книги из ГПНТБ / Грудинский, П. Г. Техническая эксплуатация основного электрооборудования станций и подстанций

Выражение (2-5) справедливо как для нагревания, так и для охлаж­

менной величины, изменяющейся по экспоненте, как это представлено на рис. 2-1 для процессов нагревания (рис. 2-1, а) и охлаждения (рис. 2-1,6). Его нетрудно построить графически, если принимать значе­

ния t кратными постоянным нагрева: Т, 2Т, ЗТ, 4Т. Тогда е~^т будет

равно: 0,37; 0,14; 0,05; 0,01, а значение 1 — е~i/T получится рав­ ным 0,63; 0,86; 0,95; 0,99. Установившееся состояние процесса насту­ пит практически через время, равное 47\

Рис. 2-1. Переход оборудования от одного установившегося теплового состояния к другому.

Выражения (2-2) — (2-5) будут применяться при дальнейшем из­ ложении. На их использовании основаны предписания ряда инструкций, например указания ГОСТ 1209-69 о перегрузке трансформаторов.

Хотя допущения, принятые при выводе выражения (2-1), являются несколько приближенными, результаты расчетов по (2-2)—(2-5) теп­ ловых режимов проводников, аппаратов, трансформаторов достаточно хорошо совпадают с опытом. Однако для более сложного оборудования (например, для электрических машин) они могут дать только общее представление о характере протекания процессов нагревания и охлаж­ дения.

Допущения о постоянстве теплоемкости и теплоотдачи могут быть приняты только при относительно узких пределах изменения темпера­ тур, так же как и допущение о постоянстве активных потерь в обмотках (из-за зависимости сопротивления их от температуры). Поэтому нагре­ вание при коротком замыкании характеризуется более сложными зави­ симостями.

2-2. Предельные температуры и превышения температур, допускаемые в эксплуатации

В выражения (2-1) — (2-5) входит превышение темпера­ туры 0, °С, нагревостойкость же оборудования (способ­ ность оборудования выполнять свои функции при воздей­ ствии рабочей температуры) зависит в основном от темпера­

30

туры, при которой работают его элементы. Эта температура может быть представлена как сумма температуры охлаждаю­

Основное влияние на нагревостойкость оборудования имеет нагревостойкость изоляционных материалов, приме­ няемых в электрических машинах, трансформаторах и аппа­ ратах. Предельные значения температур, допустимых в наи­ более нагретом месте изоляции в номинальном режиме, установлены ГОСТ 8865-70 в зависимости от класса изоля­ ции. Ниже даются обозначения классов, указываются пре­ дельные температуры и кратко характеризуются основные группы изоляционных материалов, относящихся к данному классу.

вами.

Класс Н — материалы на основе слюды, асбеста и стекло­ волокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитываю­ щими составами, кремний-органические эла­ стомеры.

Класс С — слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связующих составов или

31

с неорганическими или кремний-органическими связующими составами.

Широкое применение в качестве изоляции получили электротехнические пластмассы. По отношению к нагреву пластмассы разделяются на термореактивные и термопла­ стические. Первые в процессе прессования и нагрева ста­ новятся неплавкими и нерастворимыми, вторые способны размягчаться при последующих нагреваниях. Термостой­ кость пластмасс зависит от типа примененных смол и на­ полнителей и лежит в пределах ПО—300° С.

Предельные температуры относятся к наиболее нагре­ тым участкам изоляции, которые в сложных конструкциях, например в обмотках трансформаторов и в ряде обмоток машин, труднодоступны для проведения измерений. Тем­ пература изоляции определяется, как правило, температу­ рой в точке соприкосновения с проводником. На наружной поверхности изоляции температура будет ниже на величину перепада температур в слое изоляции.

При одной и той же нагрузке температуры и превышения температур (а также перепады температур в слое изоляции)

вразных точках обмотки или стержня обмотки различны.

