IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

В России темпы роста единичной мощности установок неуклонно возрастают. Причины этого роста связаны с ускорением технического прогресса. В то же время, уровень напряжения линий электропередач и мощность больших трансформаторов определяют не относительно малая энергосистема нашей страны, а объединенная энергосистема стран СЭВ, участвующих в международной кооперации.

На электрических станциях и подстанциях устанавливаются повышающие и понижающие трансформаторы для питания потребителей и для связи с энергосистемой. Ввиду того что в сетях энергосистем существует несколько ступеней трансформации, число трансформаторов и их мощность в несколько раз превосходят число и установленную мощность генераторов.

За последние десять лет единичная мощность трансформаторов, установленных в отечественном энергетическом хозяйстве, возросла от 60 до 300 МВ•А, а напряжение со 120 до 400 кВ [1]. По истечении 5-10 лет можно ожидать достижение мощности 1000 МВ•А и уровня напряжения 750 кВ (таблица 1).

Силовые трансформаторы малой мощностипредставляют собой распределительные трансформаторы от 5 до 40 МВ А с максимальным рабочим напряжением 145 кВ. Как правило, для силовых трансформаторов малой мощностииспользуется охлаждение типа ONAN (с естественным масляным и естественным воздушным охлаждением) или ONAF (с естественным масляным и принудительным воздушным охлаждением).

Таблица 1 - Мощность трансформаторов, установленных в отечественном энергетическом хозяйстве

Номинальная мощность, кВ•А	Высшее напряжение, кВ не более	Доля трансформаторов в общем парке, %			Средняя мощность, кВ • А
		от общего количества	по мощности
1800 и ниже	10	95,0	35,0	340
2500—7500	110	4,1	23,0	4900
10 000—90 000	330	0,8	27,0	25 000
Свыше 90 000	500	0,1	15,0	100 000

Силовые трансформаторы средней мощностив диапазоне мощности от 40 до 250 МВ А и напряжением свыше 72,5 кВ широко используются для повышения мощности на наземных и морских ветряных электростанциях и могут быть установлены даже на подстанциях, расположенных в море.

Силовые трансформаторы большой мощностив диапазоне мощности выше 200 МВ. Эти решения остаются целесообразными даже в диапазоне свыше 1000 МВ А и при напряжениях до 765 кВ (800 кВ).

С увеличением нагрузки растут потери в обмотках трансформатора, таким образом, в зависимости от мощности трансформатора изменяется температурный режим его работы:

- у распределительных трансформаторов учитываются только температура наиболее нагретой точки и термический износ;

- у трансформаторов средней мощности воздействия потока рассеяния не являются критическими, однако должны учитываться различные виды охлаждения;

- у трансформаторов большой мощности воздействия потока рассеяния и последствия отказа могут быть значительными.

Наибольшая допустимая длительная нагрузка трансформатора зависит от номинальной мощности, температуры охлаждающей среды и от старения изоляционных материалов. Наибольшая допустимая кратковременная нагрузка и ее длительность, кроме указанных выше факторов, зависят также от конструктивных особенностей трансформатора, его тепловой постоянной времени и предшествующей нагрузки.

Допустимые превышения температуры активных частей трансформатора по сравнению с температурой охлаждающей среды во многом определяются внутреннем устройством, размерами, стоимостью, нагрузочной способностью и режимами эксплуатации трансформатора (таблица 2).

Наибольшая допустимая температура охлаждающей среды V_ОС для воздуха + 40⁰C, для воды +25⁰C. Допустимые превышения температуры частей трансформатора установлены одинаковыми независимо от того, является ли охлаждающей средой воздух или вода. В результате, когда охлаждающей средой является вода, средняя температура обмотки оказывается на 15⁰C ниже, чем когда охлаждающей средой является воздух.

Под температурой наиболее нагретой точки обмотки V_С подразумевается температура наиболее нагретого внутреннего слоя верхней катушки. В общем случае место расположения наиболее нагретой точки зависит от конструкции обмоток и распределения температуры масла в обмотке вдоль ее высоты и не всегда совпадает с верхней катушкой обмотки, в большинстве случаев это первая или вторая точка от верха катушка обмотки.

Температура наиболее нагретой точки обмотки в большинстве случаев стандартами на трансформатор не нормируется. Согласно стандарта [2], превышение средней температуры обмотки над температурой охлаждающей среды ΔV_ОС, определяемое по изменению сопротивления обмотки, не должно быть больше 65⁰С. Наибольшее превышение температуры масла в баке (под крышкой бака трансформатора) над температурой охлаждающей среды ΔV_ОС не должно быть больше 60⁰С.

