Расчеттепловогорежиматрансформатораитермического износаизоляции

Практическоеснятиесуточногографиканагрузкитрансформатора осуществляется снекоторыминтерваломвремени,внутрикоторого нагрузкасчитаетсянеизменной. Поэтомуграфикнагрузкипредставляет собойступенчатыйвид.Нарис.9.3,априведенсуточныйступенчатый графикнагрузкитрансформатора,снятыйсвременныминтервалом1 ч.

Дляоценкидопустимостиперегрузкитрансформатора суточный графикегонагрузкипреобразуетсявэквивалентный потепловому воздействиюнаизоляциюдвухступенчатый график.Наисходном графикепроводитсялинияноминальной нагрузки S ном.Пересечением этойлиниисисходнымграфикомвыделяется участокперегрузки продолжительностью t.

Частьграфиканагрузки,расположеннаянижелинии S ном,состоитиз интервалов∆ t icнагрузкой S iнакаждоминтервале(i =1,2,… m).Другая частьграфиканагрузки,расположенная вышелинии S ном,состоитиз интервалов∆ t jcнагрузкой S jнакаждоминтервале(j =1,2,… n).

Эквивалентированиекаждойчастиграфика нагрузкипроводитсяпо

условиюодинакового тепловоговоздействия наизоляцию действительногопеременногоиэквивалентного неизменногографика нагрузки:

эквивалентная неизменнаянаинтервале(24- t)предшествующая нагрузка

(2.54)

эквивалентнаянеизменнаянаинтервале t перегрузка S 2

(2.55)

Эквивалентный потепловомувоздействию наизоляцию двухступенчатый графикнагрузкиспредшествующей нагрузкой S 1и перегрузкой S 2показаннарис.2.19,б.

Рис.2.19. Преобразованиеграфиканагрузки(а)в эквивалентный двухступенчатый(б)и переходныйтепловойрежимтрансформатора(в)

Приоценкедопустимостиперегрузкитрансформаторов удобно пользоватьсяотносительными единицами.Относительные значения предшествующейнагрузкии перегрузкиопределяютсяотношениями

(2.56)

Рассмотримрасчеттепловогорежиматрансформатора при измененииегонагрузкинапримере двухступенчатогографика(рис.9.3). Температураохлаждающейсредыв течение суток принимается постояннойи равнойэквивалентнойтемпературеΘа.Установившийся тепловойрежим.Вустановившемся тепловом режиме,предшествующемперегрузке,температурамаслаΘо инаиболее нагретойточкиобмоткиΘhнеизменны. Этомурежимусоответствует участокграфикаснагрузкой S 1(вотносительных единицах К 1)перед интерваломперегрузки t. Температурамасланавыходе изобмотки ΘоК1 итемпературанаиболеенагретойточкиобмоткиΘhК1 вычисляютсяпо следующим выражениям:

(2.57)

(2.58)

(2.59)

(2.60)

Необходимыедлярасчетовпоказателиприведеныв табл.2.10.

Переходныйтепловой режимвинтервалеtувеличениянагрузки от значенияК1дозначенияК2.Тепловаяпостояннаявремениметаллических обмотокτоб значительно меньшетепловойпостоянной временимаслаτо. Поэтомуприувеличениинагрузкитемператураобмоток(посравнениюс температуроймасла)увеличиваетсядонового установившегосязначения практическимгновенно.Вдальнейшемтемпературы обмотокимасла увеличиваютсясодинаковойпостояннойвремениτо.Индекс r соответствуетноминальномузначениюпараметра.

Таблица 2.10

ИзменениявовременитемпературымаслаΘо(t) итемпературы наиболеенагретойточкиобмоткиΘh(t)вычисляютсяпоследующим выражениям:

(2.61)

(2.62)

(2.63)

(2.64)

где∆ΘоаK2–превышениетемпературымасланадтемпературойвоздуха придлительнойнагрузкетрансформатора,равной К 2,рассчитываемоепо формуле,аналогичной(9.11);

t =1,2,3... t – текущеевремя,ч.

Температурамасланавыходеизобмоткиитемпература наиболее нагретойточкиобмоткикконцуинтервала перегрузки t соответственно составятΘо t и Θh t.

