22.5. Номинальная мощность и нагрузочная способность трансформаторов

Номинальная мощность трансфор­матора представляет собой значение полной мощности трансформатора на основном ответвлении, гарантированное заводом-изготовителем в номинальных условиях охлаждающей среды при но­минальном напряжении и номинальной частоте.

Под нагрузочной способностью по­нимают свойство трансформатора нести нагрузку сверх номинальной при усло­виях эксплуатации, определяемых пред­шествующей нагрузкой и температурой охлаждающей среды.

Опыт показывает, что трансформа­торы могут без ущерба для нормально­го срока службы работать в течение части суток (года) с нагрузкой, превы­шающей номинальную, если в другую часть рассматриваемого периода их нагрузка меньше номинальной. Крите­рием допустимости того или иного ре­жима (в течение суток и года) является не номинальная мощность, а износ изо­ляции за рассматриваемый период. Если при выборе трансформаторов и их экс­плуатации руководствоваться только но­минальной мощностью, они будут не­доиспользованы.

Тепловое старение изоляции. При по­вышении температуры изоляции класса А ускоряются в соответствии с законом Аррениуса химические реакции (главным образом окислительные), что ведет к потере механической прочности изоля­ции. Зависимость среднего срока службы изоляции класса А от температуры при изменении последней в пределах от 80 до 140 °С может быть представлена следующей показательной функцией:

где А и а — некоторые постоянные; — температура изоляции в наиболее нагретой точке.

Срок службы изоляции при номи­нальной температуре +98°С равен

Отношение F/F_HOM представляет со­бой относительный срок службы изоля­ции (величина безразмерная):

Величина, обратная относительному сроку службы, называется относи­тельным износом изоляции:

При расчетах удобно перейти от ос­нования е к основанию 2. Тогда выра­жение для относительного износа полу­чит следующий вид:

где

Постоянную принимают равной 6 °С. Это означает, что при изменении температуры на каждые 6°С относи­тельный износ и соответственно срок

службы изоляции изменяются в 2 раза (шестиградусное правило).

При температуре 98 °С относитель­ный износ изоляции равен единице, т. е. номинальному износу. Зависимость относительного износа F изоляции клас­са А от температуры приведена на рис. 22.23. В полулогарифмическом мас­штабе это наклонная прямая.

Произведение относительного изно­са при некоторой температуре на время t представляет собой износ (вы­раженный в часах, сутках) за это время:

(22.24

Если в течение суток температура изменяется, график температуры разби­вают на участки, в пределах которых температуру можно считать неизменной, и определяют износ за сутки, выра­женный в часах, как сумму произведе­ний:

Если износ за сутки равен 24 ч, то он соответствует «нормальным суткам».

При расчете износа достаточно оп­ределить износ на участке графика, где температура обмотки превышает 80 °С,

поскольку при температуре, меньшей 80 °С, износ ничтожно мал.

Допустимые нагрузки для трансфор­матора, работающего по двухступенча­тому графику. Расчеты допустимой на­грузки связаны с определением износа изоляции. Объем вычислительной ра­боты велик. Поэтому наряду с точны­ми расчетами, показанными выше, при­менение получили расчеты по таблицам, составленным для двухступенчатых гра­фиков суточной нагрузки с параметра-

ми K₁, К₂ и h (рис. 22.24). Предвари­тельно заданный суточный график дол­жен быть преобразован в эквивалентный (в отношении износа) двухступенчатый. Преобразование заданного графика нагрузки в эквивалентный двухступенча­тый график (рис. 22.25) следует выпол­нять в следующей последовательности:

1) провести на заданном графике горизонтальную линию с ординатой К = 1, т. е. линию номинальной нагруз­ ки shom>

2. пересечением этой линии с исход­ ным графиком выделить участок наи­ большей перегрузки продолжитель­ ностью h';

3. оставшуюся часть исходного гра­ фика разбить на т интервалов Дг,-, исходя из возможности провести линию средней нагрузки в каждом интервале, и определить значения S₁, S₂, ..., S_n;

4) определить начальную нагрузку K₁ эквивалентного графика из выраже­ ния

5) участок перегрузки h' на исходном графике разбить на р интервалов Δh_i,

исходя из возможности провести линию средней нагрузки в каждом интервале, и определить значения S'₁, S'₂, ..., S'_p;

6) определить предварительное зна­чение нагрузки К'₂ эквивалентного гра­фика нагрузки из выражения

Затем следует сравнить предвари­тельное значение К'₂ с К_тах исходного графика; если К'₂ ≥0,9K_max, следует при­нять К₂ = К₂; если К₂ < 0,9К'_тах, следу­ет принять К₂ = 0,9К_тах; продолжитель­ность перегрузки следует скорректиро­вать по формуле

Различают режим систематической нагрузки и режим аварийной перегруз­ки трансформаторов. В режиме система­тической нагрузки износ изоляции транс­форматора в течение рассматриваемого периода (суток, года) равен номиналь­ному износу. Максимальная нагрузка

трансформатора не должна превышать 1,5S_ном, температура масла в верхних слоях не должна превышать 95°С, а температура в наиболее нагретой точке обмотки не должна превышать 140°С. В таком режиме трансформатор может работать в течение всего срока службы.