В рекомендациях МЭК износ изоляции, определяемый температурой и ее длительностью действия, отнесен к температуре 98⁰С, которая обычно имеет место при длительной номинальной нагрузке и температуре охлаждающего воздуха 20⁰С.

Таблица 2 - Предельные значения температуры и тока для режимов нагрузки, трансформаторов

Тип нагрузки	Трансформаторы
	Распределительные	Средней мощности	Большой мощности
Режим систематических нагрузок
Ток, отн. ед.	1,5	1,5	1,3
Температура наиболее нагретой точки и металлических частей, соприкасающихся с изоляционным материалом, °С	140	140	120
Температура масла в верхних слоях, °С	105	105	105
Режим продолжительных аварийных перегрузок
Ток, отн. ед.	1,8	1,5	1,3
Температура наиболее нагретой точки и металлических частей, соприкасающихся с изоляционным материалом, °С	150	140	130
Температура масла в верхних слоях, °С	115	115	115

Осуществление контроля за соответствием температуры наиболее нагретой точки для трансформатора затруднительно, метод расчета температуры наиболее нагретой точки обмотки стандартом на трансформаторы не рекомендован. В то же время даже средняя температура верхней катушки обмотки трансформатора, удовлетворяющего по нормам нагрева стандарту, может быть более 115⁰С и температура наиболее нагретой точки еще выше на несколько градусов.

Согласно рекомендациям [3] допускаются: при кратковременных нагрузках – температура наиболее на гретой точки обмотки 140°С; при коротком замыкании – средняя температура обмоток из меди 250°С и обмоток из алюминия 200°С.

Для того чтобы найти среднюю температуру верхней катушки при коротком замыкании, необходимо к 250 или 200°С прибавить половину осевого перепада температуры масла в обмотке. С учетом этого средняя температура верхней катушки может достигать при коротком замыкании 260 и 210°С соответственно для обмоток из меди и алюминия.

Температура масла, поступившего в обмотку внизу, увеличивается приблизительно пропорционально пройденному пути вдоль обмотки. Превышение средней температуры масла в обмотке при естественной циркуляции определяется как разность превышения наибольшей температуры масла в баке и половины осевого перепада температуры масла в обмотке, поскольку наибольшая температура масла в баке практически равна температуре масла, выходящего из обмотки.

Для трансформаторов с принудительной циркуляцией масла превышение средней температуры масла в обмотке определяется на основании измерений превышения температуры и расчетов, исходя из данных измерений, полученных при определении превышения средней температуры обмотки в процессе остывания.

Превышение средней температуры масла в теплообменнике ΔV_мk, подразумевается логарифмическая разность температур охлаждаемого масла и охлаждающего воздуха. Логарифмическая разность температур определяется двумя составляющими: перепадом температуры со стороны воздуха и перепадом температуры со стороны масла. Перепадом температуры по толщине стенки теплообменника пренебрегают. При заданном способе охлаждения потери, которые необходимо отвести, и логарифмическая разность температур полностью определяют размеры теплообменника.

Если к температуре охлаждающей среды прибавить превышение средней температуры циркулирующего в теплообменнике воздуха и превышение средней температуры масла в теплообменнике (логарифмическую разность температур), то получим среднюю температуру масла в теплообменнике. При естественной циркуляции масла эта величина ненамного отличается от средней температуры масла в обмотке. В случае принудительной циркуляции масла из-за имеющего место перемешивания масла средняя температура масла в обмотке выше, чем средняя температура масла в охладителе.

Разность превышений средних температур обмотки и масла в обмотке определяется путем вычитания превышения средней температуры масла в обмотке из превышения средней температуры обмотки. Эта температурная ступень имеет две составляющие: перепад температуры по толщине изоляции проводника и перепад температуры между поверхностью изоляции обмотки и окружающим обмотку маслом.

Теплотехнический расчет обмотки трансформатора начинается с определения этой разности превышений температур, которая называется превышением средней температуры обмотки над средней температурой масла в обмотке. Если эту разность превышений температуры вычесть из нормированного превышения средней температуры обмотки над температурой охлаждающего воздуха, то в случае естественной циркуляции масла получим сумму превышения средней температуры охлаждающего воздуха в радиаторе и логарифмической разности температур охлаждаемого масла и охлаждающего воздуха в радиаторе.

Список использованных источников

1 Энергетика за рубежом «Трансформаторы» //Под. ред. С.И. Рабиновича. Вып. 3. М.: Госэнергоиздат, 1980.

2 ГОСТ IEC 60044-1-2013: Трансформаторы измерительные. Часть 1. М.: Стандартинформ, 2014. 46.с.

3 ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия(с Изменениями № 1, 2, 3, 4). М.: Стандартинформ, 1985. 12.с

Код для цитирования: Скопировать