X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Продолжительное воздействие тепла, влаги, кислорода вызывает изменения свойств - старение изоляционных материалов трансформатора. Процесс старения связан с изменением исходных электрических, механических и химических свойств материала. Степень снижения электрической прочности, вызванная процессом старения, не велика. Однако возникающие изменения механических характеристик изоляционных материалов (прочности на разрыв, числа выдерживаемых перегибов) делают трансформатор чувствительным к возникающим при коротком замыкании перемещениям проводников, и в трансформаторе с состарившейся изоляцией легко может возникнуть витковое замыкание. Степень снижения предела прочности при растяжении по сравнению с исходным его значением является существенной уже после относительно непродолжительного времени старения [1, 2].

Результаты исследований показали, что у изоляционных материалов однозначно определяемой опасной температурной границы нет, а существует только экспоненциальная зависимость между степенью старения, температурой и длительностью ее действия. Существует единое мнение о том, что в диапазоне температур от 80 до 140°С каждые 6°С прироста температуры ϑ вызывают сокращение срока службы изоляции вдвое, т. е. износ удваивается. Продолжительность эксплуатации при постоянной температуре наиболее нагретой точки приводит к сокращению срока службы на одни сутки.

Нагрузка трансформаторов, кроме работающих в блоке с генератором, в течение суток и года колеблется между некоторыми минимальным и максимальным значениями. Для того чтобы при повышенной нагрузке не возникла необходимость в ограничении нагрузки или вводе резервных единиц, учитывается тепловая инерционность трансформатора, а также зависимость между износом изоляции и температурой.

Трансформаторы с принудительной циркуляцией охлаждающей среды имеют автоматическое устройство для управления работой системы охлаждения, с помощью которого используется тепловая инерция трансформатора или в зависимости от нагрузки увеличивается или уменьшается теплосъем системы охлаждения.

При нагрузках, превышающих номинальную, перегружаются не только обмотки, но и вводы, устройства переключения ответвлений обмоток без возбуждения (ПБВ) и под нагрузкой (РПН). Обычно работа устройств РПН выше определенной предельно допустимой нагрузки блокируется.

В периоды максимальных нагрузок, если они превышают номинальную, целесообразно включение резервных охладителей для снижения эксплуатационного риска при таком режиме работы.

В схеме охлаждения (рис. 1) маслу, вошедшему в нижнюю часть обмотки в точке А, при прохождении по пути А - В вдоль обмотки передается в единицу времени количество теплоты Q. Это переданное с поверхности обмотки количество теплоты при средней теплоемкости масла с и массовом расходе масла G повысит температуру масла на ∆Т_V. Тогда согласно уравнению теплового баланса

Q=Gc ∆Т_V . (1)

Так как плотность масла с повышением температуры уменьшается

ρ =ρ₀ /(1+βТ) ~ ρ₀ (1 - βТ) , (2)

то нагретое масло поднимается вверх и на освобождаемое место снизу поступает холодное масло. Нагретое масло в точке С входит в радиатор, где в единицу времени отдается окружающей среде количество теплоты Q. В результате масло охлаждается, его плотность возрастает и в точке D оно выходит из радиатора. Охлажденное масло в точке А вновь поступает в обмотку и процесс повторяется.

 

В

 

Рисунок 1 - схема процесса естественной циркуляции масла:

б – диаграмма распределения температуры масла T в контуре циркуляции в системе координат T-H; в - диаграмма распределения удельного веса масла gρ в контуре циркуляции, в системе координат gρ - H

Если для масла известна зависимость плотности от температуры

ρ =f(T) (3)

то процесс нагревания и охлаждения масла может быть изображен в виде зависимости

gρ =f(H) ,

где gρ - удельный вес масла (рис. 1, в), в установившемся режиме на различных высотах замкнутого контура охлаждения температура будет разная, соответственно будет меняться и плотность масла, - замкнутая кривая, или диаграмма распределения удельного веса масла в контуре циркуляции или петля давления. Данный процесс аналогичен процессу гравитационного водяного отопления.

Площадь, охваченная кривой ABCDA, пропорциональна поддерживающей циркуляцию подъемной силе, т.е, гравитационному давлению, действующему в контуре циркуляции и обусловленному разностью холодного и нагретого масла. Кругооборот потока масла с расходом G обеспечивается за счет гравитационного давления

∆Р = , (4)

которое уравновешивает возникающее при циркуляции масла гидравлическое сопротивление. Если пренебречь зависимостью удельной теплоемкости от температуры, то при отводе одного и того же количества теплоты в единицу времени произведение G∆Т_V должно сохраняться постоянным (уравнение 1).

В трансформаторах стремятся осевой перепад температуры ∆Т_V масла в активной части, сделать минимальным для того, чтобы нормированное стандартами наибольшее превышение температуры масла было ненамного больше превышения средней температуры масла в радиаторе ∆Т_cp и чтобы соответственно можно было увеличить логарифмическую разность температур ∆Т_lg в радиаторе, существенно влияющую на его массу и стоимость. Малое значение ∆Т_V можно получить, если увеличить G. Для увеличения G необходимо снизить гидравлическое сопротивление контура циркуляции или увеличить ∆P.

Значение ∆P определяется из петли давления по уравнению

∆P = g ρ_k β_k ,(5)

где ρ_kβ_k, кг/(м³ с) - изменение плотности масла, вызванное изменением температуры на 1⁰С и отнесенное к средней температуре масла ∆Т_k.

