Выбор и использование силовых трансформаторов

Вообще говоря, расчетный срок службы трансформатора обеспечивается при соблюдении условий:

где S_н.т -нагрузка трансформатора;U_сеть- напряжение сети, к которой под­ключен трансформатор; τ_о.ср- температура окружающей среды.

При проектировании, строительстве, пуске и эксплуатации эти условия никогда (что и согласуется с теорией техноценозов) не выполняются.

Для правильного выбора номинальной мощности трансформатора (авто­трансформатора) необходимо располагать суточным графиком нагрузки, из которого известна как максимальная, так и среднесуточная активная нагрузка данной подстанции, а также продолжительность максимума нагрузки. График позволяет утверждать, соответствуют ли эксплуатационные условия загрузки теоретическому сроку службы, определяемому заводом-изготовителем (обычно 20-25 лет).

От температуры изоляции τ_изависит число ее работы tпри условии, что износ будет равен нормированному износу за сутки:

При τ_и< 80 °С износ ничтожен и им можно пренебречь. Температура ох­лаждающей среды, как правило, не равна номинальной температуре и, кроме того, изменяется во времени. В связи с этим для упрощения расчетов исполь­зуют эквивалентную температуру охлаждающей среды τ_{о эк}, под которой пони­мают такую неизменную за расчетный период температуруt_расч, при которой износ изоляции трансформатора будет такой же, как и при изменяющейся температуре охлаждающей среды τ_о(t)в тот же период. Значение этой темпе­ратуры при неизменном превышении температуры в наиболее нагретой точкеτ_н.тможно найти из уравнения

(5.6)

Эквивалентная температура за сутки τ_{о экв сут} ≈ τ_{о ср}. Эквивалентную темпе­ратуру за несколько месяцев или за год допускается принимать равной сред­немесячным температурам или определять по специальным графикам зависи­мости эквивалентных месячных температур от среднемесячных и среднегодо­вых, эквивалентных летних (апрель-август), осенне-зимних (сентябрь-март) и годовых температур от среднегодовых.

Определение превышения температуры основано на следующих положениях. По действующим стандартам под превышением температуры какой-либо части трансформатора подразумевается разность температур этой части и охлаждающей среды. Превышение средней температуры обмотки над температурой окружающей среды, определяемое по изменению сопротивления обмотки, не должно быть больше 65 °С. Наибольшее превышение температуры масла в баке (под крышкой бака трансформатора) над температурой охлаждающей среды не должно быть больше 60 °С. Наибольшая допустимая температура охлаждающей среды t_o(t): для воздуха +40°, для воды +25 °С. Допустимые превышения температуры частей трансформатора установлены одинаковыми независимо от вида охлаждающей среды (воздух или вода). В результате, если охлаждающей средой служила вода, то средняя температура обмотки на 15°С ниже, чем при использовании для этих целей воздуха. Если температура охлаждающей среды больше, то нормы нагрева должны быть снижены на число градусов, превышающих температуру воздуха или воды, соответственно 40 и 25°С.

Под температурой наиболее нагретой точки обмотки, обозначаемой через τ_нт, подразумевается температура наиболее нагретого внутреннего слоя верхней катушки. Температура наиболее нагретой точки всегда больше на несколько градусов средней температуры верхней катушки (для изоляционных материалов класса нагревостойкости А допускается 115°С): при кратковре­менных нагрузках допускаетсяτ_нт=140°С; при коротком замыкании τ_нт = 250°С для обмоток из меди и 200°С из алюминия. Благодаря быстрому прекращению процесса КЗ и малой плотности тока в обмотке при нормальных эксплуатационных нагрузках указанные предельные значения температуры не достигаются.

На практике приведенными выше данными можно пользоваться при осу­ществлении непрерывного мониторинга суточного графика нагрузки, осуще­ствляемого для оценки износа изоляции (для трансформаторов 3УР мониторинг сейчас экономически не целесообразен). Ценологическая реальность условий не позволяет использовать выражения (5.1) и (5.2), поэтому при про­ектировании и отсутствии суточного графика с достаточной для практических целей точностью на заданный расчетный уровень определяют максимальную активную нагрузку подстанции Р_maх(МВт) и на ее основе осуществляют выбор трансформатора.

