10. Понятие о режимах работы и допустимых нагрузках трансформаторов

Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов

При выборе трансформаторов кроме их паспортных данных должны быть учтены возможные в эксплуатации кратковременные и длительные перегрузки. При проверке допустимости нагрузок и перегрузок трансформаторов применяют следующие определения [11].

Распределительный трансформатор - трехфазный трансформатор номинальной мощностью не более 2500 кВА или однофазный номинальной мощностью не более 833 кВА классов напряжения до 35 кВ включительно, то есть понижающий трансформатор с охлаждением ON и без переключения ответвлений обмоток под нагрузкой.

Трансформатор средней мощности - трехфазный трансформатор номинальной мощностью не более 100 МВА или однофазный номинальной мощностью не более 33,3 МВА

Нагрузка трансформаторов непрерывно меняется в течение суток. При этом часть суток нагрузка трансформатора может быть меньше номинальной, температура наиболее нагретой точки обмотки при этом будет меньше длительно допустимой и трансформатор будет недоиспользоваться по нагреву. Оптимальным для трансформатора должен быть такой режим, при котором износ его изоляции был бы близок к проектному.

Сроком проектного или естественного износа трансформатора, работающего в номинальном режиме, считается примерно 20 лет. Больший срок считается нецелесообразным с точки зрения морального его износа. Этот срок определяется старением изоляции. Для нормального суточного износа изоляции трансформатора с видом охлаждения М температура наиболее нагретой точки обмотки (наиболее нагретого внутреннего слоя обмотки) в длительном режиме не должна превышать 98^О С. Если температуру увеличить на 6^ОС, срок службы изоляции сократится почти вдвое (правило 6 градусов).

Для того чтобы фактический срок службы был ближе к естественному, трансформатор должен быть нагружен в соответствии с так называемой нагрузочной способностью. Под нагрузочной способностью трансформатора понимают такую совокупность нагрузок и перегрузок, при которых износ изоляции обмоток за время цикла не превосходит износа, соответствующего номинальному режиму работы.

Рассмотрим возможные режимы работы по ГОСТ 14209.

Режим циклических нагрузок

Режим нагрузки с циклическими изменениями (обычно цикл равен суткам), который определяют с учетом среднего значения износа за продолжительность цикла. Режим циклических нагрузок может быть режимом систематических нагрузок или режимом продолжительных аварийных перегрузок.

Режим систематических нагрузок - режим, в течение части цикла которого температура охлаждающей среды может быть более высокой и ток нагрузки превышает номинальный, однако с точки зрения термического износа такая нагрузка эквивалентна номинальной нагрузке при номинальной температуре охлаждающей среды. Это достигается за счет понижения температуры охлаждающей среды или тока нагрузки в течение остальной части цикла. Нагрузка (перегрузка) трансформатора, которая допускается его нагрузочной способностью и которая за продолжительность цикла графика нагрузки не вызывает сокращения нормируемого срока службы трансформатора (за счет пониженного износа в часы пониженной нагрузки) называется систематической. Режим, в течение части цикла которого температура охлаждающей среды может быть более высокой и ток нагрузки превышает номинальный, однако с точки зрения термического износа такая нагрузка за время цикла (сутки) эквивалентна номинальной нагрузке, называют режимом систематических нагрузок.

При планировании нагрузок этот принцип может быть распространен на длительные периоды, в течение которых циклы со скоростью относительного износа изоляции более единицы компенсируются циклами со скоростью износа менее единицы.

Режим продолжительных аварийных перегрузок - режим нагрузки, возникающий в результате продолжительного выхода из строя некоторых элементов сети, которые могут быть восстановлены только после достижения постоянного значения превышения температуры трансформатора. Допустимая продолжительность такой нагрузки больше тепловой постоянной времени трансформатора. Предполагается, что такой режим будет возникать редко, однако может длиться в течение недель или даже месяцев и вызывать значительный термический износ. Тем не менее, такая нагрузка не должна быть причиной аварии вследствие термического повреждения или снижения электрической прочности изоляции трансформатора.

Режим кратковременных аварийных перегрузок - режим чрезвычайно высокой нагрузки, вызванный непредвиденными воздействиями, которые приводят к значительным нарушениям нормальной работы сети. При этом температура наиболее нагретой точки проводников достигает опасных значений и в некоторых случаях происходит временное снижение электрической прочности изоляции. Допустимая продолжительность такой нагрузки меньше тепловой постоянной времени трансформатора и зависит от достигнутой температуры до перегрузки; обычно продолжительность перегрузки составляет менее получаса. Их необходимо по возможности быстрее снизить или на короткое время отключить трансформатор во избежание его повреждения.

В ПУЭ [1] введены определения двух длительных режимов потребителя: нормального и послеаварийного. Нормальный режим потребителя электрической энергии – это режим, при котором обеспечиваются заданные значения параметров его работы. Послеаварийный режим – это режим, в котором находится потребитель электрической энергии в результате нарушения в системе его электроснабжения до установления нормального режима после ликвидации отказа. Если послеаварийный режим потребителя обусловлен выходом из строя одного из трансформаторов, то его продолжительность будет определяться временем ремонта или замены поврежденного трансформатора.

Проведем параллель между режимами потребителя и режимами нагрузок трансформатора.