Упрощенная температурная петля (рис. 1,б) имеет участок A-B, соответствующей обмотке высотой H_t где масло нагревается, участок C-D - радиатор высотой H_r (расстояние между осями присоединительных патрубков), где масло охлаждается. Принято, что на участке А-В температура изменяется по линейному закону, и удельная теплоемкость масла также остается постоянной.

Характерной точкой участка А-В является точка Е, называемая центром нагрева, которая соответствует середине высоты обмотки и в которой циркулирующее в обмотке масло имеет превышение температуры, равное превышению средней температуры масла над температурой воздуха ∆Т_cp Форма кривой участка С-D соответствует конденсаторному распределению температуры, т. е. такому температурному распределению, которое возникает в том случае, когда теплоемкость одной из участвующих в теплообмене сред, в данном случае воздуха, принимается равной бесконечности. Характерной точкой этом кривой является точка F, называемая центром охлаждения, в которой температура масла отличается от температуры воздуха в радиаторе, принимаемой постоянной во всем радиаторе и равной , на логарифмическую разность температур ∆Т_lg

Точка F: находится выше середины высоты радиаторов на размер H₂. Расстояние между серединами высот обмотки и радиатора H₁, тогда площадь температурной петли (рис. 1,б) равна

T~ (H₁ + H₂) ∆Т₀ (6)

При конденсационном распределении температуры площадь петли CDGC равна площади прямоугольника, имеющего основание ∆Т₀ и высоту 0,5(H_r - H₂) , гравитационное давление равно

∆P = gρ_kβ_kT (7)

В расчетах из заданного в стандарте превышения средней температуры обмотки над температурой охлаждающей среды вычитают величину ∆T₀. Полученный результат равен превышению средней температуры масла в обмотке над температурой охлаждающей среды.

Определяют размеры бака и потери теплоты, выбирают теплообменник трансформатора. Исходя из выбранного значения осевого перепада температуры масла в обмотке, определяют для наиболее нагретой обмотки массовый расход масла.

Часть трансформируемой электроэнергии все же теряется, выделяясь в окружающую среду в виде теплоты. Данные потери в зависимости от мощности и нагрузки трансформатора могут достигать сотен киловатт, которые можно полезно использовать в целях теплоснабжения помещений, эксплуатируемых персоналом подстанции либо для обеспечения нужд горячего водоснабжения (рис. 2) с использованием теплового насоса (ТН).

Рисунок 2 - Принципиальная схема установки утилизации тепла трансформатора: 1 – тепловой насос; 2 – теплообменник; 3 – компрессор; 4 – система отопления здания; 5, 9 – циркуляционный насос; 6 – автотрансформатор; 7 – шкаф управления; 8 – дроссель; 10 – резервные котлы

Нагретое масло из верхней части бака трансформатора масляным насосом подается в теплообменник «масло - вода», где отдает теплоту другому теплоносителю, который циркулирует в промежуточном контуре между тепловым насосом и теплообменником «масло-вода». В испарителе ТН теплоноситель отдает теплоту фреоновому контуру. Фреон, при поступлении теплоты начинает кипеть. После сжатия компрессором и конденсации в конденсаторе ТН температура фреона повышается, и его теплота передается воде, подаваемой потребителям [4, 5, 6 ].

При температуре масла 20…30 °С температура воды достигает значений 55-65 °С, такую схему применяют на подстанциях 110-400 кВ.

Применение в схеме теплового насоса позволяет:

повысить надежность трансформатора за счет разделения масляного контура и контура теплоносителя и, кроме того, не допустить перегрева изоляции трансформаторов;

расширить диапазон использования теплоты трансформатора, увеличить температуру нагреваемой воды и дальность транспорта теплоты;

использовать систему отбора не только для отопления, но и для горячего водоснабжения.

Рациональное использование теплоты, обусловленного потерями силовых трансформаторов, для покрытия тепловых нагрузок является одним из возможных путей экономии электроэнергии на собственные нужды подстанций. Экономический эффект при этом достигается за счет снижениядоли электроэнергии используемой на покрытие тепловых нагрузок (а в ряде случаев также на охлаждение и обдув трансформаторов) в общем объеме электроэнергии расходуемой на собственные нужды подстанции.

Для решения вопроса о технико-экономической целесообразности снижения потерь и возможных размерах такого снижения необходимо принимать во внимание такие факторы как удаленность подстанции от источников централизованного теплоснабжения, соизмеримость потерь тепла трансформаторов с его потребностью и т.д., а также на конкретные условия производства и передачи электроэнергии, сложившиеся в рассматриваемом регионе.

Список использованных источников

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

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

3 Энергетическая стратегия России на период до 2035 года [Электронный ресурс]. Режим доступа: http: //ac. gov.ru/files/content/1578/11-02-14-energostrategy-2035-pdf.pdf -

4 Трубаев П. А. Тепловые насосы : учеб.пособие / П. А. Трубаев, Б. М. Гришко. - Белгород : Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. - 142 с.

5 Салова Т.Ю., Громова Н.Ю., Громова Е.А. Термические методы переработки органических отходов. Источники возобновляемой энергии //Монография. СПб.: СПбГАУ, 2016 С.224.

6 Салова Т.Ю., Громова Н.Ю., Громова Е.А.Методология рационального использования природных ресурсов //Международный журнал экспериментального образования.-2017, № 3-1, с. 55-57.

Код для цитирования: Скопировать