Обеспечение безопасных условий эксплуатации силовых трансформаторов при тепловых воздействиях токов коротких замыканий

Введение. Продолжительность срока работы трансформаторов во многом зависит от срока службы изоляционных материалов, которые используются в конструкции трансформатора. Продолжительные температурные, химические и динамические воздействия вызывают старение изоляционных материалов, что приводит к снижению электрической прочности и изменению механических характеристик. В конечном итоге силовой трансформатор выходит из строя. При этом возможен взрыв трансформаторного масла и пожар. Поэтому уделяется особое внимание созданию новых, устойчивых к температурным, химическим и динамическим воздействиям изоляционных материалов, а также системе охлаждения силовых трансформаторов.

Основная часть. Рассмотрим наиболее неблагоприятные режимы работы силовых трансформаторов.

• 1.    Нагрев обмоток трансформатора при коротких замыканиях (КЗ) происходит под действием изменяющегося значения тока КЗ. При этом обмотка нагревается от действия как периодической, так и апериодической составляющей тока КЗ. Короткое замыкание трансформатора длится около (0,1÷0,5) с и определяется временем отключения повреждения t_0TK [1].

( отк = ( з + ( в .                                                          (1)

где t₃ — время работы релейной защиты, с; t _B — время срабатывания выключателя, с.

Время нагрева обычно не превышает 0,1 постоянной времени нагрева. Это позволяет при тепловых расчетах режима КЗ не учитывать количество тепла, выделяемого обмотками трансформатора в окружающую среду, и тепловой процесс считать адиабатическим. Тем не менее, температура его обмоток может достигнуть больших величин, которые являются недопустимыми для твердой изоляции обмоток масляных трансформаторов. ГОСТ Р 51 559–2 000 устанавливает, что температура обмоток при установившихся токах и заданной длительности не должна превышать [2, 3]:

• а)    для масляных трансформаторов с обмотками из меди и изоляцией класса нагревостойкости А — 250 ºC;

• б)    то же с обмотками из алюминия — 200 ºC.

Длительность КЗ на зажимах трансформатора не должна превышать:

^ = т^Л0³,с                               (2)

где    тк — допустимая температура обмотки при КЗ;

• т_н — начальная температура обмотки, принимаемая равной допустимому превышению температуры по норме плюс наибольшая температура окружающей среды;

• 6 _к — плотность установившегося тока КЗ, А / мм ² ;

• 2.    На тепловой пробой и старение изоляции влияет еще и специфика работы силовых трансформаторов. Нагрузка силовых трансформаторов носит резко неравномерный характер, что усугубляется короткими замыканиями и внешними температурными воздействиями.

α — коэффициент, выбираемый по табл. 11.1 из [4].

Время нагревания обмотки до предельной температуры обычно не превышает 5 ^ 15 секунд.

Релейная защита предотвращает нагревание обмоток до предельной температуры, а при близких КЗ обмотка нагревается приблизительно до (60 ^ 80) °C.

На каждой подстанции используется два силовых трансформатора, рассчитанных на полную нагрузку потребителя, один из которых находится в резерве.

Безопасность деятельности человека

В зимнее время года при низких температурах в резервном трансформаторе происходит застывание масла до вазелинообразного состояния. Для равномерного износа оборудования трансформаторы подключаются к нагрузке попеременно.

После подключения резервного трансформатора, в первый период времени охлаждение обмоток трансформатора практически отсутствует, так как в жидком состоянии находится лишь небольшое количество масла в зоне, непосредственно прилегающей к обмотке. Затем в течение 12 ^ 15 часов происходит постепенный прогрев всей массы масла в трансформаторе, после чего циркуляция масла восстанавливается.

Таким образом, в зимнее время имеют место циклические перепады температуры обмоток и всех крепящих обмотку конструкций — от низких отрицательных значений температуры окружающей среды до высоких положительных значений, величины которых не контролируются.

Неравномерность нагрева может достигать 120 ^ 150 °C и выше. Ситуация усугубляется тем обстоятельством, что отдельные фазы трансформатора нагружены резко неравномерно. Нагрузка наиболее загруженной фазы может отличаться в три раза.

Соответственно, количество выделяющегося тепла в этих фазах будет отличаться в 9 ^ 10 раз. Поэтому в конструкциях появляются температурные деформации и температурные напряжения, которые способствуют ослаблению крепления отдельных элементов, а также появлению микротрещин.

Эти факторы в дальнейшем неизбежно проявляются при КЗ и сопутствующих ему динамических усилиях.

Можно снизить вероятность местных перегревов конструкций силовых трансформаторов, если в зимний период, перед вводом в эксплуатацию, резервный трансформатор подключить к сети и прогреть трансформаторное масло на холостом ходу. Это подготовит трансформатор к «нормальной» работе, но приведёт к дополнительным потерям электроэнергии.

Сезонный и нагрузочный перегрев обмоток силовых трансформаторов можно снизить с минимальными затратами, используя в качестве расширителя бак резервного трансформатора. Общий вид устройства для охлаждения силовых трансформаторов представлен на рис. 1.

