CC BY
59УДК 621.31: 658.2
Кенжекулов Каныбек Назимович кандидат технических наук и.о.доцент Жалал Абадский государственный университет, Кыргызстан
Рыскулов Ильяс Рустанбекович старший препадователь Жалал Абадский государственный университет, Кыргызстан
Б01: 10.24411/2520-6990-2020-11445 НАГРУЗОЧНАЯ СПОСОБНОСТЬ ТРАНСФОРМАТОРОВ И СПОСОБЫ ЕЕ ФОРСИРОВАНИЯ
В ЭКСПЛУАТАЦИИ
Kenjekulov Kanybek
candidate of technical Sciences, associate Professor of Jalal Abad state University, Kyrgyzstan Ryskulov Ilyas
senior lecturer of Jalal Abad state University, Kyrgyzstan LOAD CAPACITY OF TRANSFORMERS AND METHODS IT'S FORCING IN OPERATION
Аннотация
В данной работе рассматривается причины и последствия перегрузок силовых трансформаторов и способы ее форсирования в эксплуатации. Abstract
This paper discusses the causes and consequences of overloads of power transformers and ways to force it in operation.
Ключевые слова: трансформатор, нагрузка, износ изоляции, охлаждение, форсирование. Keywords: transformer, load, insulation wear, cooling, forcing.
Необходимость в увеличении трансформаторной мощности в Кыргызстане возникла в связи с постоянно растущим числом потребителей т.к. большинство из них были установлены в прошлом столетии, что в свою очередь привела к регулярным перегрузкам и участившимися авариями на подстанциях.
При выборе мощности трансформаторов нельзя руководствоваться только их номинальной мощностью, так как в реальных условиях температура охлаждающей среды, условия установки трансформатора могут быть отличительными от принятых реалий. Нагрузка трансформатора может, меняется в течение суток, и если мощность выбрать по максимальной нагрузке, то в периоды спада ее трансформатор будет не загружен, т.е. недоиспользована его мощность. Опыт эксплуатации показывает, что трансформатор может работать часть суток с перегрузкой, если в другую часть суток его нагрузка меньше номинальной. Критерием различных режимов является износ изоляции трансформатора.
Эксплуатация трансформаторов связана с необходимостью определения их нагрузочной способности, зависящей от температурного режима, который с одной стороны обусловлен нагревом трансформатора, а с другой - условиями его охлаждения. Отвод теплоты трансформатора обеспечивается системой охлаждения. Применяют несколько типов систем охлаждения, различающихся по сложности. Охлаждающие устройства сложнее у более мощных трансформаторов. Это объясняется тем, что потери мощности в трансформаторах АР
(1) и поверхность охлаждения F (2) по-разному зависят от их мощности Sт :
АР=С!^т3/4; (1)
F=С2■Sт1/2. (2)
где С1 и С2 - постоянные.
Нам всем известно что, нагрузочная способность трансформатора - это совокупность допустимых нагрузок и перегрузок. Допустимая нагрузка -это длительная нагрузка, при которой расчетный износ изоляции обмоток от нагрева не превосходит износ, соответствующий номинальному режиму работы. Перегрузка трансформатора - режим, при котором расчетный износ изоляции обмоток превосходит износ, соответствующий по минимальному режиму работы. Такой режим возникает, если нагрузка окажется больше номинальной мощности трансформатора или температура охлаждающей среды, больше принятой расчетной.
Допустимые систематические нагрузки трансформатора больше его номинальной мощности возможны за счет неравномерности нагрузки в течение суток. На рис.1 изображен суточный график нагрузки, из которого видно, что в ночные, утренние и дневные часы трансформатор недогружен, а во время вечернего максимума перегружен. При недогрузке износ изоляции мал, а во время перегрузки значительно увеличивается. Максимально допустимая систематическая нагрузка определяется при условии, что наибольшая температура обмотки +140°С, наибольшая температура масла в верхних слоях +95°С и износ изоляции за время максимальной нагрузки такой же, как при работе трансформатора при постоянной номинальной нагрузке, когда температура наиболее нагретой
точки не превышает +98°С) ГОСТ 14209-97 (МЭК-60354-91). Для подсчета допустимой систематической нагрузки действительный график преобразуется в двухступенчатый (см. рис. 1).