Переходныйтепловойрежимпосле интервалаtприуменьшении нагрузкиотзначенияК2 дозначенияК1.Послеснижениянагрузки процессуменьшениятемпературымаслаΘо(t)итемпературынаиболее нагретойточкиобмоткиΘh(t)рассчитываетсяпоследующим выражениям:

(2.65)

(2.66)

(2.67)

(2.68)

где t =1,2,3...3τо– текущеевремя.

При t ≅3τо наступает установившийся тепловой режим,соответствующийнагрузке К 1.

Расчеттермическогоизносавитковой изоляции.Приноминальной нагрузкетрансформатора,температуревоздухаΘа= 20оСиноминальных значенияхпревышений температур∆Θоаr=55оСи∆Θhоr=23оС температура наиболеенагретойточкиобмоткиΘh=98оС. Этобазоваятемпературанаиболеенагретой точкиобмотки, прикоторой износизоляцииобмотоксоответствуетотносительному срокуслужбы трансформатора,равному 1.

Вустановившемся тепловомрежимеснагрузкой К итемпературой наиболеенагретойточкиобмоткиΘhКизносвитковойизоляциизасутки определяетсяпо выражению

(2.67)

где∆ =6оС–температурныйинтервал,принятыйвсоответствиис6-

градуснымправиломизноса изоляции.

Размерностьотносительного износавитковойизоляции– нормальные сутки.Например,длянеизменной втечениесутокнагрузки К, обуславливающей температурунаиболеенагретой точки обмотки ΘhК=86оС,относительныйизносвитковойизоляциисоставит:

норм.Сут. (2.68)

Такимобразом, за одни сутки при нагрузке К итемпературе наиболеенагретойточкиобмоткиΘhК =86оСвитковаяизоляция износится такжекакза0,25сутокпринагрузке, обуславливающей температурунаиболеенагретойточкиобмоткиΘh=98оС.

В переходном тепловом режиме, когда температура наиболеенагретой точки обмотки является функцией времени Θh(t), износ изоляциинаинтервалевремени t 1 < t < t 2определяетсякак

(2.69)

Напрактикеприменяется болеепростойспособрасчета термическогоизносаизоляциивпереходном тепловомрежиме. ЗависимостьΘh(t)разбиваетсяна n участков∆ t i,накаждомизкоторых изменениеΘh(t) можносчитатьлинейным.Накаждом i –мучастке величинаΘh(t)заменяетсясреднимзначениемтемпературыΘhi.Износ изоляцииопределяетсякак

(2.70)

Кромеаналитических выраженийв[8]приводятсятаблицыи номограммы, позволяющиеприэксплуатациитрансформаторовоценить допустимыеперегрузкии износизоляции,неприбегаяквычислениям.

Эксплуатациятрансформаторногомасла. Трансформаторное масло выполняет в трансформаторе три основныефункции:изолируетнаходящиесяподнапряжениемузлыактивнойчасти; охлаждаетнагревающиесяпри работеузлы активной части; предохраняеттвердуюизоляциюобмотокот увлажнения. Эксплуатационныесвойствамасла и его качество определяются

химическимсоставоммасла.Вновьпоступившее маслодолжноиметь сертификатпредприятия-поставщика, подтверждающийсоответствие масластандарту.Длямасла,прибывшего вместестрансформатором, соответствиестандартуподтверждается записьювпаспорте трансформатора.

Прикаждомосмотретрансформаторов проверяетсятемпература верхнихслоевмасла,контролируемая потермометрамили термосигнализаторам.Этатемпературанедолжнапревышать95оС.В противном случаенагрузкатрансформаторадолжнабытьснижена.

Состояниемаслаоцениваетсяпорезультатамиспытаний,которыев зависимостиот объемаделятсянатри вида.

1.Испытаниянаэлектрическую прочность.Здесьопределяется пробивноенапряжениемасла U пр,визуально (качественно)определяется содержаниемеханическихпримесейи влаги.

Электрическая прочность-однаизосновныххарактеристик диэлектрических свойствмасла.Испытаниямасланаэлектрическую прочность проводятся встандартном маслопробойнике(рис.2.20), представляющем собойфарфоровыйсосуд1,вкоторый вмонтированы дваплоскихэлектрода2.

