Обслуживание трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов с масляной системой охлаждения

Номинальный режим работы и допустимые перегрузки

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях, передается по воздушным и кабельным линиям к центрам потребления и потребляется нагрузкой при различных значениях номинальных напряжений. Это обеспечивает наиболее экономичную работу электрических систем.

Для передачи электроэнергии ее напряжение повышают, что связано с необходимостью снижения потерь мощности и энергии в активных сопротивлениях сети. Поскольку эти потери обратно пропорциональны квадрату рабочего напряжения сети, то выгодно повышать рабочее напряжение до возможно более высокого уровня.

На приемных подстанциях электрических систем напряжение понижают до значений, при которых электроэнергия непосредственно потребляется нагрузкой или передается далее в распределительную сеть.

Преобразование напряжения из одного значения в другое осуществляют трансформаторами и автотрансформаторами¹.

Автотрансформаторы широко применяют на подстанциях напряжением 150 кВ и выше благодаря их меньшей стоимости и меньшим суммарным потерям активной мощности в обмотках по сравнению с трансформаторами той же мощности. Потери мощности в стали автотрансформаторов также ниже по сравнению с трансформаторами.

На подстанциях дальних электропередач применяют шунтирующие реакторы. По своей конструкции они близки к трансформаторам и автотрансформаторам. Однако шунтирующие реакторы - это индуктивности, предназначаемые для компенсации емкостного сопротивления линий большой протяженности. Их включают непосредственно по концам линий сверхвысоких напряжений, подключают также к шинам среднего напряжения и к третичным обмоткам автотрансформаторов на подстанциях дальних электропередач. В эксплуатации находятся шунтирующие реакторы с отбором мощности. Такие реакторы имеют вторичные обмотки или ответвления от основной обмотки, используемые для подключения нагрузки.

Трансформаторы и реакторы рассчитываются на продолжительную работу в номинальном режиме.

Параметры номинального режима работы трансформаторов (напряжения, токи, частота и т. д.) указываются на заводском щитке каждого из них. При номинальных параметрах трансформаторы могут работать неограниченно долго, если условия охлаждающей среды соответствуют номинальным. Такими номинальными условиями окружающей среды являются:

- естественно изменяющаяся температура охлаждающего воздуха не более 40°С и не менее -45°С при масляно-воздушном охлаждении;

- температура охлаждающей воды у входа в охладитель не более 25°С при масляно-водяном охлаждении;

- среднесуточная температура воздуха не более 30°С.

Если температура воздуха или воды превышает соответственно 40 или 25°С, то нормы нагрева должны снижаться на столько градусов, на сколько градусов температура воздуха или воды превышает 40 и 25°С соответственно.

Под номинальной мощностью двухобмоточного трансформатора понимается мощность любой его обмотки (выраженная в киловольт-амперах или мегавольт-амперах). Обмотки понижающих трехобмоточных трансформаторов выполняются как на одинаковые, так и на разные мощности, поэтому под номинальной мощностью трехобмоточного трансформатора понимают мощность обмотки ВН.

Номинальный (линейный) ток I_Л, А, каждой обмотки определяется по ее номинальной мощности и соответствующему номинальному напряжению:

где S_HOM - мощность обмотки, кВ·А; U_hom — номинальное линейное напряжение обмотки, кВ.

Фазный ток при соединении обмоток в звезду равен линейному току I_ф=I_Л, а при соединении обмоток в треугольник определяется по формуле .

Рис. 1.1. Принципиальная схема

трехфазного автотрансформатора

Для трансформаторов, имеющих обмотки с ответвлениями, под номинальным током и напряжением понимается ток и напряжение ответвления, включенного в сеть.

В номинальном режиме работы трехобмоточные трансформаторы допускают любое сочетание нагрузок по обмоткам, если токи в них не превышают номинальных фазных токов.

Отличие автотрансформатора от трансформатора заключается в том, что две его обмотки электрически соединяются между собой, что обусловливает передачу мощности от одной обмотки к другой не только электромагнитным, но и электрическим путем. У многообмоточного автотрансформатора электрически соединены обмотки ВН и СН, а обмотка НН (третичная обмотка) имеет с ними электромагнитную связь (рис. 1.1). Три фазы обмоток ВН и СН соединяются в звезду, и общая нейтраль их заземляется: обмотки НН всегда соединяются в треугольник. Обмотка высшего напряжения каждой фазы состоит из двух частей: общей обмотки ОА_т, или обмотки среднего напряжения, и последовательной обмотки А_тА.

