Расчет теплового режима трансформатора и термического износа изоляции

1. Общие положения для теплового расчета

В процессе старения комплектующих, входящих в трансформатор, особенно быстро происходит старение целлюлозной изоляции, которой покрыты обмотки трансформатора. Изоляция в целом определяет -  сколько будет эксплуатироваться трансформатор, т.е. общее число часов использования. Изоляция стареет в контексте ее термического износа, зависящим от степени ее нагрева в процессе эксплуатации.

В соответствии с имеющимся, так называемым, шестиградусным законом – температура изоляции растет на 6оС – число часов ее использования сокращается в 2 раза. Данный закон является справедливым для температуры от 80 до 140 оС.

Самая высокая интенсивность нагрева в обмотках наблюдается, когда трансформатор перегружен. Таким образом, очень важно проанализировать режимы перегрузки.

Систематические перегрузки – это перегрузки, которые возникают из-за неравномерности суточного графика, в соответствии с которым нагружается трансформатор.

Аварийные перегрузки - это перегрузки, которые возникают из-за произошедешенго аварийного отключения какой-нибудь части системы подачи электроэнергии. В «руководстве по нагрузке силовых масляных трансформаторов (ГОСТ 14209-97)» описано насколько допустимы систематические и аварийные перегрузки для трансформатора в процессе его использования [1].

На это влияет каким образом осуществляется его охлаждение, с какой температурой подается охлаждающая среда, по какому графику распределяется загрузка трансформатора и т.д.

Если трансформатор нагружен постоянной нагрузкой S, то его нагрев будет обусловлен уровнем нагрева его активной части с нагреваемым от каждой обмотки маслом, с увеличившимся при этом его объемом и уменьшившейся плотностью. Этим процессом, в свою очередь, обуславливается подъем разогретого масла в верх бака и вытеснение его в область радиаторов, являющихся охлаждающей поверхностью устройства (рис.1а). Остывая в радиаторах масло направляется в низ бака, т.е. масло циркулирует естественным образом.

Тепловая диаграмма трансформатора (рис.1б) включает в себя температуру, которую имеет охлаждающий воздух (отражено вертикальной прямой 1) и прямую 2, которая отражает насколько температура масла превышает температуру охлаждающего воздуха (обмотка в своей верхней части нагревается до ΔΘоа. Повышение температуры масла и обмоток происходит в соответствии с линейной зависимостью в конексте высоты обмоток.

[pic 1]

Рис.1 – Процесс естественной циркуляции масла в трансформаторах (а); построение тепловой диаграммы – (б)

Расположение наиболее нагретой точки обмотки h в верхней зоне обмотки определяется дополнительными потерями в этой зоне. Наиболее нагретая точка имеет температуру превышающую температуру масла, отраженную зависимостью 3 (рис.1) с величиной ΔΘho в верху обмоток.

Насколько допустима эксплуатация трансформатора под перегрузом может определяться через сопоставление между температурами масла, омывающему верхнюю зону обмоток Θо и температурой, которую имеет наиболее нагретая точка обмотки Θh (имеются в виду их максимальные уровни). В таблице 1 отражено какие максимальные уровни нагрева наиболее нагретых точек обмоток имеют распределительные трансформаторы мощностью до 2,5МВА на напряжение до 35кВ и трансформаторы на среднюю мощность до 100МВА, с указанием предельных перегрузок, которые обуславливаю максимаьные уровни температур Θо max и Θh max (окружающая среда - воздух с температурой Θа = 20оС.

Фактическая температура, которую имеет окружающий воздух определяется временем дня, сезоном, годом. Даже эксплуатируя трансформатор под постоянной нагрузкой, если окружающая температура воздуха повысится, то вырастет температура масла и обмоток.

Вывод: существует прямая взаимосвязь между термическим износом изоляции и тем, насколько загружен трансформатор и какая температура наружного воздуха в данный момент.

Таблица 1 -  Уровни нагрева наиболее нагретых точек обмоток