2.2.4. Устройство и обслуживание систем охлаждения масляных трансформаторов
Процесс передачи теплоты, выделяющейся в обмотках, магнитопроводе и стальных деталях конструкции работающего трансформатора в окружающую среду, можно разбить на следующие два этапа:
передача теплоты от обмоток и магнитопровода охлаждающему маслу
и передача теплоты от масла в окружающую среду.
На первом этапе передача теплоты определяется превышением температуры обмоток и магнитопровода над температурой охлаждающего масла; на втором этапе — превышением температуры масла над температурой окружающей среды.
Исходя из этого, условно принято, что охлаждающее устройство масляного трансформатора состоит из двух систем: системы внутреннего охлаждения, которая обеспечивает передачу теплоты на первом этапе охлаждения, и системы наружного охлаждения, которая обеспечивает передачу теплоты на втором этапе.
Элементами системы внутреннего охлаждения являются вертикальные и горизонтальные каналы в обмотках и магнитопроводе, а также специальные трубы и изоляционные щиты, создающие направленную циркуляцию масла по каналам. Все эти элементы находятся внутри бака трансформатора, что делает невозможным осуществление визуального контроля за ними.
В систему наружного охлаждения входят маслоохладители, фильтры, насосы, вентиляторы и другое оборудование, расположенное снаружи трансформатора. За работой этого оборудования ведется систематический контроль.
На ПС применяются трансформаторы с системами охлаждения М , Д , ДЦ и Ц .
Система естественного масляного охлаждения (М ) выполняется для трансформаторов небольшой мощности (до 16 МВА) напряжением, как правило, до 35 кВ. В таких трансформаторах тепло, выделенное в обмотках и магнитопроводе, передается маслу, циркулирующему по баку и радиаторам, а затем — окружающему воздуху. Баки таких трансформаторов гладкие с охлаждающими трубами или навесными трубчатыми радиаторами (охладителями). Для лучшей отдачи тепла в окружающую среду бак трансформатора снабжают ребрами, охлаждающими трубами или радиаторами в зависимости от мощности. Каждый радиатор представляет собой самостоятельный узел, присоединяемый своими патрубками к патрубкам бака. Между фланцами патрубков встроены плоские краны, перекрывающие доступ масла в радиатор. Естественное движение нагретых и холодных слоев масла в трансформаторе происходит за счет их разной плотности, то есть за счет гравитационных сил. В окружающую среду теплота передается конвекционными потоками воздуха у поверхности бака и радиаторов, а также излучением. При номинальной нагрузке трансформатора в соответствии с требованиями ПТЭ температура масла в верхних, наиболее нагретых слоях не должна превышать +95 °C.
Система охлаждения Д (масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла) применяется для более мощных трансформаторов напряжением 35, 110 и 220 кВ. Охлаждение основано на использовании навесных радиаторов, обдуваемых вентиляторами, которые устанавливаются на приваренных к стенке бака консолях. Вентилятор засасывает воздух снизу и обдувает нагретую верхнюю часть труб. Каждый вентилятор состоит из приводного асинхронного двигателя и крыльчатки серии МЦ. Пуск и останов вентиляторов осуществляется автоматически в зависимости от нагрузки и температуры нагрева масла. Включение и отключение двигателей вентиляторов производится автоматически с использованием термометрических сигнализаторов типа ТС-100 и вручную. Ступица крыльчатки имеет шпоночную посадку на вал двигателя, исключающую соскакивание крыльчатки во время работы.
Трансформаторы с таким охлаждением могут работать при полностью отключенном дутье, если нагрузка не превышает 100 % номинальной, а температура верхних слоев масла не более 55 °C, а также независимо от нагрузки при отрицательных температурах окружающего воздуха и температуре масла не выше 45 °C. Максимально допустимая температура масла в верхних слоях при работе трансформатора с номинальной нагрузкой составляет 95 °C.
На рис. 2.1 приведена схема питания электродвигателей вентиляторов.
