Режимы работы трансформатора

Общие сведения о старении изоляции

Продолжительное воздействие тепла, влаги, кислорода вызывает старение изоляционных материалов трансформатора, прежде всего тех, основой которых является целлюлоза (электроизоляционная бумага), а также и тех, где основой являются волокнистые текстильные материалы, пластмассы, тканевые материалы, эластомеры. Термические свойства диэлектриков, определяемые классом нагревостойкости, обусловливают срок службы трансформатора, который в зависимости от условий в процессе эксплуатации укорачивается или удлиняется. Важнейшим фактором, определяющим срок службы трансформатора, является режим работы.

Процесс старения материалов — необратимое изменение их физико-химических, механических свойств и структуры при эксплуатации и длительном хранении. Старение обусловливает изменение исходных электрических, механических и химических свойств материала. Однако степень снижения электрической прочности, вызванная процессом старения, не велика. В то же время возникающие при этом изменения механических характеристик изоляционных материалов (прочности на разрыв, числа выдерживаемых перегибов) делают трансформатор чувствительным к неизбежно возникающим при коротком замыкании перемещениям проводников, вызываемым динамическими усилиями, пропорциональными квадрату тока (чем и опасны токи КЗ).

Поэтому в трансформаторе с состарившейся изоляцией легко может возникнуть витковое замыкание. Степень снижения предела прочности изоляции при растяжении по сравнению с исходным его значением становится существенной уже после относительно непродолжительного времени старения, особенно если трансформатор работает достаточно часто и длительно с перегрузкой.

Время, по истечении которого изоляционный материал приходит в негодность, называется его сроком службы. Согласно закону Аррениуса, который показал, что константа скорости химической реакции меняется в зависимости от температуры по экспоненциальному закону, срок службы любого изоляционного материала определяется выражением.

где С — число лет эксплуатации; А и В — постоянные, устанавливаемые экспериментально для изучаемого изоляционного материала (А — безразмерная величина, В измеряется в градусах Кельвина); Т — термодинамическая температура, К.

Для диапазона температур 80… 140 °C, имеющих место при эксплуатации трансформаторов с изоляцией класса А, для определения срока ее службы справедлива формула Монтзингера:

где D — постоянная, °С^_|; р — коэффициент; О — температура изоляции, принимаемая по наиболее нагретой точке, °С.

В рекомендациях Международной электротехнической комиссии (МЭК) по нагрузочной способности значение постоянной р, необходимое для определения срока службы, не указано, так как не было согласовано из-за расхождения во мнениях по физическим свойствам изношенного изоляционного материала (по современной научной терминологии — из-за свойств самоорганизации, фрактальности, ценологических, хаоса).

Однако существует единое мнение о том, что в диапазоне температур от 80 до 140 °C каждые 6 °C прироста температуры О вызывают сокращение срока службы изоляции вдвое, т. е. ее износ удваивается (шестиградусное правило старения изоляции). Это означает, что если в диапазоне 80… 140 °C температуре О соответствует срок службы Е, то при температуре (в + 6) °С срок службы составит 0,5Е, т. е.

Откуда постоянная р, входящая в формулу Монтзингера будет равна 0,1155 °С^-1 (чаше просто /> = 0,115).

Если в качестве базовой выбрана такая температура 6_б, для которой срок службы принимается нормальным, то отношение этого срока к сроку службы, соответствующему любой другой температуре О, называемое относительным износом изоляции, обозначают через Обычно срок службы изоляции трансформатора определяют, ориентируясь на номинальную температуру в его наиболее нагретой точке, принимаемую равной 98 °C (эта температура связана с кипением воды при 100 °С). Заводы-изготовители могут указывать другую номинальную температуру в наиболее нагретой точке.

При нормальной нагрузке и максимальной температуре охлаждающей среды (среднесуточной температуре воздуха 30 °С и температуре воды у входа в охладитель 25 °С) максимально допустимые значения температуры верхних слоев масла не должны превышать:

• 95 °C в трансформаторах (и реакторах), имеющих естественное масляное или дутьевое охлаждение;
• 75 °C в трансформаторах (и реакторах), имеющих охлаждение с принудительной циркуляцией масла и воздуха (если завод-изготовитель не указывает другое значение);
• 70 °C в трансформаторах, имеющих масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла (если не указано другое значение).

