Режимы работы трансформаторов, перегрузки

Одной из главных задач эксплуатации трансформаторов является контроль режима их работы. Этот контроль осуществляется путем проверки нагрузки трансформатора, напряжения на обмотках, температуры масла и других параметров. На подстанциях с постоянным дежурством персонала контроль осуществляется с периодичностью 1…2 часа с фиксированием параметров режима в суточной ведомости.

На подстанциях без постоянного дежурства персонала контроль режима трансформаторов осуществляется при каждом посещении подстанции оперативным персоналом, но не реже 1 раза в месяц.

Силовые трансформаторы могут работать в различных режимах, характеризуемых нагрузкой, напряжением, условиями окружающей среды и другими факторами.

Номинальным режимом трансформатора называется режим его работы при номинальном напряжении, номинальной нагрузке и температуре охлаждающей среды (воздуха) +20оС.

Из приведенного определения видно, что длительный номинальный режим является идеализированным (практически недостижимым) режимом. Однако считается, что в таком режиме трансформатор способен проработать установленный заводом-изготовителем срок службы.

Нормальным называется режим работы трансформатора, при котором его параметры отклоняются от номинальных в пределах, допустимых стандартами, техническими условиями и другими нормативными документами.

При нагрузке, не превышающей номинальную, допускается продолжительная работа трансформатора при повышении напряженияна любом ответвлении любой обмотки на 10% сверх номинального напряжения данного ответвления. При этом напряжение на любой обмотке не должно быть выше наибольшего рабочего напряжения Uраб max, определяемого надежностью работы изоляциии и нормируемого ГОСТ 721-77 в следующих пределах от номинального напряжения электрической сети U ном:

 

U ном = 6, 10 кВ U раб max= 1,2 U ном, U ном = 35, 110 кВ U раб max= 1,15 U ном, U ном = 220 кВ U раб max= 1,1 U ном.

 

Допускается режим параллельной работытрансформаторов при условии, что ни один из них не будет перегружен. Для этого должны выполняться следующие условия:

группы соединений обмоток трансформаторов должны быть одинаковыми;

соотношение мощностей трансформаторов не более 1:3;

отличие коэффициентов трансформации не более чем на 0,5%;

отличие напряжений короткого замыкания не более чем на 10%;

произведена фазировка трансформаторов.

При параллельной работе трансформаторов и переменном графике их суммарной нагрузки возможна оптимизация количества работающих трансформаторов в течение суток. Критерий оптимальности – минимум потерь активной мощности.

Потери активной мощности в одном трансформаторе при его нагрузке, равной S, составляют

 

(2.50)

где S ном, ∆ Р х и ∆ Р к – паспортные данные трансформатора: номинальная мощность, потери холостого хода и потери короткого замыкания (нагрузочные потери).

(2.51)

Потери активной мощности в n

параллельно работающих трансформаторах при их суммарной нагрузке, равной S, составляют

Из (2.50) и (2.51) видно, что при увеличении (с 1 до n) количества трансформаторов, работающих на одну и ту же нагрузку S, потери холостого хода увеличиваются в n раз, а нагрузочные потери уменьшаются в n раз.

Построим зависимости потерь мощности ∆ Р от нагрузки S для одного (n =1) и двух (n =2) трансформаторов (рис. 2.17). Видно, что при нагрузке S = S 12 потери мощности в одном и двух трансформаторах равны. При нагрузке S < S 12 целесообразно оставить в работе один трансформатор, а при нагрузке S > S 12 – два трансформатора.

Рис.2.17. Зависимости потерь мощности в параллельно работающих

трансформаторах от нагрузки

 

Величина граничной мощности S 12 или в общем случае граничной мощности S n(n+1) может быть вычислена после приравнивания выражений для потерь мощности в n и (n+ 1) трансформаторах:

 

(2.52)

Мощность S, выраженная из (9.3), и будет граничной мощностью

 

(2.53)

При нагрузке S < S n(n+1) целесообразно оставить в работе n

трансформаторов, а при нагрузке S > S n(n+1) – (n+1) трансформаторов.

Режим регулирования напряжения. Устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) должны работать, как правило, в автоматическом режиме. Допускается дистанционное переключение РПН с пульта управления. На трансформаторах с переключением без возбуждения (ПБВ) правильность выбора коэффициента трансформации должна проверяться два раза в год – перед зимним максимумом и летним минимумом нагрузки.

Аварийные режимы. При отключении трансформатора защитой, не связанной с его внутренними повреждениями, например, максимальной токовой защитой, трансформатор может быть вновь включен в работу.

При отключении трансформатора защитами от внутренних повреждений (газовой, дифференциальной) этот трансформатор включается в работу только после осмотра, испытаний, анализа масла, анализа газа из газового реле и устранения выявленных дефектов.

При срабатывании газового реле на сигнал производится наружный осмотр трансформатора и отбор газа из газового реле для анализа. Если газ в реле негорючий, при наружном осмотре признаки повреждения не обнаружены, а отключение трансформатора вызовает недоотпуск электроэнергии, трансформатор может быть оставлен в работе до выяснения причин срабатывания газового реле на сигнал. После выяснения этих причин оценивается возможность дальнейшей нормальной эксплуатации трансформатора.