Маслозаливаетсявмаслопробойникиотстаиваетсявтечение20 минутдляудаленияизнеговоздушныхвключений.Напряжение на электродахмаслопробойника плавноповышаетсядопробоямасла.С интервалом10мин.выполняютсяшесть пробоев.Первыйпробойне учитывается,асреднееарифметическое пятидругихпробоев принимаетсязапробивноенапряжениемасла.

Снижениепробивногонапряжениясвидетельствует обувлажнении масла,наличиивнемрастворенного воздуха,загрязнениимасла волокнами от твердой изоляции и другими примесями.

2. Сокращенный анализ масла. Здесь дополнительно к п.1

определяютсятемпературавспышкимаслаи кислотноечисло.

Температура вспышкипаровмаславзакрытомтиглехарактеризует фракционныйсоставмаслаислужитдляобнаружениявтрансформаторе процессовразложениямасла.

Рис.2.20. Стандартныймаслопробойник

Кислотноечисло–этоколичествоедкогокали(КОН),выраженное в мг и необходимоедлянейтрализации кислот,содержащихсяв 1 г масла.Старениемасласопровождаетсяувеличениемвнемсодержания кислотныхсоединений,поэтомукислотноечислохарактеризуетстепень старениямасла.

3.Полныйанализмасла.Здесьдополнительно кп.2определяются, количественное определениевлагиимеханическихпримесей,тангенс угладиэлектрическихпотерьtgδ,содержаниеводорастворимыхкислоти щелочей,содержаниеантиокислительных присадок,температура застывания,газосодержаниеи другиепоказатели.

Величинадиэлектрическиех потерь(tgδ)характеризуетстепень загрязненияи старениямасла.

Влагосодержание тщательноконтролируется приэксплуатации трансформаторного масла.Ухудшениеэтогопоказателяхарактеризует нарушениегерметичности трансформатора илиего работу в

недопустимом нагрузочномрежиме.Впоследнемслучаепроисходит интенсивноестарениецеллюлознойизоляцииивыделение еювлагипод воздействием повышеннойтемпературы. Крометого,маслосодержит химическисвязаннуюводу,котораяможет выделятьсяввидесвободной водыврезультатестарениямаслаиподвоздействием повышенной температуры.

Увеличениегазосодержания (кислородавоздуха)приводитк интенсификацииокислительныхпроцессоввмасле. Этотпоказатель косвеннохарактеризуети герметичностьтрансформатора.

Температуразастыванияактуальнадлямасла,эксплуатируемогов районах крайнегосевера.

Различаютмаслосвежее,регенерированное (восстановленное)и эксплуатационное.Характеристикисвежегоирегенерированного масла практическинеотличаются.Дляэксплуатационного маслаустановлены нормально допустимыеи предельно допустимыепоказателикачества.

Нормальнодопустимыепоказателигарантируют нормальную работуоборудования.Припоказателяхмасла,приближающихся к предельнодопустимым,необходимопринятьмерыповосстановлению эксплуатационныхсвойствмаслаили провестиегозамену.

Втабл.2.11приведеныпоказателитрансформаторного маслав соответствииссокращенныманализом.

Показатели трансформаторного масла.Таблица2.11

* - уменьшениенеболеечемна5оСпо сравнениюспредыдущиманализом.

Дляопределения показателеймаслаберетсяегопробавсухую, чистую,стекляннуюемкостьвместимостью около1лспритертой стекляннойпробкой.Масло беретсяизнижнихслоевчерез специальный сливнойкран.Предварительно сливаетсянекотороеколичествомасла (2…3л) дляополаскиваниястекляннойемкости.Наемкостидолжна бытьэтикетка суказаниемоборудования,изкотороговзятапроба,даты, причины отбора пробы и фамилии лица, отобравшего пробумасла.Периодичность отбора проб масла соответствует периодичности текущихремонтовтрансформатора.

Непосредственный контактмасласатмосфернымвоздухом приводиткнасыщению маславлагойикислородом. Врезультате уменьшается электрическая прочность масла, ускоряются окислительныепроцессыв масле(маслостареет).

