
5. Макаров Е.Ф. Справочник по электрическим сетям 0,4-35 кВ и 110-1150 кВ. М.: Папирус Про, 2004. Т. II. 688 с.
6. ГОСТ 14209-97 (МЭК 354-91). Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов.
7. Киш Л. Нагрев и охлаждение трансформаторов. М.: Энергия, 1980. 208 с.
увеличение мощности значительно увеличит срок службы трансформатора.
Выводы
Экономический коэффициент загрузки 0,7-0,75 можно рекомендовать для трансформаторов небольшой и средней мощности. Если предприятие имеет существенное потребление электроэнергии или планирует расширять производство в дальнейшем, рекомендуется загружать трансформатор не более чем на 50 %, при этом КПД будет также высоким. Если нагрузка, подключенная к трансформатору, близка к его номинальной мощности, срок службы значительно снижается. Уменьшение коэффициента загрузки также приводит к снижению потерь мощности в обмотках трансформатора и увеличению КПД.
8. Цирель Я.А., Поляков В.С. Эксплуатация силовых трансформаторов на электростанциях и в электрических сетях. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 263 с.
9. Копылов И.П. Электрические машины: учебник для вузов. 5-е изд. М.: Высшая школа, 2006. 607 с.
10. Тульчинская Я.И. Оценка эффективности применения трансформаторов с низким коэффициентом загрузки // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2012. № 5. C. 580-590. URL: http://ogbus.ru/files/ ogbus/authors/Tulchinskaya/Tulchinskaya_4. pdf.
References
1. Gracheva E.I., Naumov O.V., Sady-kov R.R. Uchet poter' kholostogo khoda trans-formatorov v period ekspluatatsii pri raschete poter' elektroenergii v raspredelitel'nykh setyakh [Accounting Losses of Idling of Transformers in the Period of Exploitation at Calculation Losses of the Electric Power in Distributive Networks]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Prob-lemy energetiki — Power Engineering: Research, Equipment, Technology, 2016, No. 1-2, pp. 53-63.
2. Galimova A.A. Vybor moshchnosti transformatora pri proektirovanii sistem elektrosnabzheniya [Transformer Power Selection in the Design of Power Supply Systems] Materialy Mezhdunarodnoi nauchno-
Electrical facilmes and systems
tekhnicheskoi konferentsii «Sostoyanie i per-spektivy razvitiya elektrotekhnologii» (XVII Benardosovskie chteniya), 29-31 maya 2013 g. [Materials of the International Scientific and Technical Conference «State and Prospects for the Development of Electrotechnology» (XVII Benardos Readings), May 29-31, 2013]. Ivanovo, Elektroenergetika, 2013, Vol. I, pp. 245-248.
3. GOST 11677-85. Transformatory silo-vye. Obshchie tekhnicheskie usloviya. [State Standard 11677-85. Power Transformers. General Specifications].
4. Galimova A.A. Kriterii vybora koeffitsienta zagruzki silovogo transformatora pri proektirovanii podstantsii raspredelitel'nykh setei [Criteria of Choice of Load of Power Transformer Factor at Planning of Substations of Distributive Networks]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Problemy energetiki — Power Engineering: Research, Equipment, Technology, 2013, No. 5-6, pp. 66-71.
5. Makarov E.F. Spravochnik po elektri-cheskim setyam 0,4-35 kV i 110-1150 kV [Handbook of Electrical Networks 0.4-35 kV and 110-1150 kV]. Moscow, Papirus Pro Publ., 2004, Vol. II, 688 p.
6. GOST 14209-97 (MEK 354-91). Ruko-vodstvo po nagruzke silovykh maslyanykh transformatorov [State Standard 14209-97 (IEC 354-91). Manual for Load Power Oil Transformers].
7. Kish L. Nagrev i okhlazhdenie transformatorov [Transformer Heating and Cooling]. Moscow, Energiya Publ., 1980. 208 p.
8. Tsirel' Ya.A., Polyakov V.S. Eksplua-tatsiya silovykh transformatorov na elektro-stantsiyakh i v elektricheskikh setyakh [Operation of Power Transformers in Power Plants and Electric Networks]. Leningrad, Energoatomizdat Publ., 1985. 263 p.
9. Kopylov I.P. Elektricheskie mashiny: uchebnik dlya vuzov [Electric Cars: Textbook for High Schools]. 5 ed. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 2006. 607 p.
10. Tul'chinskaya Ya.I. Otsenka effektivnosti primeneniya transformatorov s nizkim koeffitsientom zagruzki [Evaluation of the Effectiveness of Application of Transformer with Low Load Factor]. Elektronnyi nauchnyi zhurnal «Neftegazovoe delo» — Electronic Scientific Journal «Oil and Gas Business», 2012, No. 5, pp. 580-590. URL: http://ogbus.ru/ files/ogbus/authors/Tulchinskaya/Tulchin-skaya_4.pdf.