Утрансформаторов температуры увеличиваются по высоте обмотки снизу к ее верхней части и наиболее нагретая точка

лежит внутри витков верхней катушки (см. рис. 2-8). У генераторов по длине стержня может быть несколько повышений и понижений температуры в зависимости от принятой системы охлаждения. Различны и температуры по высоте стержня, уложенного в паз, ввиду разных усло­ вий охлаждения.

В электрических машинах температуры и превышения температур могут быть измерены или путем определения сопротивления обмоток в холодном и горячем состоянии, или при помощи термоиндикаторов (термосопротивлений и термопар). В первом случае определяется средняя темпера­ тура, во втором случае — температура наружных слоев изоляции. Очевидно, что температура наиболее нагретого участка на поверхности изоляции будет заведомо выше температуры, измеренной одним из этих способов. Поэтому нормированные значения предельных допускаемых темпе­ ратур и превышений температур, измеряемых в машинах и трансформаторах, должны быть ниже температур, при­ нятых предельными для изоляции. При этом превышения температур и температуры охлаждающей среды норми­ руются раздельно.

32

В качестве примера ниже приведены значения предельных допус­ каемых превышений температур, нормированных (ГОСТ 183-66) для обмоток машин переменного тока мощностью 5 МВт и выше при длине сердечника 1 м и более,в зависимости от класса примененной изоляции. Измерение может производиться как методом сопротивления, так и методом термоиндикаторов, заложенных между катушками (стержнями) в одном и том же пазу.

+ 40 °С. Для машин, спроектированных согласно ранее действовавшим ГОСТ, для которых температура охлаждающей среды была установлена равной + 3 5 °С, превышения температур, указанные выше, могут быть увеличены на + 5 °С.

Сравнивая сумму нормированных значений превышения температур и температуры охлаждающей среды с нормированными значениями предельных допускаемых температур для разных классов изоляции, можно убедиться, что разница лежит в пределах 5— 15°С, что составляет

5-10% .

При контроле температурного режима оборудования следует следить за тем, чтобы не были превзойдены не только нормированные значения температур, но и превышений температур. При одной и той же температуре, измеренной в машине, температура наиболее нагретого участка изоляции может быть различна. Например, предположим, что у машины с изоляцией класса В с предельной температурой 130 °С при температуре охлаждающего воздуха 40° С измерена температура 120 °С на поверхности изоляции. Если температура наиболее нагретого места участка составляет 130 °С, перепад температур в изоляции равен 10 °С. Нормы соблюдены, превышение температуры равно 80 °С.

Пусть температура охлаждающей среды будет равной 10 °С и нагрузка машины увеличивается так, чтобы измеренная температура на поверхности изоляции осталась бы равной 120° С. При этом превы­ шение температуры будет равно 110 °С, т. е. возрастет на 40%. По крайней мере на столько же увеличивается и разница между измеренной температурой на поверхности изоляции и наиболее нагретой точкой изоляции, находящейся на поверхности проводника. Если в первом случае она была равна 10 °С, то теперь она станет равной 14 °С, что означает превышение нормы по предельной температуре для класса

Поскольку тепловой режим оборудования имеет очень большое значение для безотказной работы и нарушения этого режима могут привести к снижению срока службы оборудования, необходим систематический контроль за температурами и превышениями температур наиболее от­ ветственных элементов. Для этой цели применяются при-

боры и устройства, позволяющие измерять как местные, так и средние температуры и превышения температур. Эти приборы и устройства могут быть стационарными и перенос­ ными. Ниже рассматриваются схемы и особенности исполь­ зования основных из них.

Измерение при помощи термометров является одним из наиболее простых методов для измерения местных темпе­ ратур. Встроенные стационарные термометры применяются для контроля температуры масла трансформаторов, охла­ ждающего воздуха и газа в электрических машинах и масла в подшипниках. Предпочтительно применение спир­ товых термометров перед ртутными, так как в последних возможен дополнительный нагрев ртути вихревыми то­ ками, возникающими при наличии магнитных потоков рас­ сеяния.