Длязамедленияпроцессовувлажнения истарениямаславнего добавляют антиокислительныеприсадки, авконструкции трансформаторапредусматривают специальныеустройства: термосифонныефильтры,воздухоосушители, пленочнуюиазотную защиты.

Антиокислительныеприсадкиспособствуют поддержанию требуемогокачествамасладлительное время,атакжезащищают другие изоляционныематериалытрансформатора.Срокслужбымасластакими присадкамиувеличивается в2…3раза.Стоимостьприсадок относительноневелика.Добавкуприсадоквыполняют разв4…5лет. Примеромантиокислительнойприсадкислужиттехническийпирамидон в количестве3% от массымасла[10].

Термосифонныйфильтрпредназначен дляпоглощения влагии продуктовокисленияистарения маславпроцессеэксплуатации.Общий видтермосифонного фильтраприведеннарис.2.21,а.Корпусфильтра1 заполненадсорбентом 2(силикагелем илидругимвеществом), поглощающимвлагуи продуктыокислениямасла.Спомощью патрубков5фильтрприсоединен кверхнейинижнейчастямбака трансформатора. Маслочерезфильтрциркулируетзасчетразности плотностейнагретого(вверхнихслоях)ихолодного(внижнихслоях) масла.

Количество адсорбента в фильтре составляет около 1% массы масла.Насыщенный влагойадсорбентудаляетсячерезбункер4,ачерез бункер3загружается свежийадсорбент. Использованныйадсорбент регенерируетсянагреваниемдотемпературы400…500оС.

Насыщениеадсорбентавлагойконтролируется поизменениюего окраски.Вчастности,добавкаксиликагелю хлористогокобальта обуславливает его голубую окраску.Появлениерозовой окраски являетсяпризнакомнасыщения силикагелявлагойипродуктами старениямасла.

Трансформаторы мощностью1000кВ. Аиболеедолжны эксплуатироваться спостоянновключеннымитермосифонными фильтрами.

Маслооченьгигроскопично, иеслирасширительнепосредственно связансатмосферой,товлагаизвоздухапоглощаетсямаслом,снижая его изоляционныесвойства. Для предотвращенияэтого расширитель

связываютсокружающейсредойчерез воздухоосушитель(позиция3на рис.2.21,б),заполненныйсиликагелем.

Принцип пленочной защиты(рис. 2.21,б) заключается в герметизациимасла засчетустановкивнутрирасширителя2эластичной емкости 1, предназначенной для компенсациитемпературного изменения объемамасла.Этаемкостьплотноприлегаетквнутренней поверхностирасширителя имасла,обеспечиваягерметизацию последнегоот окружающейсреды.

Внутренняя полостьэластичнойемкостисоединенасокружающей средойчерезвоздухоосушитель3,препятствующийконденсациивлаги внутриемкости.Патрубок4соединяетрасширитель сбаком трансформатора.

Азотнаязащита(рис.2.21,в)заключается взаполнении надмасленногопространства1герметичногорасширителясухимазотом. Компенсациятемпературныхизмененийобъемамаслаосуществляется засчетсвязинадмасляногопространства смягкимрезервуаром2.

Несмотрянавсеприменяемые защиты,впроцесседлительной эксплуатации маслоувлажняется истареет.Приприближении показателеймаслакпредельнодопустимымегоподвергаютрегенерации (восстановлению). Наспециальныхустановкахмаслоцентрифугируют, фильтруют,сушат,дегазируют.

а) б) в)

Рис.2.21. Термосифонныйфильтр(а),принципиальныесхемыпленочной (б)и азотной(в) защитмасла

Прицентрифугированииизмаслаудаляютсятвердые механические примесиичастичновлага,имеющиебольшуюплотность,чеммасло. Прифильтрованиимаслопродавливаетсячерезпористуюсреду(картон,бумагу),вкоторойзадерживаютсянерастворимыепримесиичастично влага.Глубокаясушкамаславыполняетсяраспылениемввакуумеили нацеолитовыхустановках,вкоторыхмаслофильтруется черезслой молекулярныхсит-цеолитов,задерживающих молекулыводы,но пропускающих молекулы масла. Растворенный в масле кислород удаляютв специальныхдегазационныхустановках.