Коэффициент начальной нагрузки эквивалентного графика определяется по выражению (3):
1 is —. + S2 —t2 +...+S 2 At
К = —, lSl S 2 2-Sm-m (3)
S„.
—! +At2 +... + -tn
где 81,82,...,Бш - значения нагрузки в интервалах Atl, Лt2,...,Лtm.
Коэффициент максимальной нагрузки в интервале h=Ahl+Ah2+... +Ahp.
к : =
1
s \
НОМ I
(S1)2 —hi+(S 2)2 —h2+...+(s / —hp
А^ + М2 +... + Акр
Если к": >0,9 Ктау. то принимают к": к':, если к": < 0.9 Ктах. то принимают К: 0.9 Ктах.
Рис. 1. Построение двухступенчатого графика по суточному графику нагрузки трансформатора
Зная среднюю температуру охлаждающей среды за время действия графика (0охт), систему охлаждения трансформатора (М, Д, ДЦ, Ц), по таблицам, приведенным в ГОСТ 14209-85 (для трансформаторов до 100 MBА), определяют допустимость относительной нагрузки К2 и ее продолжительность.
Нагрузка более 1,5Бном должна быть согласована с заводом-изготовителем. Нагрузка более 2, ОБном не допускается.
Аварийная перегрузка разрешается в аварийных случаях, например, при выходе из строя параллельно включенного трансформатора.
Допустимая аварийная перегрузка определяется предельно допустимыми температурами обмотки (140°С для трансформаторов напряжением выше 110 кВ и 160°С для остальных трансформаторов) и температурой масла в верхних слоях (115°С). Аварийные перегрузки вызывают повышенный из-
нос витковой изоляции, что может привести к сокращению нормированного срока службы трансформатора, если повышенный износ впоследствии не компенсирован нагрузкой с износом изоляции ниже нормального.
Значение допустимой аварийной перегрузки определяется по [1] в зависимости от коэффициента начальной нагрузки К1, температуры охлаждающей среды во время возникновения аварийной перегрузки 0охл и длительности перегрузки. Максимальная аварийная перегрузка не должна превышать
0Бном.
При выборе трансформаторов, устанавливаемых на подстанциях, по условиям аварийных перегрузок можно воспользоваться табл. 1. [2]
Допустимые аварийные перегрузки трансформаторов при выборе их номинальной мощности для подстанций при предшествующей нагрузке, не превышающей 0,8.
Таблица 1
Продолжительность перегрузки, час Эквивалентная температура охлаждающего воздуха, 0С
-10 0 +10 +20 +30
М, Д ДЦ М, Д ДЦ М, Д ДЦ,Ц М, Д ДЦ,Ц М, Д ДЦ,Ц
0,5 2 1,8 2 1,8 2 1,7 2 1,6 2 1,5
1 2 1,7 2 1,7 2 1,6 2 1,5 1,9 1,5
2 2 1,6 1,9 1,6 1,8 1,5 1,7 1,4 1,6 1,4
3 1,7 1,5 1,7 1,5 1,6 1,4 1,4 1,4 1,3 1,3
4 1,6 1,5 1,5 1,5 1,5 1,4 1,4 1,4 1,3 1,3
6 1,6 1,5 1,5 1,5 1,4 1,4 1,3 1,4 1,2 1,3
8 1,5 1,5 1,5 1,5 1,4 1,4 1,3 1,4 1,2 1,3
12 1,5 1,5 1,5 1,5 1,4 1,4 1,3 1,4 1,2 1,3
24 1,5 1,5 1,5 1,5 1,4 1,4 1,3 1,4 1,2 1,3
Трансформаторы малой и средней мощности охлаждаются в результате естественной циркуляции масла по приваренным к баку трубам или радиаторам, в которые оно поступает из верхней наиболее нагретой части бака. Опускаясь вниз по омываемым воздухом трубам, масло попадает в нижнюю часть бака охлажденным. Подобная система охлаждения условно обозначается М. Для повышения интенсивности воздушного охлаждения применяют обдувание радиаторов воздухом с помощью вентиляторов. Условное обозначение дутьевого охлаждения - Д. У трансформаторов большой мощности естественная циркуляция масла для их охлаждения недостаточна. В этом случае ее усиливают масляным насосом: в радиаторах масло охлаждается либо с помощью омывающей их воды (система Ц), либо с помощью дутья вентиляторами (система
ДЦ).