Для обеспечения минимального перепада между температурой масла и термометров в крышках трансформаторов и в подшипниках преду­ сматриваются специальные гильзы (карманы), которые должны быть заполнены маслом. Для мощных трансформаторов, у которых из-за большой высоты наблюдение за обычным термометром затруднено, применяются термометры со сниженным указателем манометрического типа. При нагреве жидкость, заполняющая измерительную колбочку такого термометра, расширяется и через соединительную капиллярную трубку и систему рычагов передвигает стрелку указателя. Термометры снабжаются контактами для сигнализации повышения температуры сверх заданных пределов.

В некоторых случаях возникает необходимость измерения темпе­ ратуры какой-нибудь детали оборудования, где стационарный термо­ метр не предусмотрен. В этом случае необходимо обеспечить хорошую теплоотдачу от точки измерения к колбе термометра, что может быть достигнуто при помощи фольги и плотного прижатия термометра. Для снижения потери тепла целесообразно закрыть укрепленный термо­ метр теплоизолирующим материалом, например ватой. Как стационар­ ные, так и переносные термометры следует периодически проверять.

Измерения при помощи термопар позволяют определить превышение температуры (непосредственно) и температуру (косвенно). Принципиальная схема измерительного устрой­ ства изображена на рис. 2-2, а. Она дана для наиболее употребительных термопар из константана и меди. «Горя­ чий» спай плотно прижимается к месту, превышение тем­ пературы которого требуется измерить, а «холодный» спай помещается в охлаждающей среде, температура которой известна. Устройство градуируется, устанавливается за­ висимость между превышением температуры горячего спая 6 и э. д. с. Еттермопары, измеряемой гальванометром. Вид градуировочной кривой дан на рис. 2-2, б.

34

Для определения температуры точки нужно знать тем­ пературу холодного спая, т. е. температуру среды, где

температура среды поддерживается постоянной, то гальва­ нометр может быть градуирован на температуру. Одно измерительное устройство может применяться для несколь­ ких термопар, для чего в схему вводится переключатель.

Рис. 2-2. Схема соединений при измерении превы­ шения температуры термопарой (а) и градуировоч­ ная характеристика (б).

Зависимость э. д. с. медь-константановой термопары от разности температур имеет почти прямолинейный харак­ тер —.при разности температур между ее концами в 50 °С э. д. с. равна 2,08 мВ, а при 100 °С — 4,36 мВ. Сопротив­ ление соединительных проводников оказывает влияние на результаты измерений; соответствующая поправка может

тивление гальванометра, Ом; R n — сопротивление проводов, Ом; U — показания гальванометра, мВ.

Измерение при помощи термосопротивлений позволяет определить температуру в заданных точках оборудования. Принцип их действия основан на наличии зависимости между величиной сопротивления и его температурой, а схема измерений дана на рис. 2-3. Об изменении вели­ чины сопротивления 4 судят по изменению тока, протекающего через это сопротивление от источника постоянного тока. Применяются два варианта схемы. В первой схеме (рис. 2-3, а) необходимо обеспечить

постоянство напряжения в точках питания мостика, например посред­ ством изменения сопротивления 5, но зато отпадает необходимость компенсации сопротивления соединительных проводов. Во второй схеме

7

Рис. 2-3. Схемы соединений при измерении температур термосопротивлением при использовании измеритель­ ного моста (а) и логометра (б).

1 , 2 , 3 — сопротивления в плечах моста; 4 — термосопро­ тивление; 5 — регулируемое сопротивление; 6 — гальвано­ метр; 7 — логометр; 8 — источник постоянного тока.

а — правильное положение термосопротивления; б — неправильное; 1 — стенка паза; 2 — изоля­ ция стержней обмотки; 3 — термосопротивление; 4 — проводники стержня.

нет необходимости поддерживать постоянство напряжения источника питания, но нужно уравнять сопротивления проводов сопротивлением 5.

Термосопротивления изготовляются из платиновой или медной проволоки, помещенной в капсулу. Они закладываются в пазы статора между обмотками, как показано на рис. 2-4 (стрелками указаны направ­ ления тепловых потоков). Величина сопротивления нормирована: при температуре 100 °С она должна быть равна для платины 64 Ом, для меди 75,5 Ом, а при температуре 0 °С — 46 Ом и 53 Ом соответственно.