Наличие электрической связи между обмотками в автотрансформаторе предопределяет иное токораспределение, чем в трансформаторе. При работе автотрансформатора в номинальном режиме в его последовательной обмотке проходит ток I_ВН. Этот ток, создавая магнитный поток в магнитопроводе, индуктирует в общей обмотке ток I₀. Во вторичной цепи ток нагрузки I_СН складывается из тока I_ВН, обусловленного электрической связью обмоток ВН и СН, и тока I₀, обусловленного магнитной связью этих же обмоток: I_СН=I_ВН+I₀. Тогда ток в общей обмотке I₀=I_СН - I_ВН (при одинаковом cosj нагрузок).

Рис. 1.2. Схема включения амперметра для измерения тока в общей обмотке автотрансформатора: а - трехфазного; б - однофазного

Под номинальной мощностью автотрансформатора понимается мощность на выводах его обмоток ВН или СН, имеющих между собой автотрансформаторную связь. Она может быть определена как произведение номинального напряжения, подведенного к обмотке ВН, на номинальный ток, проходящий в последовательной обмотке:

Типовой мощностью автотрансформатора называют ту часть номинальной мощности, которая передается электромагнитным путем. Типовая мощность в а раз меньше номинальной:

где - коэффициент выгодности автотрансформатора.

Чем ближе друг к другу значения U_СН и U_BH, тем меньше а и тем меньшую долю номинальной составляет типовая мощность. Магнитопровод и обмотки автотрансформатора выбираются по типовой (расчетной) мощности. В этом и заключается экономическая целесообразность автотрансформаторных конструкций. Однако отсюда должен быть сделан очень важный вывод: загружать последовательную и общую обмотки автотрансформатора в номинальном режиме работы более чем на S_ТИП нельзя.

В свою очередь, обязательное заземление нейтралей автотрансформаторов приводит к чрезмерному увеличению токов однофазного КЗ в сетях, что требует в ряде случаев принятия соответствующих мер для ограничения токов КЗ.

Наличие электрической связи между обмотками и сетями СН и ВН создает возможность перехода перенапряжений, появляющихся в сети одного напряжения, на выводы обмоток другого напряжения. Опасность перенапряжений для изоляции возрастает при отключении автотрансформатора с одной стороны. Для устранения воздействия перенапряжений на изоляцию автотрансформаторы со стороны СН и ВН защищают разрядниками, которые жестко (без разъединителей) присоединяют к шинам, отходящим от вводов.

Контролируют нагрузку в общей обмотке амперметром. Одним из способов включения амперметра может быть следующий: у трехфазного автотрансформатора - в одну фазу на сумму линейных токов I_ВН и I_СН через трансформаторы тока с одинаковым коэффициентом трансформации (рис. 1.2, а), а у однофазных автотрансформаторов - через трансформатор тока, установленный непосредственно на выводе нейтрали одного из автотрансформаторов группы (рис. 1.2, б).

Рис. 1.3. Векторная диаграмма напряжения участка сети, питающегося от автотрансформатора с разземленной нейтралью при замыкании фазы на землю.

Обмотка НН понижающего автотрансформатора помимо своего основного назначения - создавать цепь с малым сопротивлением для прохождения токов третьих гармоник и тем самым избегать искажения синусоидального напряжения - используется для питания нагрузки, а также для подключения компенсирующих устройств и последовательно-регулировочных трансформаторов. Ее мощность выбирается не более типовой мощности S_НН≤S_ТИП , иначе размеры автотрансформатора определялись бы мощностью этой обмотки.

Отметим и некоторые трудности, возникающие в эксплуатации, в связи с широким применением автотрансформаторов.

Автотрансформаторы не пригодны для использования в сетях с разземленной нейтралью. Объясняется это недопустимым увеличением напряжения проводов относительно земли в сети СН при замыкании на землю в сети ВН, что показано отрезками ВА_т и ВС_т на векторной диаграмме рис. 1.3.