Система охлаждения ДЦ (масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла через воздушные охладители) применяется для охлаждения трансформаторов наружной установки мощностью 63 МВА и более напряжением 110 кВ и выше. Эта система основана на применении масляно-воздушных охладителей с принудительной циркуляцией масла и форсированным обдувом ребристых труб охладителей воздухом. Охладители состоят из тонких ребристых трубок, обдуваемых снаружи вентилятором, и комплектуются бессальниковыми центробежными насосами серии ЭЦТ и тихоходными вентиляторами типа НАП-7,4. Электронасосы, встроенные в маслопроводы, создают непрерывную принудительную циркуляцию масла через охладители. Благодаря высокой скорости циркуляции масла, большой поверхности охлаждения и интенсивному дутью охладители обладают большой теплоотдачей и компактностью. Такая система охлаждения позволяет значительно уменьшить габаритные размеры трансформаторов. Охладители могут устанавливаться вместе с трансформатором на одном фундаменте или на отдельных фундаментах рядом с баком трансформатора. С целью повышения эффективности теплообмена у крупных трансформаторов масло подается по специальным трубам к определенным частям обмоток, в результате чего создается направленная циркуляция масла по охлаждающим каналам. Для охлаждающих устройств с направленной циркуляцией масла через обмотки трансформаторов применяются насосы с экранированным статором типа ЭЦТЭ. Управление охлаждением автоматическое и ручное. Схема автоматического управления обеспечивает включение основной группы охладителей при включении трансформаторов в сеть, увеличение интенсивности охлаждения включением дополнительного охладителя при достижении номинальной нагрузки или заданной температуры масла в трансформаторе, включение резервного охладителя при аварийном отключении любого работающего, отключение вентиляторов обдува без остановки циркуляционных насосов. Шкафы управления охлаждением оборудованы постоянно включенной сигнализацией о прекращении циркуляции масла, остановке вентиляторов дутья, включении резервного охладителя, переключении питания двигателей системы охлаждения от резервного источника при исчезновении напряжения или его понижении в сети.
Система охлаждения Ц (масляно-водяное охлаждение трансформаторов с принудительной циркуляцией масла) применяется для трансформаторов наружной и внутренней установки. Эта система принципиально устроена так же, как и система охлаждения ДЦ , но в отличие от последней охладители в этой системе состоят из трубок, по которым циркулирует вода, а между трубками движется масло. Температура масла на входе в маслоохладитель не должна превышать 70 °C. Данная система компактна и из-за большей интенсивности теплообмена от масла к воде, чем от масла к воздуху, обладает высокой надежностью и тепловой эффективностью. Однако применение охлаждения Ц возможно лишь при наличии мощного источника водоснабжения. Для трансформаторов наружной установки охладители размещают в помещении с положительной температурой. Кроме того, в зимнее время предусматриваются меры по предотвращению замерзания воды в маслоохладителях, насосах, водяных магистралях, например, слив воды из охладителей при отключении трансформатора, отепление охладителей и др. С целью исключения подсосов воды в масло при образовании неплотностей и трещин в трубах, по которым циркулирует вода, маслонасосы устанавливают перед маслоохладителями. С этой же целью избыточное давление масла в маслоохладителе поддерживают выше давления воды не менее чем на 0,2 МПа (2 Н/см2). В системах охлаждения Ц имеются приборы для контроля температуры, расхода и давления масла и воды, для очистки масла и воды, а также аппаратура управления охлаждением и различные сигнальные устройства. Эта система охлаждения эффективна, но имеет сложное конструктивное исполнение и поэтому применяется для мощных трансформаторов (160 МВА и выше).
При ручном управлении включение системы охлаждения производится после включения трансформатора в сеть в следующей последовательности: сначала включают в работу масляный насос и проверяют циркуляцию масла в маслоохладителе, затем подают охлаждающую воду и проверяют соотношение давлений воды и масла. При необходимости регулируют давление воды. Маслоохладители в системе масловодяного охлаждения снижают температуру масла на 10–15 °C и способны поддерживать температуру верхних слоев масла на уровне 50–55 °C. Поэтому подачу охлаждающей воды в маслоохладители производят при температуре не ниже 15 °C. Циркуляцию воды прекращают при понижении температуры масла до 10 °C. Отключение масловодяного охлаждения производят после отключения трансформатора от сети в следующей последовательности: сначала прекращают доступ воды в маслоохладитель, а затем отключают маслонасос.