Стоимостьрегенерированного маслаприполностью восстановленныхэксплуатационныхкачествах непревышает50-60%от стоимостинового масла.

Сложностиэксплуатациитрансформаторногомасла: защитаот окружающейсреды,периодический контрольсостояния,испытания, регенерация–обусловили широкоеиспользованиевраспределительных сетях6…35кВтрансформаторов герметичногоисполнения(ТМГ), изготавливаемыхсноминальноймощностьюдо1600кВ. А. Эти трансформаторы полностью заполнены маслом инеимеют расширителя.Температурные измененияобъемамаславоспринимаются гофрированным баком.

Втрансформаторах ТМГконтактмасласокружающейсредой полностьюотсутствует,чтоисключаетегоувлажнение, окислениеи шламообразование. Маслопрактическинеменяетсвоихсвойствв течениевсегосрокаслужбытрансформатора.Поэтомуприэксплуатации такихтрансформаторов отсутствуетнеобходимостьпериодического взятияпроб и испытаний масла.

Внастоящеевремяальтернативойтрансформаторному маслу являютсяжидкиедиэлектрики Midel7131,СофексилТСЖидругие. ЭкологическичистыйдиэлектрикMidel7131(пробивноенапряжение55 кВ,кислотноечисло0,02мгКОН/г,температура вспышки257оС) применяетсятам,гдетребуетсявысокая пожаробезопасность–вжилых, служебных,некоторыхпроизводственныхпомещениях.

Дляулучшениясвойствтрансформаторногомасла российский производительтрансформаторовОАО"Уралэлектротяжмаш"использует смесьизминеральноготрансформаторного маслаиMidel7131.Этой фирмойизготавливаютсятрансформаторы, полностьюзаполненные Midel7131.

Экологически чистыйдиэлектрикСофексилТСЖ(пробивное напряжение35кВ,температура вспышки300оС)является пожаробезопасным. Вусловияхсуровогороссийскогоклиматаявным преимуществомСофексилТСЖявляетсянизкаятемпературазастывания -75oC.Температуразастываниястандартного трансформаторного масла-45oC.Недостаточно низкаятемпература застываниямасламожет привестикперегревуиповреждениютрансформатораприегозапускев суровыхклиматическихусловиях(Сибирь,районыкрайнегоСевера).

Трансформаторы сэкологическичистымижидкимидиэлектриками дорожетрадиционныхмасляныхтрансформаторов, нодешевлесухих трансформаторовиуспешноконкурируютспоследними вчасти пожарной безопасностив распределительныхсетях6…35 кВ.

Хроматографическийанализгазов,растворенныхв трансформаторноммасле. Необходимость контролязаизменениемсоставамаславпроцессе эксплуатациитрансформаторов ставитвопросовыборетакого аналитического метода,которыйсмогбыобеспечитьнадежное качественноеиколичественное определениесодержащихсяв трансформаторном маслесоединений.Внаибольшейстепениэтим требованиямотвечаетхроматография,представляющая собой комплексныйметод,объединивший стадиюразделениясложныхсмесей наотдельныекомпонентыистадиюихколичественногоопределения. Порезультатам этиханализовпроводитсяоценкасостояния маслонаполненногооборудования.

Хроматографический анализ газов, растворенных в масле, позволяетвыявитьдефектытрансформатора нараннейстадииих развития,предполагаемый характердефектаистепеньимеющегося повреждения.Состояниетрансформатора оцениваетсясопоставлением полученныхприанализеколичественных данныхсграничными значениямиконцентрациигазовипоскоростиростаконцентрациигазов вмасле.Этотанализдлятрансформаторовнапряжением110кВивыше долженосуществлятьсянереже1 разав 6 месяцев[1, 14].

Основнымигазами,характеризующимиопределенные виды дефектоввтрансформаторе, являются:водородН2,ацетиленС2Н2,этан С2Н6,метанСН4,этиленС2Н4,окисьСОи двуокисьСО2углерода.