Наиболее нагревающаяся часть трансформатора - обмотка. Температура от нее передается маслу через конвекцию. Перепад температуры между обмоткой и маслом иобм=20-30% от общего превышения температуры обмотки над температурой окружающего воздуха. Далее теплота передается стенке охлаждающей системы и воздуху или охлаждающей воде. Этот перепад температуры составляет 60-70% от общего перепада. При повышении температуры в изоляции класса А (изоляция масляных трансформаторов) ускоряются химические реакции, ведущие к потере ею механической прочности - старению.
Средний срок службы изоляции при изменении температуры в пределах от 80 до 1400С может быть определен по формуле (4):
Уном=А1-е-а'®, (4)
где Аг и а - постоянные; в - температура изоляции в наиболее нагретой точке (ННТ) обмотки.
Основой расчета температурного режима трансформаторов служит расчет температуры ННТ обмотки.
Срок службы изоляции при номинальной температуре (0нам=98°С) (5):
Относительный срок службы изоляции (6):
V* = У/Уном=е~а< в~вном). (6)
В расчетах удобнее использовать основание 2. В этом случае относительный износ изоляции (7):
^=2а(в-вном/0,693 =2(в-вном)/А (7)
где ln е/ ln 2=1/0,693; Д=0,693/а.
При номинальной температуре относительный износ изоляции равен единице, т. е. номинальный. При износе, равном 2, изоляция изнашивается в 2 раза быстрее. По рекомендации международной электротехнической комиссии (МЭК) принимают величину Д=60С, т.к. по данным эксплуатации при изменении температуры на 60С срок службы изоляции изменяется в 2 раза.
В общем случае за время ДЪ износ изоляции
(8):
А/,
L
i - 12
[О HHmi О ннтб ^ А
dt,
(8)
где винти &ннтб - соответственно текущая и базовая (номинальная) условно постоянные температуры ННТ обмотки.
Если изобразить процесс изменения температуры ННТ во времени и определить среднюю температуру для данного участка графика длительностью М, то относительный износ витковой изоляции для средней температуры вннтср относительно (8) имеет выражение (9):
^ м=2&ннт1 - &ннтб)/А (9)
Суммарный износ изоляции равен сумме изно-сов за все время использования трансформатора по формуле (10):
n
L -iL.
i-1
(10)
V —А ,.р-а-©ном
Vhom Ai'C .
Относительный износ изоляции для суточного двухступенчатого графика нагрузки (11):
t
24 — t- — 4 • T [®HHjni -®штб V— 1 f^ 1@'ннт (t) —®ннтб ]/— L =-2-2 +— 2 dt +
94 94 J
tl
(11)
1 3 [®Ннт (t) —®ннтб У-+ — 2 dt,
24 J
t2
где &'ннт() и &"ннт® - температуры ННТ изоляции во времени, определяемые на участках разных нагрузок двухступенчатого графика.
Номинальная мощность трансформатора представляет собой значение полной мощности трансформатора на основном ответвлении, гарантированное заводом-изготовителем в номинальных условиях охлаждающей среды при номинальном напряжении и номинальной частоте.
Под нагрузочной способностью понимают свойство трансформатора нести нагрузку сверх номинальной при условиях эксплуатации, определяемых предшествующей нагрузкой и температурой охлаждающей среды.
Опыт эксплуатации показывает, что трансформаторы могут без ущерба для нормального срока службы работать в течение части суток (года) с нагрузкой больше номинальной, если в другую часть рассматриваемого периода времени их нагрузка меньше номинальной. Критерием допустимости того или иного режима (в течение суток, года) является не номинальная мощность трансформатора, а износ изоляции за рассматриваемый период.