Режим работы. Для автотрансформатора характерны три рабочих режима: автотрансформаторный, трансформаторный и комбинированный трансформаторно-автотрансформаторный. Распределение токов по обмоткам в этих режимах работы рассмотрим на конкретном примере.

Возьмем автотрансформатор с номинальной мощностью S_HOM=125 МВ·А и с номинальным напряжением обмоток ВН 220 кВ ±2×2,5%, СН 110 кВ±2×2,5% и НН 11 кВ.

Коэффициент трансформации

коэффициент выгодности

типовая мощность

Рис. 1.4. Распределение токов в обмотках автотрансформатора в различных режимах выдачи мощности:

а - ВН®СН; б - ВН®НН; в - ВН®СН и одновременно ВН®НН. Показаны обмотки одной фазы

Рис. 1.5. Кривые допустимых нагрузок S₂ и S₃ автотрансформатора в режиме ВН®СН и одновременно ВН®НН

линейные номинальные токи

В автотрансформаторном режиме ВН ® СН (рис. 1.4, а) автотрансформатор может передавать полную номинальную мощность 125 МВ·А, хотя его обмотки и сердечник рассчитаны и фактически будут загружены типовой мощностью 62,5 MB·А, при этом токи в обмотках равны:

в последовательной

в общей

Мощность последовательной и общей обмоток (см. рис. 1.1):

В трансформаторном режиме ВН®НН (рис. 1.4, б) возможна передача только типовой мощности. Линейные номинальные токи равны:

ток в последовательной обмотке

ток в общей обмотке

Знак минус показывает, что ток направлен от начала к концу обмотки.

Комбинированный режим представляет наибольший интерес. Распределение токов при передаче номинальной мощности из сети 220 кВ в сеть СН и одновременно НН показано на рис. 1.4, в. Если передаваемая мощность распределяется поровну между обмотками СН и НН, т. е. по 62,5 МВ·А, то линейные токи равны:

ток в последовательной обмотке

ток в общей обмотке

хотя на стороне СН мощность выдается в сеть.

Если ток в обмотке ВН достиг номинального значения, то дальнейшее возрастание нагрузки СН должно сопровождаться соответствующим снижением нагрузки НН, и наоборот. Перераспределение нагрузок между обмотками СН и НН производится персоналом согласно местным инструкциям, при этом пользуются таблицами и графиками. В качестве примера на рис. 1.5 показано семейство кривых для определения нагрузок автотрансформатора, работающего при номинальной нагрузке обмотки ВН в режиме ВН®СН и одновременно ВН®НН. Соотношение мощностей зависит от нагрузки и выражается формулой

где S₂ и S₃ - относительные мощности по обмоткам СН и НН соответственно, выраженные в долях номинальной мощности автотрансформатора (S₂=S_СН/S_НОМ и S₃=S_НН/S_НОМ); j₂ и j₃ - углы сдвига фаз токов обмоток СН и НН от напряжения обмотки ВН.

Допустимые перегрузки. Сроком естественного износа трансформатора, работающего в номинальном режиме, считается срок, равный примерно 20 годам. Этот срок определяется старением изоляции обмоток - бумаги, тканей, лаков и других материалов - под влиянием температур, превышающих допустимую для данного класса изоляции. Процесс старения ведет к изменению исходных электрических, механических и химических свойств изоляционных материалов.

По рекомендациям МЭК для нормального суточного износа изоляции трансформатора температура наиболее нагретой точки обмоток не должна превышать 98°С. Если температуру увеличить на 6°С, срок службы изоляции сократится почти вдвое. Здесь под температурой наиболее нагретой точки подразумевается температура наиболее нагретого внутреннего слоя обмотки верхней катушки трансформатора.

