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

машина или трансформатор работали при номинальной мощности, номинальном напряжении, номинальной тем­ пературе окружающей среды.

Какой срок службы имеет изоляция в таких условиях, точно не известно. Называют различные значения — от 16 до 20 лет. Но точное знание этого срока не требуется, как будет видно из дальнейшего, хотя этот срок и является критерием для определения допустимой перегрузки: пере­ грузки рассчитываются, исходя из положения, что срок службы оборудования не был бы выше номинального срока и соответственно износ изоляции не превысил бы номиналь­ ного. Перегрузки, установленные согласно этим положе­ ниям, имеют большую величину, чем перегрузки, опреде­ ленные по критерию температуры.

Зависимость старения изоляции от температуры начала изучаться очень давно, более 50 лет тому назад. Было пред­ ложено так называемое восьмиградусное правило, полу­ ченное экспериментально, согласно которому срок службы изоляции снижается вдвое при повышении температуры изоляции на 8° С. Соответственно вдвое увеличивается износ изоляции. При этом предполагается, что изоляция работает при постоянной температуре. Исходя из этой закономерности были определены допустимые перегрузки для трансформаторов по ГОСТ 401-41.

Анализ опыта эксплуатации побудил Международную электротех­ ническую комиссию (МЭК) несколько изменить правила определения перегрузок и принять шестиградусное правило: при каждом повышении температуры на 6° С износ изоляции снижается в 2 раза. Это означает, что если при работе изоляции с температурой (постоянной) в 100° С срок ее службы равен 16 годам, то при температуре в 106° С он снизится до 8 лет, а при температуре 112° С будет равен 4 годам и т. д. Такая зависимость наблюдается в интервале температур 80— 150° С. При тем­ пературах ниже 80° С процесс износа настолько замедляется, что им можно пренебречь: при температурах выше 150° С он идет более быст­ рыми темпами.

Сформулированная выше зависимость срока службы изоляции от

где v0 и а — некоторые постоянные; 0 — температура наиболее нагре­ той точки. Физический смысл постоянной v0 — срок службы изоляции при температуре 0° С. Значение показателя а равно при шестиградусном

50

Разделив выражение (2-16) на срок службы при постоянной работе трансформатора в номинальном режиме, получим выражение относи­ тельного срока службы при данной температуре О по сравнению со сро­ ком службы при номинальном режиме и номинальной температуре Ф„ом:

При определении допустимых перегрузок принято исходить не из относительного срока службы, а из относительной величины износа,

определенный по ним срок службы изоляции или ее износ. Эти показатели относятся к тому сроку, за который производится сравнение двух вариантов работы трансформатора: один раз при

означают, что в режиме повышенной температуры за полгода срок служ­ бы сократится настолько, насколько сократился бы за год работы в номи­ нальном режиме, или износ за год будет в 2 раза выше того, чем он был бы в тот же срок при работе в номинальном режиме. Сравнение может производиться за любой срок — за месяц, неделю, час — относитель­ ные значения показателей будут такими же, но будут соответствовать тому сроку, в течение которого производилось сопоставление двух ре­ жимов.

Используя выражение (2-18), можно подсчитать относительный износ для любого графика нагрузки. Порядок расчета покажем на примере двухступенчатого графика рис. 2-10. Сначала рассчитаем износ для наиболее нагретой точки трансформатора. Учтем, что к 22 часам тепловой режим установится, так как трансформатор проработает при нагрузке k2 больше четырех постоянных времени. Следовательно, температура нагретой точки определится как сумма превышений тем­ ператур согласно (2-12) и (2-13) и температуры охлаждающей среды О0.

В 22 часа нагрузка изменяется скачком. Ввиду малой постоянной времени нагрева обмотки можно принять, что превышение температуры ее сразу достигнет установившегося значения. Оно может быть определе­ но по (2-12) для нагрузки k2. Для определения превышения температуры

рассчитать его значения для переходного режима. График снижения температур при переходе от нагрузки k2 к нагрузке ki строится ана­ логично.

Для того чтобы определить износ изоляции за сутки при темпера­ турах нагретой точки, изменяющихся согласно графику (рис. 2-10, б), используя выражение (2-18), действительное при неизменной нагрузке, необходимо допустить, что в течение часа (или получаса) температура остается постоянной, как это показано на рис. 2-10. Результаты расчета практически не изменятся, будет ли принята постоянной средняя тем­ пература за данный час, в начале часа или в конце его.

51

Износ изоляции за сутки определится по выражению

;=24

в данный час. Если сутки разбиты на равные промежутки времени по

Рис. 2-10. Расчет износа изоляции трансформато­ ра по суточному двухсту­ пенчатому графику наг­ рузки.

а — график нагрузки; б — график температур наиболее нагретой точки обмотки.

