CC BY
32
ANALYSIS OF DESIGN SCHEMES OF ELECTROMECHANICAL COOLING SYSTEMS
AND THEIR OPERATING CONDITIONS
V.M. Stepanov, A.Y. Timonin
The cooling system is an important part of the power transformer, the reliability and service life of the entire substation depends on its efficiency. The analysis of the design schemes of electromechanical cooling systems and their operating conditions is given.
Key words: cooling system, power transformer, device for using excess air heat flow.
Stepanov Vladimir Mihailovich, doctor of technical sciences, professor, ti-monin_alexey@bk.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Timonin Alexey Yurievich, postgraduate, timonin_alexey@bk.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.331 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-346-354
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИЛОВЫХ
ТРАНСФОРМАТОРОВ
А.В. Костюков
Рассматриваются вопросы обеспечения безопасных условий эксплуатации силовых трансформаторов, проведён анализ причины выхода из строя силовых трансформаторов. Проанализированы тепловые режимы работы трансформаторов при различных условиях эксплуатации и воздействия температур нагрева обмоток на износ изоляции. Представлены организационно-технические мероприятия, позволяющие избежать электротравм и аварий при эксплуатации и обслуживании силовых трансформаторов.
Ключевые слова: энергетические хозяйства, силовой трансформатор, тепловые воздействия, токи короткого замыкания, изоляция обмоток, трансформаторное масло, безопасные условия эксплуатации.
Несчастные случаи и травмы на производстве возникают не только из-за несоблюдения требований «Правил устройств электроустановок», нарушений требований охраны труда при выполнении ремонтных и монтажных работ, но ещё из-за эксплуатации неисправного оборудования. Чаще всего использование неисправного высоковольтного оборудования приводит к авариям и серьезным травмам обслуживающего персонала. В энергетических хозяйствах предприятий в зону повышенного внимания попадают распределительные устройства, электрические преобразователи, силовое электрооборудование подстанций и цехов. Невозможно рассматривать организационно-технические мероприятия по снижению электротравматизма на предприятиях если нет анализа статистических данных, определения причин несчастных случаев на производстве.
Производственные процессы при использовании электрооборудования можно разделить на следующие виды работ: работы, требующие использования основного или вспомогательного электрооборудования (станки, электрокары, электроинструмент и др.); работы, непосредственно связанные с элементами устройств электроснабжения (монтаж, ремонт, обслуживание, диагностика, проведение различных операций при подключении, замене и др.); работы не связанные с электрооборудованием, но которые выполняются в зоне расположения электроустановок.
346
Электротравмы на производстве можно разбить на группы, в которые входят определённые виды работ. Распределение электротравм по видам работ представлены на рис. 1.
Из рис. 1 видно, что около 58% электротравм, полученных на производстве связана с основными видами деятельности персонала энергетических хозяйств промышленных предприятий, причина большой доли этих несчастных случаев состоит в неудовлетворительной организации работ, а также несоблюдение требований, обеспечивающих безопасные условия эксплуатации и ремонта электрооборудования, эксплуатации неисправного и устаревшего оборудования. К наиболее опасными в эксплуатации являются силовые трансформаторы и автотрансформаторы, а также распределительные устройства [1, 2].
Работы не связанные с электричеством Электрогехнол. оборуд. Электрогехнологичесикие работы Аварии устройств эл.хнаб. Испытание устройств эл.снаб. Осмотр и рем. устройств эл.снаб. Профилактичекие мероприятия Монтаж, демонтаж эл.оборудования Переключения систем эл. с наб. Проведение профилактических работ
Рис. 1. Распределение электротравматизма по видам работ
Обслуживание силовых трансформаторов требует от персонала определённой квалификации и опыта работы.
При эксплуатации и проведении профилактических мероприятий, диагностики элементов конструкций силовых трансформаторов, особенно это характерно для силовых трансформаторов, которые исчерпали свой ресурс, могут возникать аварийные ситуации. Аварии в силовых трансформаторах, как правило, возникают из-за коротких замыканий, которые сопровождаются дугой, воспламенением трансформаторного масла, что является чрезвычайно опасным для персонала энергетических хозяйств предприятий. При расположении таких силовых трансформаторов на территории цехов в открытых зонах может привести к тяжёлым последствиям.
Из анализа статистических данных выхода из строя силовых трансформаторов очевидно, что в основном аварии возникают из-за пробоя и износа изоляции трансформатора.