В энергосистемах трансформаторы работают с переменной нагрузкой в условиях непрерывно изменяющейся температуры охлаждающей среды. Большая часть из них не несет номинальной нагрузки в течение всего срока службы, и, таким образом, изоляция их недоиспользуется. Другая часть трансформаторов, наоборот, систематически перегружается, что ускоряет износ их изоляции. Очевидно, что то и другое экономически нецелесообразно. Оптимальным для трансформатора должен быть такой режим работы, при котором износ его изоляции был бы близок к расчетному. Наилучшее использование изоляции трансформаторов достигается загрузкой их в соответствии с так называемой нагрузочной способностью, при этом предусматриваются кратковременные режимы работы с перегрузкой. Согласно ПТЭ допустима длительная перегрузка масляных трансформаторов по току на 5%, если напряжение обмоток не выше номинального, при этом для обмоток с ответвлениями нагрузка не должна превышать 1,05 номинального тока ответвления. Однако в ряде случаев такой безоговорочно допустимой перегрузки для полного использования изоляции трансформатора оказывается недостаточно. Тогда продолжительность и значения перегрузок трансформаторов мощностью до 100 MB·А, изготовленных в соответствии с ГОСТ 11677-85, находят по графикам нагрузочной способности в зависимости от суточного графика нагрузки, эквивалентной температуры охлаждающей среды и постоянной времени трансформатора. Графики нагрузочной способности трансформаторов и методика пользования ими приведены в ГОСТ 14209-85. Применение указаний ГОСТ 14209-85 допускается и для трансформаторов мощностью более 100 MB·А, если в стандартах и технических условиях на такие трансформаторы нет иных указаний по нагрузочной способности.

Трансформаторы с расщепленными обмотками допускают такие же перегрузки каждой ветви, отнесенные к ее номинальной мощности, как и трансформаторы с нерасщепленными обмотками.

Систематические перегрузки, определяемые по графикам нагрузочной способности, допускаются не более 1,5-кратного значения номинального тока.

В эксплуатационной практике нередки случаи, когда при наступлении перегрузки у оперативного персонала отсутствует по той или иной причине суточный график нагрузки и персонал не может воспользоваться графиками нагрузочной способности для определения допустимой перегрузки. В таких случаях рекомендуется пользоваться данными табл. 1.1 и 1.2 в зависимости от системы охлаждения трансформатора. Согласно этим таблицам систематические перегрузки, допустимые вслед за нагрузкой ниже номинальной, устанавливаются в зависимости от превышения температуры верхних слоев масла над температурой охлаждающей среды, которое определяется не позднее начала наступления перегрузки. Заметим, что перегрузки, определяемые по табл. 1.1 и 1.2, в меньшей степени используют перегрузочную способность трансформаторов, чем перегрузки, определяемые по графикам нагрузочной способности, и превышения температуры отдельных частей перегружаемого трансформатора не выходит за пределы значений, допустимых нормами.

Помимо систематических перегрузок в зимние месяцы года допускаются 1%-ные перегрузки трансформаторов на каждый процент недогрузки летом, но не более чем на 15%. Это правило применяется в том случае, когда максимум летнего графика нагрузки не превышал номинальной мощности трансформатора.

Таблица 1.1

Допустимая продолжительность перегрузки трансформаторов с охлаждением М (масляное с естественной циркуляцией масла внутри бака и воздуха снаружи) и Д (масляное с дутьем и естественной циркуляцией масла)

Таблица 1.2

Допустимая продолжительность перегрузки трансформаторов с охлаждением ДЦ (масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла) и Ц (масляное с принудительной циркуляцией масла и охлаждающей воды)

Оба вида перегрузок (по нагрузочной способности и 1%-ному правилу) могут применяться одновременно при условии, если суммарная нагрузка не превышает 150% номинальной мощности трансформатора.

При авариях, например при выходе из работы одного из параллельно работающих трансформаторов и отсутствии резерва, разрешается аварийная перегрузка оставшихся в работе трансформаторов независимо от длительности и значения предшествующей нагрузки и температуры охлаждающей среды. По сравнению с номинальным износом изоляции аварийные перегрузки повышают износ изоляции. Однако форсированный износ изоляции считается обоснованным, так как сокращение срока службы изоляции трансформатора наносит меньший ущерб, чем отключение потребителей. Перегрузка в аварийных режимах работы масляных трансформаторов допускается:

Приведенные аварийные перегрузки даны в процентах номинальной мощности и применимы ко всем трансформаторам и автотрансформаторам, кроме тех, перегрузка которых оговорена заводом-изготовителем. За время аварийной перегрузки персонал обязан принять меры по замене повредившегося оборудования резервным, а по истечении указанного срока обязан разгрузить перегруженные трансформаторы до номинальной мощности отключением части потребителей. Величины и время аварийных перегрузок должны контролироваться. Неконтролируемые перегрузки могут привести к повреждению трансформаторов и развитию аварии.