В соответствии с требованиями ПТЭ, при номинальной нагрузке трансформатора температура верхних слоев масла должна быть не выше (если заводами-изготовителями в заводских инструкциях не оговорены иные температуры):
у трансформаторов с системой масляного охлаждения с дутьем и принудительной циркуляцией масла (ДЦ ) — 75 °C;
с системами масляного охлаждения (М ) и масляного охлаждения с дутьем (Д ) — 95 °C;
у трансформаторов с системой масляного охлаждения с принудительной циркуляцией масла через водоохладитель (Ц ) температура масла на входе в маслоохладитель должна быть не выше 70 °C.
На трансформаторах и реакторах с системами масляного охлаждения ДЦ , направленной циркуляцией масла в обмотках (НДЦ ), Ц , направленной циркуляцией масла в обмотках и принудительной через водоохладитель (НЦ ) устройства охлаждения должны автоматически включаться (отключаться) одновременно с включением (отключением) трансформатора (реактора).
На номинальную нагрузку включение трансформаторов допускается:
с системами охлаждения М и Д — при любой отрицательной температуре воздуха;
с системами охлаждения ДЦ и Ц — при температуре окружающего воздуха не ниже минус 25 °C. При более низких температурах трансформатор должен быть предварительно прогрет включением на нагрузку до 0,5 номинальной без запуска системы циркуляции масла, которая должна быть включена в работу только после увеличения температуры верхних слоев масла до минус 25 °C.
В аварийных режимах допускается включение трансформаторов на полную нагрузку независимо от температуры окружающего воздуха (трансформаторов с системами охлаждения НДЦ , НЦ — в соответствии с заводскими инструкциями).
Принудительная циркуляция масла в системах охлаждения должна быть непрерывной независимо от нагрузки трансформатора.
Количество включаемых и отключаемых охладителей основной и резервной систем охлаждения ДЦ (НДЦ ), Ц (НЦ ), условия работы трансформаторов с отключенным дутьем системы охлаждения Д определяются заводскими инструкциями.
Эксплуатация трансформаторов и реакторов с принудительной циркуляцией масла допускается лишь при включенной в работу системе сигнализации о прекращении циркуляции масла, охлаждающей воды и работы вентиляторов обдува охладителей.
При включении масловодяной системы охлаждения Ц (НЦ ) в первую очередь должен быть пущен маслонасос. Затем при температуре верхних слоев масла выше 15 °C включается водяной насос. Отключение водяного насоса производится при снижении температуры верхних слоев масла до 10 °C, если иное не предусмотрено заводской документацией.
Давление масла в маслоохладителях должно превышать давление циркулирующей воды не менее чем на 10 кПа (0,1 кгс/см2) при минимальном уровне масла в расширителе трансформатора.
Должны быть предусмотрены меры для предотвращения замораживания маслоохладителей, насосов, водяных магистралей.
Для трансформаторов с системами охлаждения Д при аварийном отключении всех вентиляторов допускается работа с номинальной нагрузкой в зависимости от температуры окружающего воздуха в течение следующего времени:
Для трансформаторов с системами охлаждения ДЦ и Ц допускается:
при прекращении искусственного охлаждения работа с номинальной нагрузкой в течение 10 мин или режим холостого хода (ХХ) в течение 30 мин, если по истечении указанного времени температура верхних слоев масла не достигла 80 °C; для трансформаторов мощностью свыше 250 МВА допускается работа с номинальной нагрузкой до достижения указанной температуры, но не более 1 ч;
при полном или частичном отключении вентиляторов или при прекращении циркуляции воды с сохранением циркуляции масла продолжительная работа со сниженной нагрузкой при температуре верхних слоев масла не выше 45 °C.
Указанные требования действительны, если в инструкциях заводов-изготовителей не оговорены иные.
На трансформаторах с системой охлаждения Д электродвигатели вентиляторов должны систематически включаться при температуре масла 55 °C или токе, равном номинальному, независимо от температуры масла. Отключение электродвигателей вентиляторов производится при снижении температуры верхних слоев масла до 50 °C, если при этом ток нагрузки менее номинального.