Режим систематических нагрузок трансформатора возникает в нормальном режиме схемы электроснабжения потребителя при условии, что в какие-то интервалы времени суток ток нагрузки трансформатора превышает номинальный.

Режим продолжительных аварийных перегрузок трансформатора возникает в послеаварийном режиме системы электроснабжения потребителя, когда один из трансформаторов находится в ремонте, а второй воспринял на себя его нагрузку, при условии, что температура наиболее нагретой части обмотки и температура масла превысили нормально допустимые значения, но остаются меньше предельно допустимых значений. При этом нет опасности термического повреждения или снижения электрической прочности изоляции трансформатора, но имеет место повышенный термический износ трансформатора. Поэтому величина и длительность продолжительных аварийных перегрузок трансформатора в послеаварийном режиме потребителя должны быть ограничены, например, за счет разгрузки трансформатора путем отключения части электроприемников на все время ремонта или только в часы суточного максимума нагрузки трансформатора. Таким образом, в общем случае режим продолжительных аварийных перегрузок трансформатора возникает в послеаварийном режиме системы электроснабжения потребителя после разгрузки трансформатора путем отключения части электроприемников.

Режим кратковременных аварийных перегрузок возникает вследствие увеличения мощности нагрузки трансформатора вследствие срабатывания АВР при аварийном отключении одного из трансформаторов в интервале времени от срабатывания АВР до разгрузки трансформатора при условии, что температура наиболее нагретой части обмотки или температура масла превысили предельно допустимые значения. В режиме реального времени режим кратковременных аварийных перегрузок является промежуточным режимом между нормальным и послеаварийным режимами потребителя.

Выбор числа трансформаторов рассмотрен в подразделе 7.2 настоящего пособия, выбор типа и исполнения трансформаторов - в подразделе 7.3, выбор мощности трансформаторов и проверка на допустимые перегрузки рассмотрены в подразделе 7.4.

Нагрузочная способность трансформатора – это свойство трансформатора нести нагрузку сверх номинальной при определенных условиях эксплуатации (предшествующей нагрузке трансформатора, температуре охлаждающей среды) называют нагрузочной способностью [12].

Режим допустимых систематических нагрузок. Режим систематических перегрузок допустим неограниченное время, если:

- износ изоляции за время цикла не превышает номинального (Н_РАСЧ < 24 часов);

- температура верхних слоев масла Q_М <95⁰С;

- температура верхней наиболее нагретой точки обмотки Q_ННТ <140⁰С;

- наибольший ток нагрузки не более 1,5 I_НОМ (К_З.М<1.5).

Режим допустимых продолжительных аварийных перегрузок. Если износ изоляции за сутки Н_РАСЧ > 24 часов. то режим перегрузки относят к аварийным, Режим аварийных перегрузок допустим. если

–если продолжительность его за время цикла не превышает расчетную допустимую (Т_ПЕР<Т_ДОП);

- температура верхних слоев масла Q_М <115⁰С;

- температура верхней наиболее нагретой точки обмотки Q_ННТ <160⁰С;

- наибольший ток нагрузки не более 2.0 (I_НОМ (К_З.М<2,0).

Режим допустимых кратковременных аварийных перегрузок – нормируется ПТЭЭП.

2.1.21. В аварийных режимах допускается кратковременная перегрузка трансформаторов сверх номинального тока при всех системах охлаждения независимо от длительности и значения предшествующей нагрузки и температуры охлаждающей среды в следующих пределах:

Масляные трансформаторы:

 перегрузка по току, % 30 45 60 75 100    длительность перегрузки, мин. 120 80 45 20 10    

Сухие трансформаторы:

 перегрузка по току, % 20 30 40 50 60    длительность перегрузки, мин. 60 45 32 18 5.  

Ограничения тока и температуры при нагрузках, превышающих номинальную по ГОСТ

При нагрузке, превышающей номинальную, в ГОСТ 14209 [11] рекомендуется не превышать предельные значения тока и температуры, приведенные в таблице.

Предельные значения температуры и тока для режимов нагрузки, превышающей номинальную

Тип нагрузки	Трансформаторы
	распределительные	средней мощности
Режим систематических нагрузок
Ток, отн. ед.	1,5	1,5
Температура наиболее нагретой точки обмотки, °С	140	140
Температура масла в верхних слоях, °С	105	105
Режим продолжительных аварийных перегрузок
Ток, отн. ед.	1,8	1,5
Температура наиболее нагретой точки обмотки, °С	150	140
Температура масла в верхних слоях, °С	115	115
Режим кратковременных аварийных перегрузок
Ток, отн. ед.	2,0	1,8
Температура наиболее нагретой точки обмотки, °С	-	160
Температура масла в верхних слоях, °С	-	115

Не следует превышать приведенные в таблице 6.3 предельные значения тока нагрузки, температуры наиболее нагретой точки обмоток и температуры масла в верхних слоях. Для распределительных трансформаторов мощностью не более 2500 кВА для режимов кратковременных аварийных перегрузок предельные значения температуры масла в верхних слоях и наиболее нагретой точки не установлены, так как на практике невозможно контролировать продолжительность аварийной перегрузки распределительных трансформаторов. Следует иметь в виду, что при температуре наиболее нагретой точки, превышающей 140-160 °С, возможно выделение пузырьков газа, снижающих электрическую прочность изоляции трансформатора.