При эксплуатации силовых трансформаторов возникают многочисленные проблемы по нагреву и охлаждению трансформаторов, решение которых играют важную роль в обеспечение безопасной и надёжной работы силовых трансформаторов в транспортном машиностроении. В процессе эксплуатации силовых трансформаторов температура нагрева обмоток, магнитопровода и закладных деталей определяется номинальными условиями охлаждающей среды, атмосферными воздействиями, а также нагрузочными характеристиками в процессе всей эксплуатации. В процессе эксплуатации силовые трансформаторы подвержены воздействием недопустимых температур, которые возникают при длительных предельных нагрузках, которые носят резкоперемен-ный характер, что приводит к износу изоляции и снижению надёжности. Поэтому для повышения надёжности силовых трансформаторов необходимо рассмотреть следующие моменты: снижать нагрузку, т.е. закладывать избыточную мощность трансформатора, что является с экономической точки зрения нецелесообразным; не допускать длительных перегрузок трансформатора и использовать эффективную систему охлаждения [3,4].
Нагревом и охлаждением силовых трансформаторов занимались многие зарубежные и российские учёные такие как Филиппов И.Ф. Голунов А.М., Сещенко Н.С., Берштейн И.Я., Герасимов Л.С., Тихомиров П.М., Сапожников А.В., Тарле Г.Е., Киш Л., Каршаи К., Кэрени Д. методики расчётов которых используются для проектирования и производства современных силовых трансформаторов.
Вопросы по охлаждению силовых трансформаторов на сегодняшний день остаются актуальными, успешное решение которых напрямую связано со сроком службы силовых трансформаторов и безопасной их эксплуатацией [5].
Рассмотрим температурные воздействия токов, протекающих по обмоткам силовых трансформаторов при различных режимах работы [3].
Нагрев обмоток трансформатора при коротком замыкании
Нагрев обмотки силового трансформатора при коротких замыканиях происходит под действием изменяющихся значений токов короткого замыкания. Обмотка трансформатора нагревается от действия периодической и апериодической составляющих тока короткого замыкания. Короткое замыкание трансформатора длится около (0,1-0,5) с и определяется временем срабатывания защиты [3].
Время нагрева не превышает 0,1 постоянной времени нагрева, это позволяет при тепловых расчетах режима короткого замыкания не учитывать количество тепла, выделяемое обмотками трансформатора в окружающую среду, т.е. тепловой процесс можно считать адиабатическим. При этом температура обмоток трансформатора может достигать больших величин, которые являются недопустимыми для изоляции обмоток силовых трансформаторов. ГОСТ 14209-97 (МЭК 354-91) устанавливают, что температура обмоток при установившихся токах и заданной длительности не должна превышать [6]:
- для трансформаторов с масляной системой охлаждения для обмоток из меди и изоляцией класса нагревостойкости А - 250°С
- для обмоток из алюминия - 200°С.
Длительность КЗ на вводе трансформатора не должна превышать:
т —т 3 Ч -103,с
а-ёк
где тк - допустимая температура обмотки при КЗ; тн - начальная температура обмотки; 5К - плотность установившегося тока КЗ, А / мм2; а - температурный коэффициент, зависящий от тн и тк .
Внутренний перепад температур в обмотках силового трансформатора после короткого замыкания можно рассчитать по формуле:
где ^ - длительность короткого замыкания; } - плотность тока в обмотке; ик - напряжение короткого замыкания.
Рассчитаем температуры обмоток трансформатора, примем для обмоток высокого напряжения (ВН) ик = 10,5%, 7=2,9 А/мм2, среднего напряжения (СН) ик = 6,5%, у=10,5 А/мм2 и низкого напряжения (НН) - ик = 6,5%, 7=3,6 А/мм2.
На рис. 2 представлен график зависимости распределения температур в обмотках силового трансформатора в зависимости от плотности тока, напряжения короткого замыкания и длительности протекания короткого замыкания, в качестве примера возьмём силовой трансформатор ТДТНЖ-40000/110.
Время нагрева обмоток до предельных температур обычно не превышает 6 - 8
секунд.
Срабатывание релейной защиты предотвращает нагревание обмоток до предельной температуры, даже при близких КЗ обмотка нагревается приблизительно до 50.. .70 °С.