б)

полчаса, то следует суммировать 48 значений износа и взять от полу­ ченной суммы 1/48.

Используя описанный метод, можно подобрать такое значение k2, при котором для заданной начальной нагрузки и заданной длитель­ ности перегрузки h (для рис. 2-10 h = 4 ч) относительный износ равен 1, что означает допустимость перегрузки k2 в данных условиях.

В ГОСТ 14209-69 результаты такой работы для тран­ сформаторов разной мощности, с системами охлаждения М, Д, ДЦ и Ц, и для разных температур охлаждающей среды обобщены на 36 графиках, подобных представленным на рис. 2-11. Зная мощность трансформатора, систему его охла­ ждения, температуру охлаждающей среды, можно пост-

52

роить соответствующий график (график нагрузочной спо­ собности трансформатора) и по начальной нагрузке kj и требующейся длительной перегрузке h часов определить допустимую перегрузку k%.

Рис. 2-11. График нагрузочной способности трансформаторов по ГОСТ 14209-69 для температуры охлаждающей среды + 1 0 °С при мощности трансформаторов: 5— 1000 кВ-А (а); 1400—6300

кВ-А (б); 1000—32 000 кВ-А (в); 42 000—63 000 кВ-А (г).

При относительной стабильности графика нагрузки в те­ чение какого-либо периода (месяца, сезона, года) целе­ сообразно определять допустимую перегрузку сразу на весь такой период — графики нагрузочной способности от­ носятся к любому периоду. Расчетный график нагрузки должен выбираться не по среднему графику, а ближе к наи­ более загруженным суткам за данный период, учитывая

53-

высокую степень зависимости износа от температуры и еще большую — от нагрузки.

Расчетная температура при выборе графика нагрузочной способности также должна быть выше средней температуры за период, для которого определяется перегрузка. Эта расчетная температура (эквивалентная по износу) может быть принята равной для суток, недели и месяца — средней

Графики нагрузочной способности, данные в ГОСТ 14209-69, пригодны для определения допустимых перегру­ зок трансформаторов, выполненных в соответствии с общим ГОСТ 11677-65, и не предназначены для трансформаторов, выполненных по ГОСТ 401-41. Однако проверочные расчеты показали, что графики ГОСТ 14209-69 можно применять и для трансформаторов, выполненных по ГОСТ 401-41, если повысить указанную на них температуру на 10° С. Таким образом, если трансформатор, соответствующий ГОСТ 401-41, работает при температуре охлаждающей среды в 0° С, то для определения допустимой перегрузки следует руководствоваться графиком для +10° С.

Графики нагрузочной способности, имеющиеся в ГОСТ 14209-69, составлены исходя из двухступенчатого графика нагрузки, как на рис. 2-10. Для того чтобы применить их к реальному графику, нужно реальный график нагрузки преобразовать в двухступенчатый, эквивалентный по износу изоляции. ГОСТ 14209-69 содержит соответствующие указа­ ния, но они очень сложны. Нагрузку реального графика, предшествующую перегрузке, в них рекомендуется заме­ нить среднегеометрической, нагрузки в период перегрузок также заменяются среднегеометрической с соблюдением условия, чтобы перегрузка по эквивалентному графику нагрузки'получилась не ниже 0,9 от наибольшей нагрузки реального графика.

Таким образом, эквивалентирование рекомендуется не по критерию износа, а по критерию эквивалентного тепло­

54

выделения, что делает эквивалентный график, полученный описанным способом, более легким по износу, чем реальный.

Следует заметить, что реальный график может быть принят только приблизительно, поскольку он прогнози­ руется. В действительности от него возможны отклонения в ту или иную сторону. Для избежания допущения повы­ шенного износа целесообразно рассчитывать эквивалент­ ный график с запасом, учитывая, что ошибка при вычисле­ нии температуры на 3° С снижает или увеличивает износ на 20—30%. Между тем, контрольные просчеты типовых

Рис. 2-12. Преобразование многоступенчатого гра­ фика в эквивалентный по износу изоляции двух­ ступенчатый.

графиков нагрузки показали, что при применении метода, рекомендованного ГОСТ 14209-69, возможны погрешности до 20—40% в неблагоприятную сторону (т. е. во вред тран­ сформатору).

Рекомендуется более простой метод эквивалентирования, показан­ ный на примере рис. 2-12. В основу кладется предполагаемый график нагрузки, который может быть усредненным годовым (температура окружающей среды определяется по средней температуре года, умно­ женной на 1,05) или суточным (температура расчетных суток). Через график нагрузки проводится прямая, параллельная оси абсцисс с координатой, соответствующей номинальной мощности трансформатора (см. пунктирную линию на рис. 2-12).