Используя формулу Монтзингера (4.1), находим.

Пусть д₆ = 98 °C. Эта температура соответствует температуре наиболее нагретой точки трансформатора в_н нт при температуре охлаждающей среды 6_0С = 20 °C, превышении средней температуры обмотки ДО_0С = 65 °C, осевом перепаде температуры масла в обмотке Д0_о = 22 °C. Значения 6₆, О_{и н т}, 0_{о с}, Д6_0С, Д0_о характеризуют некоторое нормальное состояние трансформатора в котором он может находиться, т. е. эксплуатироваться. Изменения значения температуры охлаждающей среды в, на другое значение изменит срок службы трансформатора.

Таким образом, трансформатор с температурой в наиболее нагретой точке, равной 98 °C, стареет нормально. Срок службы изоляции в этом случае составит десятки лет (20 и более). Следовательно, если принять 0₆ = 98 °C, получим окончательную формулу для расчета относительного износа изоляции при неизменной температуре О:

Расчет температуры наиболее нагретой точки трансформатора упрощен и справедлив, строго говоря, только для однородной обмотки (с одинаковыми катушками и охлаждающими каналами катушек), у которой превышения средней температуры каждой катушки над температурой прилегающих слоев масла одинаковы, а температура масла изменяется вдоль высоты обмотки по линейному закону.

Фактически это не так, что очевидно из рис. 4.1, где показаны температурные переходные процессы при наборе трансформатором.

Рис. 4.1. Переходные процессы при наборе трансформатором нагрузки с 60 до 100% и температуре воздуха 6 °C с dT₂Jjdt = -0,0015 °С/с:

1 — изменение температуры масла в верхней части бака; 2 — изменение задаваемого уровня температуры на выходе адаптивного задатчика интенсивности Г_2мд; 3 — изменение температуры наиболее нагретой точки; 4 — изменение перепада температуры по баку; 5— изменение расхода воздуха на охладитель; 6 — отводимая от трансформатора мощность на одну фазу нагрузки с 60 до 100% (который может происходить, например, при аварийных режимах).

Если при неизменной нагрузке в течение времени / температура охлаждающей среды $_{о с} резко изменяется, то температура наиболее нагретой точки О_{н н т} также изменяется, хотя и с некоторым запаздыванием, обусловленным тепловой постоянной времени трансформатора. В таких случаях при определении О_н «_т необходимо исходить из эквивалентной температуры охлаждающей среды О_э (а не из среднеарифметической), взятой за некоторый промежуток времени.

Эквивалентная температура охлаждающей среды определяется исходя из следующих допущений:

срок службы трансформатора зависит только от температуры наиболее нагретой точки д_н нт;

изменение температуры охлаждающей среды влияет на изменение температуры наиболее нагретой точки таким же образом, как изменение нагрузки;

прирост температуры охлаждающей среды на 6 °C уменьшает срок службы изоляции вдвое, т. е. в такой же степени, как при возрастании температуры на 6 °C из-за увеличения нагрузки.

При правильно организованной эксплуатации следует вести учет эквивалентной нагрузки трансформатора и эквивалентной температуры охлаждающего воздуха. Последняя для рассматриваемого.

Рис. 4.2. Зависимость эквивалентной температуры 0_Э от средней годовой температуры воздуха О_{с г}:

1 — летней; 2 — годовой; 3 — зимней Рис. 4.3. Зависимость эквивалентных месячных температур 0_ЭМ от средней годовой температуры воздуха 0_СГ: I… XII — месяцы года.

Рис. 4.4. Зависимость эквивалентных месячных температур 0_ЭМ от средней месячной температуры воздуха Ъ_см

периода набора нагрузки определяется по средней годовой температуре воздуха для данной местности 0_СГ по рис. 4.2 …4.4. Данные по средней годовой температуре воздуха приводятся в соответствующих метеорологических справочниках.