Размещение сопротивления между стержнями строго по осевой линии (рис. 2-4, а) снижает влияние на результаты измерений перепада температур в изоляции, так как в этом месте тепловой поток через изоляцию очень незначителен.

В каждый генератор закладывается несколько термосопротивлений, помещаемых в разные точки обмотки и активной стали. Измерительный

прибор предусматривается общий для всех и включается через пере­ ключатель. В схеме с логометром сопротивление всех соединительных проводов должно быть одинаковым, обычно равным 5 Ом. Выравни­ вание сопротивлений обеспечивается регулируемым сопротивлением в цепи каждого термосопротивления. В схеме с мостиком сопротивле­ ния в цепях термосопротивлений не требуются, так как сопротивления проводов входят в оба смежных пле4а моста.

Термосопротивление может быть выполнено в переносном приборе

иприменено для измерения нагрева поверхностей электрооборудования

исоединений токоведущих частей распределительных устройств. С этой целью термосопротивления встраиваются (наклеиваются) на наружную поверхность датчика и закрываются медной фольгой. Датчик укреп­ ляется на штанге из изолирующего материала, головка штанги с дат­ чиком прижимается к месту, температуру которого следует измерить. Через время, равное примерно 0,5 мин, датчик прогреется, после чего

можно снять показания прибора.

Схема прибора дана на рис. 2-5, а. Все элементы схемы и питаю­ щий схему элемент размещаются на измерительной штанге, как это

37

изображено на рис. 2-5, б. Перед применением прибора проверяется его готовность к действию нажатием кнопки К в положении 1 переклю­ чателя П (положение контроля). Если стрелка микроамперметра jiA при этом не остановится на нуле, производится коррекция изменением сопротивления R&. Масса измерительной головки — 1 -ь 1,5 кг. При­ бор изготовляется для работы на напряжении 10 и 35 кВ.

Измерение температуры по сопротивлению обмотки применяется для определения температур обмоток генера­ торов, трансформаторов, электродвигателей и т. п. Этот способ позволяет установить только среднюю температуру обмотки: при помощи его нельзя обнаружить отдельные, даже очень нагретые, места. Для обмоток трансформаторов и роторов электрических машин он является единственным методом контроля температуры, поскольку в обмотки транс­ форматоров и роторов термодетекторы не закладываются.

Измерение сопротивления обмотки производится в двух ее состояниях — холодном и горячем. Температура холод­ ной обмотки принимается равной температуре окружаю­ щей среды, для чего необходимо длительное охлаждение всей конструкции, в которую заложена обмотка, в течение порядка четырех постоянных времени нагрева ротора или трансформатора. Постоянная нагрева самой обмотки не­ велика (от 5 до 15 мин), но за время, равное четырем ее постоянным, она примет температуру всей конструкции,

маслом для трансформатора. Постоянная же времени нагрева трансформатора в целом равна примерно 2,5—3,5 ч.

Так как сопротивления обмоток очень невелики, их следует измерять возможно точнее, преимущественно двой­ ными мостами. Средняя температура обмотки, °С, опреде­

состоянии, Ом.

Измерение сопротивления в горячем состоянии обмотки должно производиться очень быстро после отключения оборудования, так как постоянная нагрева обмотки неве­ лика и уже через время, равное одной постоянной нагрева, разница температур между обмоткой и конструкцией,

38

в которой она размещена, составит 0,37 начального ее зна­ чения. Измерения в холодном состоянии должны произво­ диться после того, как вся конструкция примет температуру окружающей среды, на что требуется не менее суток.

Указатели для контроля нагрева. Наряду с описанными выше схемами приборов для измерения температуры нагрева элементов электрооборудования применяются и более простые средства, позволяю­ щие определить, не превышает ли нагрев допустимых пределов. Неко­

висмут, свинец, олово).

39