Аварийный вывод трансформатора из работы осуществляется:

при сильном и неравномерном шуме или потрескиваниях внутри бака трансформаторы;ненормальном и постоянно возрастающем нагреве трансформатора при нагрузке, не превышающей номинальную, и нормальной работе устройств охлаждения;выбросе масла из расширителя или разрыве диафрагмы выхлопной трубы;течи масла или уменьшении уровня масла ниже уровня масломерного стекла в расширителе.

Режим перегрузки трансформаторов. Наиболее подверженным процессу старения элементом трансформатора является целлюлозная изоляция обмоток, фактически определяющая ресурс (срок службы) трансформатора. Основным фактором, влияющим на старение изоляции, является ее нагрев, обуславливающий термический износ изоляции. Существует так называемое 6-градусное правило: увеличение температуры изоляции на 6 градусов сокращает срок ее службы вдвое. Это правило справедливо в диапазоне температур 80…140оС.

Наиболее интенсивный нагрев изоляции обмоток происходит при перегрузке трансформаторов. Поэтому режиму перегрузки трансформаторов уделим особое внимание.

Перегрузки, обусловленные неравномерным суточным графиком нагрузки трансформатора, называются систематическими. Перегрузки, обусловленные аварийным отключением какого-либо элемента системы электроснабжения, называются аварийными перегрузками.

Допустимость систематических и аварийных перегрузок трансформаторов при их эксплуатации регламентируется Руководством

по нагрузке силовых масляных трансформаторов (ГОСТ 14209-97). Здесь учитываются система охлаждения трансформатора, температура охлаждающей среды, график нагрузки трансформатора и другие факторы.

С целью ознакомления с основными положениями ГОСТ 14209-97 рассмотрим сначала режим работы трансформатора при неизменной нагрузке S. Источником нагрева в трансформаторе является его активная часть. Масло нагревается от обмоток, его объем увеличивается, а плотность уменьшается. Нагретое масло поднимается в верхнюю часть бака и вытесняется в радиаторы системы охлаждения трансформатора (рис. 2.18, а). Проходя через радиаторы, масло остывает и поступает в нижнюю часть бака. Так происходит естественная циркуляция масла.

На тепловой диаграмме трансформатора (рис. 2.18, б) температура охлаждающего воздуха Θа принята неизменной (вертикальная прямая 1). Температура масла и температура витков обмотки увеличиваются практически линейно по высоте обмотки. Превышение температуры масла над температурой воздуха (прямая 2) в верхней части обмотки достигает величины ∆Θоа.

В силу дополнительных потерь в верхней части обмотки будет

находиться наиболее нагретая точка обмотки h. Превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла (зависимость 3) в верхней части обмотки достигает величины ∆Θho.

 

а) б)

Рис. 2.18. Естественная циркуляция масла в трансформаторе (а) и тепловая диаграмма трансформатора (б)

Допустимость работы трансформатора в режиме перегрузки оценивается сопоставлением температуры масла в верхней части обмотки Θо и температуры наиболее нагретой точки обмотки Θhс их предельными значениями. Эти предельные значения для распределительных трансформаторов (мощность до 2,5 МВ. А и напряжение до 35 кВ) и трансформаторов средней мощности (до 100 МВ. А) приведены в табл.2.8. Здесь же указаны предельные перегрузки трансформаторов, обуславливающие предельные температуры Θо maxи Θhmaxпри температуре воздуха Θа=20оС.

Предельные значения для распределительных трансформаторов. Таблица 2.8

Режим работы	Распределительный	Средней мощности
Режим систематических перегрузок: предельная перегрузка, о.е. предельная температура наиболее нагретой точки обмотки, Θh max, оС	1,5	1,5
предельная температура масла в верхних слоях, Θо max, оС
Режим продолжительных аварийных перегрузок: предельная перегрузка, о.е. предельная температура наиболее нагретой точки обмотки, Θh max, оС	1,8	1,5
предельная температура масла в верхних слоях, Θо max, оС

 

Действительная температура воздуха изменяется в течение суток, сезона, года. При одной и той же нагрузке трансформатора увеличение температуры воздуха вызовет увеличение температуры масла и обмотки. Таким образом, термический износ изоляции определяется как нагрузкой трансформатора, так и температурой окружающего воздуха.

При инженерных расчетах режимов перегрузки трансформаторов используется эквивалентная температура воздуха. Это условно постоянная температура, которая в течение рассматриваемого периода времени вызывает такой же износ изоляции, как и действительная изменяющаяся температура за тот же период времени.

Для разных районов страны эквивалентные сезонные и годовые температуры рассчитаны и приведены в [8]. Значения эквивалентных годовых, зимних и летних температур для некоторых населенных пунктов Северо-Западного региона приведены в табл.2.9.

Значения эквивалентных годовых температур Таблица 2.9

Населенный пункт	Эквивалентная температура воздуха Θa, оС
		годовая	зимняя	летняя
	Архангельск	5,8	-11,4	14,0
	Вологда	7,4	-10,8	15,5
	Воркута	0,5	-19,4	9,4
	Калининград	9,9	-2,4	16,5
	Кандалакша	4,5	-10,6	12,5
	Кировск	2,9	-11,3	10,9
	Мурманск	3,4	-9,5	10,7
	Нарьян-Мар	2,0	-15,7	10,3
	Новгород	8,3	-7,6	16,0
	Петрозаводск	7,1	-8,8	15,1
	Псков	8,8	-6,5	16,3
	Санкт-Петербург	8,6	-6,8	16,4
	Сыктывкар	6,5	-14,1	15,0
	Череповец	7,7	-10,2	15,8