Рассмотрим принцип действия устройства охлаждения силовых трансформаторов. Перед подключением резервного трансформатора открывают вентили 7, 8, 9, 10 и включают компрессоры 5, 6. При подключении компрессоров происходит принудительная циркуляция нагретого масла из бака трансформатора 1 , работающего под нагрузкой, в бак резервного трансформатора 2 и наоборот. Происходит прогрев масла в резервном трансформаторе. При низких температурах нормальная консистенция масла в резервном трансформаторе восстанавливается за 3–5 часов. После прогрева и восстановления циркуляции масла резервный трансформатор подключают под нагрузкой.

Вентили 7, 8, 9, 10 в устройстве охлаждения силовых трансформаторов предназначены для подачи масла в трубопроводы, а также для технического обслуживания компрессоров 5, 6 и трансформаторов 1, 2.

В летний период времени система охлаждения работает постоянно, особенно при увеличении нагрузки. При этом устройство охлаждения силовых трансформаторов охлаждает обмотки работающего трансформатора и равномерно распределяет нагретое масло между двумя баками, охлаждая его за счёт увеличения объёма масла и площади охлаждения поверхности баков трансформаторов 1 и 2.

Рис. 1. Устройство для охлаждения силового трансформатора

Fig. 1. Device for cooling the power transformer

Рассмотрим целесообразность использования устройства охлаждения силовых трансформаторов. В качестве примера рассчитаем нагрев элементов конструкции трехфазного трехобмоточного трансформатора

ТДТНЭ-40000/110 и устройства охлаждения силового трансформатора при различных нагрузках. За основу возьмём режимный день силового трансформатора тяговой подстанции электрических железных дорог и воспользуемся методикой расчёта, изложенную Л. Киш.

Далее рассчитаем нагрев активных и неактивных частей трансформатора при переменной нагрузке во времени. Введем следующие обозначения: K = S / Sn — отношение фактической нагрузки к номинальной; у = PК/P х — отношение потерь короткого замыкания к потерям холостого хода. Для обозначения температур, относящихся к номинальной нагрузке, введем дополнительный индекс n .

Возьмем для расчета трехфазный трехобмоточный трансформатор ТДТНЭ-40000/110; напряжение обмоток U _ВН =115 кВ, U _СН =27,5 кВ, U _НН = 6,6 кВ; напряжение короткого замыкания U _ВН—СН =6,0 %, U _{ВН - НН} =17,0 %, U С _{Н - НН} =10,5 %; потери холостого хода Р _х =63 кВт; потери короткого замыкания Р _к =240 кВт; ток холостого хода I хх =0,9 %.

Наибольшее превышение температуры масла над температурой охлаждающей среды (воздуха):

Д1тм = ДСЛ^Г.(3)

Согласно рекомендациям МЭК примем для принудительной циркуляции масла Д1отп = 40oC , т = 1,0.

Рассчитаем превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой охлаждающей среды (воздуха):

Д1 = Ai _ / '^С + 1,1Д1(£-0)п^2"

При принудительной циркуляции масла n = 0,9.

Превышение средней температуры масла в обмотке над температурой охлаждающей среды (воздуха):

М = Д19   (—С_у"(5)

стм        стмп(       ) .

Превышение средней температуры обмотки над температурой охлаждающей среды (воздуха):

Д1сто = Д1стм + ДУ(£-0)"^2"

Магнитопровод трансформатора нагревается под действием электромагнитного поля обмоток силового трансформатора. Для упрощения расчётов можно принять температуру магнитопровода равную 80% от температуры обмотки. Общее количество передаваемого тепла осталось прежним, но изменились разница температур, площадь охлаждаемой поверхности бака и масса.

Графики зависимости температур магнитопровода, обмотки и масла представлены на рис. 2.

Рис. 2. Результаты тепловых расчетов трансформатора ТДТНЭ-40000/110

с новой системой охлаждения и без нее: 1 — зависимость изменения температуры обмотки от нагрузки; 2 — зависимость изменения температуры магнитопровода от нагрузки; 3 — зависимость изменения температуры масла от нагрузки; 4 — звисимость изменения температуры масла от нагрузки с новой системой охлаждения

Fig. 2. Results of thermal calculations of transformer TDTNE-40000/110

with a new cooling system and without it: 1 - dependence of winding temperature change on the load; 2 - dependence of temperature variation of magnetic circuit on the load; 3 - dependence of change in oil temperature on the load; 4 - temperature dependence of oil temperature on load with a new cooling system

Из полученных результатов видно, что предложенный вариант устройства охлаждения силового трансформатора понижает температуру трансформаторного масла в полтора раза.

Безопасность деятельности человека

Выводы. По сравнению с традиционными системами охлаждения силовых трансформаторов, рассмотренное устройство исключает возможность возникновения местных перегревов обмоток силовых трансформаторов, как в зимний, так и в летний период эксплуатации при различных режимах работы силовых трансформаторов, требует минимальных затрат на обслуживание и установку. При этом срок службы изоляции обмоток возрастает более чем в два раза, следовательно, увеличивается срок службы самого трансформатора.