О
350 300 250 200
а150 100
50
0
6
1., с
10
12
Обмотка ВН
Обмотка СН
Обмотка НН
Рис. 2. График зависимости температуры в обмотках трансформатора от времени протекания короткого замыкания
Неравномерность загруженности фаз. На старение изоляции обмоток трансформатора влияет еще неравномерность загруженности фаз, причём загруженность фаз будет сопровождаться температурными деформациями. Рассчитаем перепады температур в обмотках силовых трансформаторов
перепады температур в обмотках трансформатора можно рассчитать как сумму перепада температуры внутри обмотки Q0 и на её поверхности :
Qоб = Qo + Qп
Перепады температуры на поверхности обмотки силового трансформатора:
= 0.35 •к1^к2^к3 •ц0-6, где к1, - коэффициент, учитывающий влияние скорости движения масла внутри обмотки; к2 - коэффициент, учитывающий затруднение конвекции масла в каналах внутренних обмоток НН и СН; к3 - коэффициент, учитывающий влияние на конвекцию масла. Результаты расчётов: для обмотки низкого напряжения (ВН):
СпВН = 0,35 • 0,9 • 1,0 • 1,05 • 1408,70-6 = 25,60С для обмотки низкого напряжения (СН):
^пСН = 0,35 • 0,9 • 1,1 • 1,05 • 836,106 = 18, 70С для обмотки низкого напряжения (НН):
СпНН = 0,35 • 0,9 • 1,1 • 1,05 • 1637,40,6 = 28,040С Внутренний перепад температуры определяется как:
где q - плотность теплового потока; 8 - толщина изоляции провода на одну сторону; Я - теплопроводность изоляции провода.
Определим плотность теплового потока на поверхности обмоток силового трансформатора:
_ 1,07-У -1-Шк-кд ^ _ Кз-(Ь+а) '
где / - фазный ток в обмотки; - число витков в катушке; кз - коэффициент закрытия поверхности, принимаем кз ^ 0,75; кд - коэффициент добавочных потерь; а и Ь -радиальные размеры катушки обмотки. Результаты расчётов: для обмотки низкого напряжения (ВН):
_ 1,07-2,93-209,94 13 1,029
9нн
= 1408,7
м¿
0,75-(1,07+7,5)
для обмотки среднего напряжения (СН):
1,07-3,16-484,84 1,07-2 „ Вт
Чнн =-;-;-= 836,1 —;
^нн 0,75-(0,79+4,8) м2'
для обмотки низкого напряжения (НН):
1,07-3,6-2222,22-1,05-1,02 „ ,„„ „„ Вт
онн =-;-;-= 1637,08 —.
0,75<1,5+4,98) м2
С учётом полученных результатов плотности тепловых потоков на поверхности обмоток можно рассчитать внутренние температурные перепады: для обмотки высокого напряжения (ВН):
^вН= 112^1.10-4 = 5,8°С;
^ВН 0,0017
для обмотки среднего напряжения (СН):
^СН = 836^_10_4 = 1 ос. СН 0,0017
для обмотки низкого напряжения (НН):
1637,08-0,025 .Ю-4 = 2,40С. НН 0,0017
Полный перепад температур в обмотках силового трансформатора будет принимать следующие значения:
для обмотки высокого напряжения (ВН):
&бвн = 5,8 + 25,6 = 31,4 °С; для обмотки среднего напряжения (СН):
^обсн = 1,23 + 18,7 = 19,93 °С; для обмотки низкого напряжения (НН):
&бнн = 2,4 + 28,04 = 30,44 °С. При номинальных нагрузках трансформатора перепад температур в обмотках трансформатора соответствует нормам, при неравномерной загруженности фаз и предельных нагрузках температуры обмоток могут отличаться в 9 раз при этом обмотки будут испытывать существенные температурные деформации.
На тепловой пробой и старение изоляции влияет еще и специфика работы силовых трансформаторов.
В энергетических хозяйствах промышленных предприятий и предприятий транспорта для резерва на энергетических подстанциях в основном используют два силовых трансформатора, рассчитанных на полную нагрузку, причём один силовой трансформатор находится под нагрузкой, другой в резерве. При внешнем размещении силовых трансформаторов, на территории подстанции, в зимнее время года при низких температурах в трансформаторе, который находится в резерве происходит застывание трансформаторного масла до вазелинообразного состояния.
При вводе такого трансформатора в эксплуатацию, в первые часы работы под нагрузкой, практически отсутствует естественная циркуляция масла. Только через 7-10 часов происходит постепенный прогрев всей массы трансформаторного масла, после чего циркуляция масла восстанавливается. Поэтому при низких температурах окружающей среды имеют место перепады температур обмоток. Неравномерность нагрева в этом случае может достигать придельных значений 120-150°С и выше. Ситуация усугубляется тем обстоятельством, что, нагрев отдельных фаз трансформатора также резко неравномерен, в конструкциях трансформатора появляются температурные деформации и температурные напряжения, которые способствуют ослаблению крепления отдельных элементов трансформатора, а также появлению микротрещин, что в дальнейшем приводит в распрессовки обмоток и пробою изоляции.