Максимум эквивалентного двухступенчатого графика принимается равным максимуму нагрузки исходного графика. Продолжительность максимальной нагрузки устанавливается из того соображения, чтобы сумма срезаемых и добавляемых площадок была равна нулю (площадка 1234567 равна площадке абвгд). Так как при этом срезаются меньшие нагрузки, а увеличиваются большие, то износ, определенный по исход­

55

ному графику, будет заведомо больший, чем при исходном графике. В основном на износ влияют нагрузки выше номинальных, и с увеличе­ нием их износ увеличивается, как показательная функция.

После выявления продолжительности нагрузки кг выявляется нагрузка kt. Для этой цели устанавливается средняя нагрузка за 10 ч до начала перегрузки (точка а на рис. 2-12) и умножается на 1,05. На­ грузка, предшествующая перегрузке, относительно мало влияет на ре­ зультаты определения допустимой перегрузки. Мы определяли ku сравнивая срезаемые и добавляемые площадки графика на глаз, но проверка показывала, что в целом полученный эквивалентный график обеспечивает резерв в расчетах.

Выше было рассмотрено эквивалентирование графика, имеющего один максимум нагрузки. На практике встречаются графики с несколь­ кими максимумами, например дневным и вечерним. Для этого случая ГОСТ 14209-69 предлагает еще более сложный способ эквивалентирования. Рекомендуется поступать в соответствии с рекомендациями Между­

с одним максимумом. Такое эквивалентирование снижает использование нагрузочной способности трансформаторов, но предпочтительнее иметь в этом деле резерв, чем пойти на повышенный износ.

Очень удобно определять перегрузку по среднему го­ довому графику и по средней годовой температуре. Такой расчет позволяет уверенно использовать допустимую пере­ грузку трансформатора и снимает необходимость в проме­ жуточных расчетах.

Для длительной аварийной перегрузки в ГОСТ 14209-69 имеется такое указание: «В аварийных случаях, если коэф­ фициент начальной нагрузки не более 0,93, трансформаторы с системами охлаждения М, Д, ДЦ и Ц допускают в течение не более 5 сут перегрузку на 40% сверх номинального тока на время максимума нагрузки общей продолжительностью не более 6 ч».

Это указание очень важно для эксплуатации двухтран­ сформаторных установок, оно способствует повышению надежности электроснабжения при отключении и ремонте одного из трансформаторов. Если к разрешенным 5 дням добавить еще субботу и воскресенье, когда нагрузка сни­ жается, то для ремонта предоставляется неделя, что доста­ точно для устранения многих неисправностей.

Но указание ГОСТ 14209-69 следует применять созна­ тельно. При средней суточной температуре в 10 °С, при работе с перегрузкой 1,4 номинальной мощности в про­ должение 6 ч каждый день по износу соответствует 8 суткам работы в номинальном режиме, а при температуре в 20 °С каждый день работы стоит 40 дней работы с номинальной нагрузкой. В последнем случае трансформатор подвер­ гается риску, так как температура нагретой точки превышает

56

140 °C. Поэтому летом, допуская перегрузку на 40% в те* чение 6 ч, следует принять меры по добавочному охлажде­ нию. Таким охлаждением может служить, например, смачи­ вание кожуха водой или обрызгивание трансформатора.

обходится всего в семь «дополнительных отжитых суток» за один день перегрузки. Однако при температуре окружаю­ щей среды 30 °С температура нагретой точки превысит 140 °С и следует принять меры для дополнительного охла­ ждения.

Сказанное выше относится к трансформаторам с систе­ мой охлаждения М и Д. При системе охлаждения ДЦ и Ц при работе 6 часов с перегрузкой 140% при температуре + 10 °С температура нагретой точки превысит 140 °С и каждый день работы соответствует 50 «отжитым» суткам. Для таких трансформаторов целесообразно предусматри­ вать добавочный радиатор.

Перегрузки электрических машин могут быть кратковременными и длительными. Кратковременные перегрузки допускаются в условиях, близких к аварийным. Так как продолжительность таких перегрузок невелика, то при их определении исходят из предположения, что тепло­ отдача в окружающую среду отсутствует. При расчете их исходят из указания ГОСТ 183-66 (электрические двигатели и генераторы до мощности 100 MB-А могут нести перегрузку в 50% в течение 2 мин).

Очевидно, что при этом в обмотке выделится дополнительное коли­ чество тепла. Это тепло за 2 мин не успеет передаться охлаждающей среде и пойдет на повышение температуры обмотки. Повышение темпе­ ратуры в таких условиях согласно (2-3) определяется только количест­ вом поглощенной энергии и будет одним и тем же при одинаковой энер­ гии, за какой бы промежуток времени она не выделялась. Предпола­ гая, что количество тепла пропорционально квадрату тока статора маши­ ны, можно написать:

Оном (1,52— 1) 120 = QHOM(*„ — 1)

здесь слева написано выражение для дополнительного тепла, выделяю­ щегося при токе статора, равном 1 ,5 /нопв продолжение 120 с, а справаколичество дополнительного тепла при перегрузке кп = 1пПаом в про­

Выражение (2-20) широко используется в эксплуатации и, в част­ ности, при кратковременных перегрузках генераторов при действии форсировки возбуждения, как это описано в § 5-4.