Если при выборе номинальной мощности трансформатора на однотранс- форматорной подстанции исходить из условия

(5.7)

где ΣP_max- максимальная активная нагрузка пятого года эксплуатации; Р_р - проектная расчетная мощность подстанции, то при графике с кратковременным пиком нагрузки (0,5-1 ч) трансформатор длительное время будет работать с недогрузкой. При этом неизбежно завышение номинальной мощности трансформатора и, следовательно, завышение установленной мощности подстанции. В ряде случаев выгоднее выбирать номинальную мощность трансформатора близкой к максимальной нагрузке достаточной продолжи­тельности с полным использованием его перегрузочной способности с учетом систематических перегрузок в нормальном режиме.

Наиболее экономичной по ежегодным издержкам и потерям будет работа трансформатора в часы максимума - работа с перегрузкой. В реальных усло­виях значение допустимой нагрузки выбирают в соответствии с графиком на­грузки и коэффициентом начальной нагрузки и в зависимости от температуры окружающей среды

Коэффициент нагрузки, или коэффициент заполнения суточного графика нагрузки, практически всегда меньше единицы:

(5.8)

где P_ср.сут,P_maxиI_ср.сут,I_max- соответственно среднесуточные и максимальные мощности и ток.

В зависимости от характера суточного графика нагрузки (коэффициента начальной загрузки и длительности максимума), эквивалентной температуры окружающей среды, постоянной времени трансформатора и вида его охлаж­дения согласно ГОСТ допускаются систематические перегрузки трансформа­торов.

Перегрузки трансформатора можно определить при преобразовании заданного графика нагрузки в эквивалентный в тепловом отношении. Допустимая нагрузка трансформатора зависит от начальной нагрузки, максимума нагрузки и его продолжительности и характеризуется коэффициентом превышения нагрузки (перегрузки), определяемым из выражения

(5.9)

а коэффициент начальной нагрузки определяется из выражения

(5.10)

где I_экв(max)- эквивалентный максимум нагрузки;I_{экв н}- эквивалентная начальная нагрузка, определяется за время 10 ч, предшествующее началу максимума нагрузки.

Эквивалентный максимум нагрузки (и эквивалентная начальная нагрузка) определяется по формуле

(5.11)

где a₁,а₂, ..., а_n- различные ступени средних значений нагрузок в долях но­минального тока;t₁,t₂, ...,t_n- длительность нагрузок, ч.

Допустимые систематические перегрузки трансформаторов определяют по графикам или таблицам нагрузочной способности трансформаторов. Коэффициент перегрузки k_п.ндается в зависимости от среднегодовой температуры воздуха τ_ср.г, вида охлаждения и мощности трансформаторов, коэффициента начальной нагрузкиk_н.ни продолжительности двухчасового эквивалентного максимума нагрузкиt_maхДля других значенийt_maxдопускаемыйk_п.нможно определить по кривым нагрузочной способности трансформатора.

Если максимум графика нагрузки в летнее время меньше номинальной мощности трансформатора, то в зимнее время допускается длительная 1%-ная перегрузка трансформатора на каждый процент недогрузки летом, но не более чем на 15%. Суммарная систематическая перегрузка трансформатора не должна превышать 150%. При отсутствии систематических перегрузок допускается длительная нагрузка трансформаторов током на 5% выше номинального при условии, что напряжение каждой из обмоток не будет превышать номинальное.

На трансформаторах допускается повышение напряжения сверх номи­нального: длительно - на 5% при нагрузке не выше номинальной и на 10% при нагрузке не выше 0,25 номинальной; кратковременно (до 6 ч в сутки) - на 10% при нагрузке не выше номинальной. Дополнительные перегрузки одной ветви за счет длительной недогрузки другой допускаются в соответствии с указаниями завода-изготовителя. Так, трехфазные трансформаторы с расщепленной обмоткой 110 кВ мощностью 20, 40 и 63 МВА допускают следующие относительные нагрузки: при нагрузке одной ветви обмотки 1,2; 1,07; 1,05 и 1,03 нагрузки другой ветви должны составлять соответственно 0; 0,7; 0,8 и 0,9.

Номинальная мощность каждого трансформатора двухтрансформаторной подстанции, как правило, определяется аварийным режимом работы подстан­ции: при установке двух трансформаторов их мощность выбирается такой, что­бы при выходе из работы одного из них оставшийся мог обеспечить нормаль­ное электроснабжение потребителей с допустимой аварийной перегрузкой.

Ниже приведены значения кратковременных перегрузок масляных транс­форматоров с системами охлаждения М, Д, ДЦ, Ц сверх номинального тока (независимо от длительности предшествующей нагрузки, температуры окру­жающей среды и места установки).

Аварийные перегрузки масляных трансформаторов со всеми видами ох­лаждения:

Для трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов указанные перегрузки относятся к наиболее нагруженной обмотке.