Старение изоляции силового трансформатора. В силовых трансформаторах в основном используют бумажно-масляную изоляцию для изоляции проводников обмоток силового трансформатора, а также каркасов обмоток, дистанцирующихся прокладок, в виде опорных и угловых шайб, барьеров и распорок.
Большие температуры нагрева обмоток трансформатора непосредственным образом сказываются на рабочих характеристиках изоляции. Нарушение внутренней изоляции при длительном нагреве происходит вследствие того, что при повышении температуры обмотки трансформатора при КЗ возникают и ускоряются химические процессы в изоляционных материалах [7-9].
Как принято в справочной литературе в диапазоне температур нагрева от 80°С до 140°С при возрастании температуры на 6°С вызывает сокращение срока службы изоляции трансформатора практически 2 раза, поэтому в упрощённом виде износ изоляции
можно определить по формуле Монтзингера:
£=е0Д155(£-ад,
где да - нормативная температура наиболее нагретой точки, равная 98°С, при которой срок «старения» изоляция соответствует сроки службы трансформатора; д, °С - температура наиболее нагретой точки трансформатора при его эксплуатации.
На рис. 3. показан график распределения температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора в течение суток.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
час
Рис. 3. График распределения температуры наиболее нагретой точки обмотки
трансформатора
Из графика распределения температур наиболее нагретой точки обмотки трансформатора можно определить относительный суточный износ изоляции, выберем только те значения температуры, которые равны или превышают 98°:
с _ _ 1,122+1,414+1,99*3+2,24+1,58+1,25*2+2,51*5+1,12*2 _Л „„
Ссут - - — -
За сутки эксплуатации силового трансформатора при распределении нагрузки и нагреве обмоток до температур, представленных на рис. 2, износ изоляции на 23% будет выше чем при нормальных условиях эксплуатации.
Тепловое старение твердых диэлектриков проявляется в снижении их механической прочности, то при нагреве изоляционных материалов таких, как бумага и картон, значительно снижается их прочность на растяжение и излом.
В последние годы при изготовлении трансформаторов заводы-изготовители перестали применять деревянные элементы (клинья распорки и др.). Взамен их используют набранные в пакеты кусочки пропиточного электрокартона, который обладает значительной линейной деформацией, что в процессе эксплуатации приводит к заметному ослаблению крепления обмоток и элементов конструкции силовых трансформаторов. Обмотки с такого типа нарушениями особенно чувствительны к динамическим воздействиям при коротких замыканиях [9].
Чтобы исключить температурные деформации при подключении резервного трансформатора при низких температурах и улучшения охлаждения обмоток в процессе эксплуатации предлагается использовать бак соседнего силового трансформатора рис. 4 [3].
Рассмотрим работу устройства охлаждения силовых трансформаторов, представленных на рис. 4. При работе силового трансформатора на предельных нагрузках или при подключении «холодного» трансформатора под нагрузку открываются вентили 7-10 и включаются насосы 5, 6, происходит принудительная циркуляция масла внутри
351
баков трансформаторов. При циркуляции масла происходит прогрев масла в резервном трансформаторе и охлаждение обмоток работающего трансформатора. Только после прогрева и восстановления циркуляции масла «холодный» резервный трансформатор подключают под нагрузку. На рис. 5 показан график зависимости температуры масла внутри бака трансформатора при традиционной системе охлаждения и использовании дополнительного бака резервного трансформатора.
Рис. 4. Устройство охлаждения силовых трансформаторов 1, 2 — баки силовых трансформаторов; 3, 4 — трубопровод; 5, 6 — компрессоры;
7 - 10 — вентили
60
20
10 О
1 2 3 4 3 Б 7 В 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1В 19 20 21 22 23 24 г, час
Рис. 5. График распределения температуры трансформаторного масла: 1 — изменение температуры масла в силовом трансформате ТДТНЭ 40000/110 от нагрузки; 2 — изменения температуры масла в силовом трансформаторе трансформате ТДТНЭ 40000/110 с устройством охлаждения силовых
трансформаторов
Из полученных расчётов видно, что предложенный вариант устройства охлаждения силового трансформатора понижает температуру трансформаторного масла в среднем на 19%. Предложенная система охлаждения не требует больших дополнительных затрат, позволяет использовать уже имеющиеся ресурсы.