Водородхарактеризуетдефектыэлектрического характера (частичные, искровыеидуговыеразрядывмасле);ацетилен– перегрев активныхэлементов;этан–термический нагревмаслаитвердой изоляцииобмотоквдиапазонетемператур до300°С;этилен– высокотемпературныйнагревмаслаитвердойизоляцииобмотоквыше

300°С; окисьи двуокись углерода– перегрев и разряды втвердой изоляцииобмоток.

Спомощьюанализаколичестваисоотношения этихгазовв трансформаторном маслеможнообнаружитьследующиедефектыв трансформаторе.

1.Перегревытоковедущих частейиэлементовконструкции магнитопровода.Основные газы:этиленилиацетилен. Характерные газы:водород,метаниэтан.Еслидефектомзатронутатвердаяизоляция, заметновозрастаютконцентрацииокисии двуокисиводорода.

Перегревтоковедущихчастейможетопределяться: выгоранием контактовпереключающих устройств;ослаблениемкрепления электростатического экрана;ослаблениеминагревомконтактных соединенийотводовобмоткинизкогонапряжения илишпильки проходного изолятораввода;лопнувшейпайкойэлементов обмотки; замыканиемпроводниковобмоткии другимидефектами.

Перегревэлементовконструкциимагнитопровода может определяться:неудовлетворительной изоляциейлистов электротехнической стали;нарушениемизоляциистяжныхшпилек, ярмовыхбалоксобразованием короткозамкнутогоконтура;общим нагревоминедопустимыми местныминагревамиотмагнитныхполей рассеяниявярмовыхбалках,бандажах,прессующих кольцах; неправильнымзаземлениеммагнитопроводаи другимидефектами.

2.Дефекты твердойизоляции.Этидефектымогутбытьвызваны перегревомизоляцииот токоведущих частейи электрическими разрядамивизоляции.Приперегревеизоляцииоттоковедущихчастей основнымигазамиявляютсяокисьидвуокисьуглерода,ихотношение СО2/CO,какправило,больше13;характерными газамисмалым содержанием являютсяводород,метан, этилен иэтан;ацетилен, как правило,отсутствует.

Приразрядахвтвердойизоляцииосновными газамиявляются ацетилениводород,ахарактернымигазамилюбогосодержания-метан и этилен.При этомотношениеСО2/CO, какправило,меньше5.

3.Электрическиеразрядывмасле. Эточастичные, искровыеидуговыеразряды.Причастичныхразрядахосновным газомявляется водород;характерными газамисмалымсодержанием -метаниэтилен. Приискровыхидуговыхразрядахосновнымигазамиявляютсяводород и ацетилен; характерными газами с любым содержанием - метан и этилен.

Послевыявлениядефектаиегоподтверждениянеменеечемдвумя- тремяпоследующими измерениямиследуетпланироватьвывод трансформатора изработыпреждевсегосдефектамигруппы2.Чем раньшевыведенизработытрансформаторсразвивающимсядефектом, темменьшерискегоаварийногоповрежденияи объемремонтныхработ.

Еслипорезультатамдиагностикитрансформатор долженбыть выведенизработы,нопокаким-тообъективным причинамэто невозможно осуществить, его следует оставить на контроле с учащеннымотборомпробмаслаи хромотографическиманализомгазов.

Хроматографическийанализгазов,растворенныхвмасле,позволяет выявлятьнетолькоразвивающиесядефектывтрансформаторе, нои общеесостояниеизоляцииегообмоток.Объективным показателем, позволяющим оценитьстепеньизносаизоляцииобмоток трансформатора,являетсястепеньееполимеризации,снижениекоторой

прямохарактеризуетглубинуфизико-химического разрушения (деструкции)изоляциивпроцессеэксплуатации. Деструкции целлюлознойизоляциисопутствуетрост содержанияв трансформатором масле окиси и двуокиси углеродаи образование фурановых производных. Вчастности,наличиесуммарнойконцентрации СОиСО2 более1%можетсвидетельствоватьодеградациицеллюлознойизоляции. Образование фурановыхпроизводных являетсяпрямымследствием старениябумажнойизоляции.

Методжидкостнойхроматографии позволяетопределятьи контролироватьтребуемоесодержаниевтрансформаторном масле антиокислительных присадок,защищающихмаслоидругие изоляционные материалытрансформатораот старения.