Основными задачами обслуживания систем охлаждения являются наблюдение за работой и технический уход за оборудованием системы охлаждения.
Осмотр системы охлаждения производится одновременно с осмотром трансформатора. При осмотре проверяется целость всей системы охлаждения, то есть отсутствие течей масла; работа радиаторов (на ощупь определяется степень их нагрева); работа охладителей системы охлаждения ДЦ по их нагреву и по показаниям манометров, установленных вблизи патрубков маслоперекачивающих насосов; работа адсорбционных фильтров — ощупыванием рукой; состояние креплений трубопроводов, охладителей, насосов и вентиляторов; работа вентиляторов — по отсутствию вибраций, скрежета и задеваний крыльчаток за кожух.
При осмотре шкафов автоматического управления охлаждением проверяется отсутствие нагрева и коррозии контактов, а также повреждений изоляции токоведущих частей аппаратуры, уплотнение днищ и дверей шкафов от проникновения в них пыли и влаги.
Внеочередной осмотр автоматических выключателей в шкафах следует производить после каждого отключения ими тока КЗ. Также следует осматривать контакты коммутационной аппаратуры после автоматического отключения электродвигателей вентиляторов и насосов.
Технический уход за устройствами систем охлаждения включает в себя устранение обнаруженных при осмотре неисправностей, замену износившихся деталей (лопаток насосов, лопастей вентиляторов, подшипников), чистку охладителей и вентиляторов, смазку подшипников, контроль сопротивления изоляции электродвигателей.
При уходе за охладителями системы охлаждения Ц выполняются периодические очистки труб и водяных камер от ила и других отложений на поверхностях охлаждения.
Исправность схем питания двигателей охлаждения и действие АВР проверяются по графику не реже 1 раза в месяц.
Эффективность работы систем охлаждения в целом проверяется по температуре верхних слоев масла в трансформаторе. При исправном охлаждении максимальные температуры масла не должны превышать в трансформаторах:
с охлаждением М и Д — 95 °C;
с охлаждением ДЦ при мощности до 250 МВА включительно — 80 °C и при мощности выше 250 МВА — 75 °C;
с охлаждением Ц температура масла на входе в маслоохладители — 70 °C.
За максимальную температуру масла в данном случае принимается температура масла под крышкой бака, измеренная при работе трансформатора с номинальной нагрузкой в течение 10–12 ч для трансформаторов с охлаждением М и Д , и в течение 6–8 ч — для трансформаторов с охлаждением ДЦ при неизменной температуре охлаждающего воздуха, равной 40 °C.
В эксплуатации при номинальной нагрузке трансформатора температура верхних слоев масла редко достигает максимального значения.
Возможны следующие причины повышения нагрева масла для систем охлаждения М и Д :
закрыты или не полностью открыты плоские краны радиаторов; из верхних коллекторов радиаторов не выпущен воздух при заполнении радиаторов маслом;
сильно загрязнены наружные поверхности радиаторов.
Для охлаждения Д помимо перечисленных возможны следующие причины:
в работе находятся не все вентиляторы,
крыльчатки вентиляторов вращаются в обратную сторону.
Для системы охлаждения ДЦ характерны следующие причины:
рабочее колесо насоса вращается в обратную сторону;
недостаточно число работающих вентиляторов;
крыльчатки вентиляторов вращаются в обратную сторону;
сильно загрязнены поверхности ребер трубок охладителей и т. д.
Если при внешнем осмотре не будет обнаружена неисправность в работе механизмов системы охлаждения, следовательно, причиной повышенного нагрева может явиться неисправность самого трансформатора.
В соответствии с требованием ПУЭ, каждый масляный трансформатор следует устанавливать в отдельной камере, расположенной на первом этаже. Допускается установка масляных трансформаторов на втором этаже, а также ниже уровня пола первого этажа на 1 м в незатопляемых зонах при условии обеспечения возможности транспортирования наружу и удаления масла в аварийных случаях.
Допускается установка в общей камере двух масляных трансформаторов с объемом масла до 3 т каждый, имеющих общее назначение, управление, защиту и рассматриваемых как один агрегат.