Длительные перегрузки генератора допускаются при понижении температуры окружающей среды ниже номинальной.Процесс нагревания

57

электрических машин значительно сложнее, чем для отдельных про­ водников, аппаратуры и трансформаторов, так что нельзя дать какиелибо расчетные выражения. Допустимые нагрузки машин при снижении температуры окружающей среды ниже номинальной завод указывает в паспорте машины. Обычно для генераторов такие нагрузки избегают называть «перегрузкой», а предельные значения токов при данной тем­ пературе окружающей среды именуют «номинальным током при такой-то температуре». Эго придает большую уверенность эксплуатационному персоналу при ведении режима с одной стороны и в какой-то мере пре­ дупреждает перегрев маслины, так как позволяет установить правило: «всякие длительные перегрузки генераторов не допускаются».

Глава третья

Методы профилактических испытаний изоляции злектрооборудования

3-1. Изменение состояния изоляции в эксплуатации

Изоляция является одним из важнейших элементов электрооборудования, непосредственно определяющим на­ дежность его работы. Наиболее частой причиной нарушения электроснабжения потребителей оказываются пробой или перекрытие изоляции. При этом возникает электрическая дуга, которая может причинить значительный вред электро­ установке.

Основными показателями качества .изоляции являются электрическая прочность, тепло и влагостойкость, механи­ ческая прочность и теплопроводность. В процессе эксплуа­ тации изоляция подвергается электрическим, механическим и тепловым воздействиям и постепенно изменяет перво­ начальные свойства. Последствия этих воздействий во мно­ гом зависят от конструкции изоляции. Различают изоля­ цию: твердую (изоляторы), слоистую (изоляция электриче­ ских машин и трансформаторов), жидкую (заполнение трансформаторов и аппаратов) и различные композиции из твердых и жидких материалов.

Большие изменения в структуре изоляции происходят под действием нагрева — возникают расслоения, обра­ зуются пустоты, неравномерно распределяется пропитываю­ щий состав, снижается механическая прочность, вследствие чего появляются трещины. Все это приводит к неравномер­ ному распределению напряжений, возникновению частич­ ных разрядов в пустотах и между слоями, к увеличению диэлектрических потерь, к тепловому пробою изоляции.

58

Изоляция подвергается воздействию коммутационных и атмосферных перенапряжений. Хотя разрядники и ограни­ чивают величину перенапряжений, но могут оставаться следы их воздействий, при единичных разрядах малозамет­ ные, но при многократном повторении ведущие к ослабле­ нию изоляции и в отдельных случаях — к ее пробою.

Загрязнения изоляции, например, парами и брызгами масла из подшипников в электрических машинах, осадками из воздуха на изоляции распределительных устройств и т. п. снижают поверхностное сопротивление изоляции и могут привести к пробою. Очень вредное влияние оказывают увлажнения изоляции как поверхностные, так и внутрен­ ние, если изоляция невлагостойка.

Фарфоровая изоляция обладает большой стойкостью к электрическим, механическим и тепловым воздействиям, но на нее оказывают влияние неравномерный нагрев, сжатие арматуры на морозе, воздействия близкой дуги. Теплопро­ водность фарфора мала, между нагретым и холодными участ­ ками возникают напряжения, вызывающие появление воло­ сяных трещин.

К слоистой изоляции следует в первую очередь отнести изоляцию из волокнистых материалов (класса А). На нее наибольшее воздействие оказывает нагрев. О результатах воздействия температуры на состояние такой изоляции и об учете влияния этого воздействия было сказано в гл. 2.

Жидкая изоляция — масло под влиянием нагрева ста­ реет, в масле ускоряются процессы полимеризации, происхо­ дит окисление, выпадают смолы, шламы, в результате про­ текающих реакций образуется вода. Влага поступает в масло также и из воздуха. Даже следы влаги вызывают снижение электрической прочности масла.

В задачи эксплуатации входит организация контроля за состоянием изоляции, который позволил бы своевременно выявить опасные изменения до того, как возникает повреж­ дение изоляции. Одной из важных форм такого контроля является проведение профилактических (предупредитель­ ных) испытаний. Методы таких испытаний разработаны и постоянно совершенствуются, они в основном проверены многолетней практикой, периодичность их нормирована, так же как и значение показателей, по которым оцениваются результаты испытаний. К методике проведения испытаний предъявляются следующие основные требования:

испытания должны быть неразрушающими, т. е, не ока­ зывать на изоляцию вредного воздействия;

5 9