Модуль 2. Принципы построения методов расчета системы электроснабжения. Выбор параметров системы электроснабжения

Лекция №15, 16. Принципы выбора номинальной мощности трансформаторов (2 часа)

План лекции:

1. Нагревание и охлаждение.

2. Износ (старение) изоляции.

Промышленность выпускает трансформаторы различных типов, причем каждый тип — на ряд номинальных мощностей. Любой из этих трансформаторов может передавать мощность, большую и мень­шую номинальной. В первом случае в нем увеличиваются потери мощ­ности и, соответственно, температура обмотки, во втором уменьшают­ся потери мощности и температура обмотки.

Увеличение температуры обмотки вызывает необратимые процессы в материале ее изоляции, которые называют старением, или износом изоляции. При этом срок службы трансформатора уменьшается. Кро­ме того, резкое увеличение нагрузки может привести к опасному по­вышению температуры масла в верхних слоях до близкой к температуре его вспышки. Согласно стандарту на нагрузочную способность силовых трансформаторов и автотрансформаторов наибольшая температура масла в верхних слоях и в наиболее нагретой точке обмотки в течение переходного суточного процесса нагрева не должна превосходить со­ответственно 95 и 140 °С.

1. Нагревание и охлаждение

Потери энергии в обмотках трансфор­матора вызываются протекающим в них током, а в магнитопроводе — пульсацией магнитного потока. Эти потери энергии превращаются тепло и повышают температуру трансформатора относительно темпе­ратуры окружающей среды.

Возникающая разность температур приводит к передаче тепла от трансформатора во внешнюю среду и тем большей, чем выше температура частей трансформатора. В результате даже при неизменной на­грузке трансформатора рост температуры после его включения посте­пенно замедляется и она увеличивается, изменяясь по экспоненци­альному закону, асимптотически приближаясь к установившемуся значению.

Рассмотрим несколько случаев включения трансформатора на на­грузку (рис. 8.1): включение сразу на нагрузку или вначале на на­грузку с последующим переходом на нагрузку или . В первом случае температура увеличивается от нуля" и достигает (кривая на рис. 8.2). Во втором и третьем случаях она изменяется соответст­венно по кривым 2 и 5 и достигает установившихся значений и .

Если бы все тепло оставалось в тех элементах трансформатора, где оно выделилось, и параметры этих элементов не менялись с изменени­ем температуры, то температура их в зависимости от времени росла бы по прямым 3 и 4 (рис. 8.2).

Точка пересечения прямой 3 с асимптотой определяет так называемую постоянную времени т нагреваемого тела. Она равна тому времени, в течение которого температура тела, т. е. соответствующей части трансформатора, при отсутствии от него отдачи тепла достигла бы установившегося значения.

Если нагреваемое однородное тело при повышении температуры на 1ºС за 1 с будет отдавать некоторую мощность К, Вт, то при устано­вившемся режиме потери мощности в нем должны равняться мощ­ности, отводимой во внешнюю среду, т. е.

. (8.1)

С другой стороны, если бы тепло от рассматриваемого элемента не отводилось во внешнюю среду, то потери энергии в 1 с, равные , поглощаемые этим телом, повышали бы его температуру в каждую

Рис. 8.1. График нагрузки, на которую включается трансформатор

Рис. 8.2. Кривые нагревания и охлаждения

секунду на град, где С — теплоемкость данного тела. За вре­мя должна была бы быть достигнута температура, равная .

Тогда

. (8.2)

Определив из выражений (8.1) и (8.2) и приравняв найденные значения, получим , откуда

. (8.3)

Следовательно, при принятых условиях постоянная времени т зави­сит только от параметров трансформатора и не зависит от его нагрузки. В процессе нагревания однородного тела за элемент времени часть тепловой энергии будет расходоваться на нагревание тела, а часть Kdl отдаваться в окружающую среду. Следовательно,

;

это выражение можно представить в виде

,

откуда

. (8.4)

Постоянную А найдем из условия, что при имеем (начальная температура). Тогда и

,

откуда .

При получим и, следовательно, . В результате

. (8.5)

При нагревании (на рис. 8.2 ), а при охлаждении . Здесь — установившееся значение температуры при уменьшенной нагрузке .

С какого бы значения не начиналось увеличение температуры нагреваемого тела, постоянная времени сохранит свое значение (см. кривые 3 и 4). При начальном значении (см. рис. 8.2) повышение температуры шло бы по соответствующему участку кривой 1, лежа­щему выше этой точки, соответствующей на кривой 2.

Постоянная времени различных элементов трансформатора, естественно, различна: для обмотки она равна примерно 6—8 мин, для всего трансформатора без масла 1,5—2 ч, а для наполненного маслом 2—4 ч. Различие в постоянных времени обмотки и масла имеет боль­шое значение особенно при часто изменяющейся нагрузке, какой, в частности, является тяговая нагрузка..

При неизменных условиях работы трансформатора установившая­ся температура обмотки выше, чем масла (рис. 8.3), что и определяет передачу тепла от обмотки к маслу. В случае увеличения нагрузки растет температура обмотки и соответственно температура масла . Первая растет скорее, чем вторая. Постоянная времени нагревания трансформатора может быть определена на основании формулы (8.3):

Рис. 8.3. Кривые нагревания обмотки и масла трансформатора

Рис. 8.4. Графики изменения нагрузки (а), а также температуры (б) обмотки (сплошные) и масла (штриховые)

, (8.6)

где - постоянная времени, ч;

- теплоемкость трансформатора, Вт·ч/с;

- потери холостого хода, Вт;

- потери короткого замыкания, Вт;

- превышение температуры масла в верхних слоях над температурой охлаждающей среды при номинальной нагрузке, ºС.

Если нагревание в одних и тех же условиях продолжается в тече­ние времени , то практически можно считать, что достигается установившаяся температура , так .как величина становится близкой к нулю. Если бы график нагрузки трансформатора имел вид, представленный на рис. 8.4, а, и каждый из интервалов времени был бы меньше , то кривые нагревания имели бы вид пред­ставленных на рис. 8.4, б: сплошные — для обмотки, штриховые — для масла.