Выводы:
1. Температурные перегревы и перепады в обмотках силовых трансформаторов сокращают срок службы изоляции, приводят к преждевременным выходам из строя силовых трансформаторов, а также к возникновению коротких замыканий. Короткие замыкания, как правило, сопровождаются взрывами и воспламенением трансформаторного масла. Для исключения подобных аварийных ситуаций необходимо использовать новые изоляционные материалы и эффективную систему охлаждения.
2. В качестве основного диэлектрика и элемента системы охлаждения силовых трансформаторах рекомендуется использовать вместо минерального масла синтетический диэлектрик MIDEL 7131 - эфирное вещество, которое отличается экологичностью и является пожаро- и взрывобезопасным. Температура воспламенения MIDEL лежит в
диапазоне +316°C, температура замерзания - 56 °C, обладает высокими адсорбирующими свойствами, исключается возможность взрыва и пожара. При эксплуатации и возникновении аварийных ситуаций не выделяет токсичных веществ и является безопасным для персонала и экологии [10].
3. Предложенная в работе система охлаждения по сравнению с традиционными системами охлаждения силовых трансформаторов рассмотренное устройство исключает возможность возникновения местных перегревов обмоток силовых трансформаторов, как в зимний, так и в летний период эксплуатации.
Все рассмотренные мероприятия безусловно позволяют продлить срок службы силовых трансформаторов, но и повысить безопасные условия эксплуатации силового электрооборудования.
Список литературы
1. Статистика несчастных случаев на производстве // Федеральная служба государственной статистики. [Электронный ресурс] URL: https://rosinfostat.ru/travmatizm/ (дата обращения 27.05.2021).
2. Костюков А.В. Анализ причин возникновения коротких замыканий в энергетических хозяйствах и их последствия // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения. 2019. №4 (49). С. 65-69.
3. Костюков А.В., Соломин В.А., Костюков А.А. Обеспечение безопасных условий эксплуатации силовых трансформаторов при тепловых воздействиях токов коротких замыканий // Вестник Донского государственного технического университета. 2018. №18 (1). С.132-137.
4. Костюков А.В., Чукарин А.Н., Яицков И.А. Вопросы электробезопасности на предприятиях машиностроения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 2. С. 581-588.
5. Костюков А.В., Чернов А.В., Чукарин А.Н. Система мониторинга опасных и вредных производственных факторов в энергетических хозяйствах предприятий машиностроения // Вестник РГАТУ им. П.А. Соловьёва. 2021. №2 (57). С.10-13.
6. Каганович Е.А. Испытание трансформаторов малой и средней мощности на напряжение до 35кВ включительно. М.: Энергия, 1969 - 206 с.
7. Киш Л. Нагрев и охлаждение трансформаторов / пер. с венгерского. М.: Энергия, 1980. 208 с.
8. Григорьев Н.П., Воприков А.В., Парфианович А.П. Повышение срока службы изоляции обмоток силовых трансформаторов при реконструкции тяговых подстанций переменного тока 25 кВ // Электротехника. 2016. №2. С. 45-48.
9. Свиридов В.А. Влияние изменения температуры обмоток и влагосодержания изоляции на осевые усилия в обмотках силовых трансформаторов // Инновационная наука. 2016. № 10-2. С. 103-114.
10. Майоров А.В., Львов М.Ю., Львов Ю.Н., Комаров В.Б., Ершов Б.Г. Обеспечение длительного срока службы силовых трансформаторов и автотрансформаторов 110 кВ и выше электрических сетей // Энергетик. 2019. № 9. С. 10-16.
10. Jing Y., Timoshkin I.V., Wilson M.P., Given M.J., Macgregor S.J., Wang T., Lehr J. Dielectric properties of natural ester, synthetic ester midel 7131 and mineral oil diala d // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2014. Т. 21. № 2. С. 644-652.
Костюков Александр Владимирович, канд. техн. наук, доцент, kav@rgups.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения
ENSURING SAFE OPERATING CONDITIONS OF POWER TRANSFORMERS
A.V. Kostyukov 353
The paper considers the issues of ensuring safe operating conditions of power transformers, analyzes the causes of failure of power transformers. The thermal modes of operation of transformers under various operating conditions and the effect of heating temperatures of the windings on insulation wear are analyzed. Organizational and technical measures to avoid electrical injuries and accidents during the operation and maintenance of power transformers are presented.
Key words: energy facilities, power transformer, thermal effects, short-circuit currents, winding insulation, transformer oil, safe operating conditions.
Kostyukov Alexander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, kav@rgups.ru, Russia, Rostov-on-don, Rostov state University of railway