При проектировании электроустановок и во время их эксплуатации необходимо проведение расчетов по определению нагрузочной способности трансформаторов.
В расчетах используют следующие данные о допустимых параметрах режима работы трансформаторов [2-4].
Для наиболее нагретой точки обмотки:
- базовая условно постоянная температура 980С.
Максимальное значение температуры для:
- допустимых систематических нагрузок 1400С;
- допустимых аварийных перегрузок 1600С.
Максимальное значение температуры верхних
слоев масла для:
- допустимых систематических нагрузок 950С;
- допустимых аварийных перегрузок 1150С.
Номинальная температура охлаждающего воздуха 200С.
Максимальная величина перегрузки для:
- допустимых систематических нагрузок 1,5;
- допустимых аварийных перегрузок 2,0.
Температурные постоянные (постоянные времени нагрева) трансформаторов с системами охлаждения:
М и Д 3 ч;
ДЦ и Ц 2 ч;
обмотки 3-7 мин.
Предполагается, что нагрев и охлаждение трансформатора, изменяющиеся по экспоненциальному закону с постоянного времени нагрева для трансформатора в целом Т и для обмотки Тобм независимы от температуры охлаждающей среды в интервале -200С - +400С.
Условия охлаждения трансформаторов существенно зависят от температуры охлаждающего воздуха, которую можно принять средней для интервалов, в пределах которых ее изменение не превышало 120С.
При отклонении эквивалентной температуры охлаждающей среды от номинальной износ изоляции умножают на коэффициент / значения которого приведены ниже в таб.2.:
Таблица 2
Я 0С 40 30 20 10 0 -10 -20
f 10,0 3,2 1,0 0,32 0,10 0,032 0,01
В условиях эксплуатации при росте нагрузок возникает необходимость повышения нагрузочной способности трансформаторов. В настоящее время известен и на практике опробован ряд способов форсирования системы охлаждения трансформатора. Это усиление системы охлаждения М или Д путем перехода к системам ДЦ или Ц; использование воды для дополнительного охлаждения воздуха или масла в системах охлаждения М, ) и ДЦ; использование дополнительного устройства охлаждения, подключаемого к работающему трансформатору на время максимальных нагрузок.
Оснащение трансформатора с системой охлаждения М вентиляторами принудительного обдува осуществляется без переделки бака. Расчеты пока-
зывают, что перегревы масла и обмоток после форсирования охлаждения остаются в пределах допустимых вплоть до нагрузок, на 30% превышающих номинальную мощность трансформатора.
Форсирование охлаждения трансформатора путем организации принудительной циркуляции масла через существующие радиаторы выполняется установкой масляных насосов.
Выводы:
1. Анализируя приведенные выше таблицы допустимых аварийных перегрузок, можно сделать вывод, что трансформаторы с системами охлаждения М, Д, ДЦ и Ц при первоначальной нагрузке не более 0.9Бном допускают перегрузку на 40% в тече-
ние 6 часов, при температуре охлаждающего воздуха не более +20°С и 30% в течение 4ч при температуре охлаждающего воздуха +30°С.
2. Допустимые нагрузки и аварийные перегрузки для трансформаторов мощностью свыше 100 MBA устанавливаются в инструкциях по эксплуатации; для сухих трансформаторов и трансформаторов с негорючим жидким диэлектриком - в стандартах или технических условиях на конкретные типы трансформаторов.
3. В условиях эксплуатации при росте нагрузок возможно повышения нагрузочной способности трансформаторов форсированием системы охлаждения выше перечисленными способами.
Литература
1. ГОСТ 14209-97 (МЭК-60354-91) Руководство по нагрузке силовых маслянных трансформаторов.
2. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.
3. IEC 60354. Second edition 1991-0,9. Loading guide for oil immersed power transformers.
4. Power Transformer handbook, Edited by Bernard Hochart. Alstom Transformer Division, Sant-Oueen, France. First English edition.
5. IEC 600076-2. Power Transformers. Part 2. Temperature rise.
6. РД 16 452-88. Трансформаторы силовые маслыные с системами охлаждения М и ДЦ Тепловой расчет обмоток. 1988. С.28