В режиме аварийной перегрузки из­нос изоляции превышает номинальный. Максимальная нагрузка трансформато­ра не должна превышать 2,0S_ном, темпе­ратура масла в верхних слоях не должна превышать 115°С, температура в наибо­лее нагретой точке обмотки трансфор­маторов с номинальным напряжением до 110 кВ включительно не должна превышать 160°С, а трансформаторов с номинальным напряжением выше 110 кВ — 140°С. Такой режим допуска­ется в исключительных условиях в те­чение ограниченного времени, чтобы не прерывать электроснабжения.

Таблицы допустимых нагрузок транс­форматоров приведены в приложении 4. Они рассчитаны по следующим значе­ниям параметров номинального режи­ма:

а) для трансформаторов с система­ ми охлаждения М и Д = 60 °С;

= 3 ч; х = 0,9 и у = 1,6; допускается использование таблиц и для трансфор­маторов, у которых = 55 °С;

б) для трансформаторов с система­ ми охлаждения Ц и ДЦ =40°С;

= 2 ч; х = 1,0 и у = 1,8; d = Р_к.ном/Р_ном = 5.

Таблицы П4.1 — П4.7 определяют до­пустимые систематические нагрузки трансформаторов при работе по двух­ступенчатому графику при температуре охлаждающей среды от — 20 до + 40 °С. Обозначение ( + ) указывает на то, что К₂ > 2,0, что недопустимо. Подчеркну­тые значения указывают на то, что 1,5 < К₂ ≤ 2,0. Такие режимы допусти­мы, но требуют согласования с заво­дом-изготовителем.

Таблицы П4.8 —П4.14 определяют допустимые аварийные перегрузки транс­форматоров при работе по двухступен­чатому графику при температуре ох­лаждающей среды от —20 до +40°С. Соответствующий износ изоляции мо-

жет быть определен по табл. П4.16— П4.31, в которых приведены значения относительного износа изоляции F при температуре охлаждающей среды +20°С, а также границы предельно допустимых значений К₂ при различных иK₁. Для определения относитель­ного суточного износа изоляции при температуре необходимо ум-

ножить износ, найденный по таблицам, на коэффициент f, значения которого приведены в табл. П4.15,

Эквивалентная температура воздуха.

Температура воздуха непрерывно изме­няется. Соответственно изменяется и температура обмоток трансформатора даже в том случае, когда нагрузка не изменяется. Принимая во внимание, что относительный износ изоляции не пропорционален температуре, нельзя при расчете износа за некоторое время исхо­дить из средней температуры воздуха за это время. Вместо средней следует вводить в расчет эквивалентную темпе­ратуру.

Эквивалентной температурой возду­ха за время Т называется некоторая постоянная температура, при которой износ изоляции класса А получается такой же, как в действительных усло­виях при изменяющейся температуре

воздуха за рассматриваемый период вре­мени. Допустим, что нагрузка трансфор­матора в течение некоторого времени Г не изменяется. Тогда при естественно изменяющейся температуре воздуха и при неизменном превышении темпера­туры обмотки износ изоляции за время Т может быть определен из сле­дующего выражения:

Если вместо изменяющейся темпера­туры воздуха ввести некоторую постоян­ную температуру то получим

Из условия сохранения износа имеем

Эквивалентная температура воздуха за время Т не зависит от нагрузки трансформатора. Она выше средней тем­пературы воздуха за это же время. Однако, если отклонение температуры от среднего значения невелико, разница между средней и эквивалентной темпе­ратурами может оказаться незначитель­ной. Так, например, эквивалентную су­точную температуру можно в большин­стве случаев заменить среднесуточной.

На основании многолетних наблю­дений за температурой воздуха опреде­лены месячные, сезонные и годовые эквивалентные температуры воздуха для разных климатических зон. Они служат единственными характеристиками ес­тественно изменяющейся температуры воздуха в месте установки трансформа­торов. Среднегодовые и эквивалентные температуры воздуха некоторых горо-

дов приведены в ГОСТ 14209-85. Эк­вивалентная годовая температура в Москве равна +1-0,1 °С; эквивалентная зимняя температура равна — 8,2 °С и эквивалентная летняя +18 °С.

Согласно ГОСТ 11677-85* для трансформаторов установлены следую­щие допустимые температуры:

Указанные в ГОСТ температуры следует рассматривать как расчетные предельные, при которых заводы-изго­ товители гарантируют нормальную ра­ боту трансформаторов. Наблюдаемые температуры воздуха в большинстве районов СССР отличаются от предель­ ных. Так, например, среднегодовая тем­ пература в СССР нигде не достигает + 20 °С. Лишь в некоторых районах Средней Азии она равна +18°С; на всей территории к северу от Черного, Каспийского и Аральского морей сред­ негодовая температура ниже +9°С; в северных районах Сибири она ниже нуля. Среднесуточные температуры вы­ ше + 30 °С наблюдаются на значитель­ ной части территории СССР, однако число дней в году с такой температу­ рой в большинстве районов невелико. Таким образом, трансформатор, выпол­ ненный по ГОСТ 11677-85*, может удовлетворительно работать в любой климатической зоне СССР. Однако из­ нос изоляции и срок службы трансфор­ матора неодинаковы в разных клима­ тических зонах. Они зависят от режима трансформатора и соответствующих эк­ вивалентных температур (месячных и го­ довой).

Глава двадцать третья

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ

УСТРОЙСТВ.