Российский   English

Теплова модель трансформатора ТМ-25/10

Зміст

1. Теплова модель трансформатора ТМ-25/10, її аналіз і перевірка

1.1. Складання теплової моделі

Силові трансформатори - найбільш дорогі елементи в системі електропостачання, тому при нинішній істотної недовантаження трансформаторів держава несе значні фінансові витрати. Максимальне завантаження трансформаторів на підприємствах, що визначається як відношення півгодинного максимуму навантаження до номінальної потужності трансформатора, рідко перевищує 60%. Дана ситуація, зокрема, обумовлена ​​тим, що теплові процеси в масляних трансформаторах до кінця не вивчені. І, перш за все, тому, що технічно складно виміряти температуру обмотки, провід якої знаходиться під високою напругою.

Відсутність придатних в експлуатації приладів і пристроїв для контролю і виміру температур окремих частин трансформаторів призвело до того, що їх номінальна потужність вибирається з невиправданим запасом. Т аким чином, потрібна розробка вдосконаленої методики з розрахунку електричного навантаження на трансформаторів, зручною для інженерних розрахунків і базується на основних положеннях МЕК і ГОСТ.

На основі теплової моделі можуть бути розраховані теплові параметри масляних трансформаторів 10 / 0,4 кВ.

Головними факторами, що обмежують навантаження трансформаторів, є максимально допустимі температури їх основних частин, а також теплової знос їх ізоляції. До основних теплових параметрах силових трансформаторів відносять температури найбільш нагрітих точок (ННТ) обмотки, масла і муздрамтеатру. Кожен з цих параметрів не повинен перевищувати певного критичного значення

Процес теплопередачі в трансформаторі має складний характер, де проявляються всі три види передачі тепла: теплопровідність, конвекція, випромінювання, що докладно описано в [ 5 ], [ 6 ]. Коефіцієнти тепловіддачі в різних частинах трансформатора самі залежать від температури по складному закону, а реальний розподіл температур по перетину трансформатора носить нелінійний характер і залежить від безлічі факторів. Тому для опису теплових процесів вводять ряд спрощень. Зокрема, в [ 5 ], [ 6 ] розглядають спрощену теплову модель реального трансформатора, що складається з трьох однорідних тіл: обмотки, масла і муздрамтеатру, коефіцієнти тепловіддачі яких не залежать від температури.

Теплова схема заміщення дозволяє розрахувати температури елементів при відомих виділяються потужностях і температурі навколишнього середовища. Для складання і аналізу теплових схем заміщення використовують властивість подібності теплових та електричних процесів. Беручи, що струм еквівалентний тепловому потоку, а напруга - температурі, зведемо розрахунок теплового режиму до аналізу електричної схеми, яка підпорядковується законам Ома і Кірхгофа. Складання теплової схеми заміщення має відомої складністю. На початковому етапі вимагає проаналізувати всі теплові потоки усередині досліджуваного об'єкта. Для кожного теплового потоку визначаються джерела тепла, теплові опори і теплоємності об'єктів на шляху тепла. Параметри схеми заміщення знаходяться розрахунковим шляхом і визначаються паспортними даними трансформатора. Надалі, електричну схему, еквівалентну теплової, складаємо для двохобмотувальні трифазного силового трансформатора марки ТМ-25/10.

Допущення, прийняті при спрощення теплової схеми заміщення:

  • в початковий момент нагріву гріється тільки обмотка, теплопередача на навколишнє ізоляцію та інші елементи незначна;
  • в сталому режимі всі елементи трансформатора, крім первинної обмотки, прогріті рівномірно;
  • в початковий момент температура масла дорівнює температурі навколишнього середовища.

Джерелами тепла в трансформаторі є втрати холостого ходу ΔРхх і втрати короткого замикання ΔРкз. При цьому, ΔРкз обчислюють за формулою, наведеною в [ 5 ]:

де Kз = S / Sном - коефіцієнт завантаження трансформатора; S - потужність навантаження; Sном - номінальна потужність трансформатора; ΔРк.ном - втрати короткого замикання при номінальному навантаженні.

Теплообмін в силовому трансформаторі відбувається наступним чином. У процесі охолодження муздрамтеатр і обмотка віддають шляхом конвекції своє тепло маслу, масло ж, в свою чергу, шляхом конвекції і теплопровідності, віддає тепло стінок бака, який охолоджується шляхом теплопровідності і випромінювання, віддаючи тепло охолоджуючої середовищі.

Нестаціонарні теплові процеси в такій моделі описуються системою диференціальних рівнянь, яка приведена в [ 5 ] для процесу нагрівання при нульовій температурі охолоджуючої середовища і нульових початкових умов:

Тут індекси 1, 2, 3 позначають номери теплових тел: 1 - магнітопровід; 2 - обмотка; 3 - масло. Індекс 0 позначає охолоджуючу середу; Ri - теплові опору між відповідними тепловими тілами, тобто це втрати, що передаються від одного тіла до іншого, що припадають на 1 ° С перепаду температур між тілами (Вт / ° С); С1, С2, С3 - теплоємності відповідних тел (Вт · год / ° С); θ1, θ2, θ3 - перевищення температур відповідних тел над температурою охолоджуючої середовища (° С); P1, P2, P3 - електричні втрати в відповідних тілах (Вт).

Замість позначень величин θ1, θ2, θ3, прийнятих в [ 5 ], ми будемо використовувати позначення, прийняті в ГОСТ, тобто замість θ1 - θс, замість θ2 - θннт, замість θ3 - θм.

Виходячи з прийнятих припущень, схема заміщення згортається до вигляду, наведеного на малюнку 8.1.

Малюнок. 8.1 - Теплова схема заміщення масляного трансформатора для перехідного теплового процесу

Тут теплові опори представлені резисторами, а теплоемкос-ти - конденсаторами. θс, θннт, θм - відповідно, температури муздрамтеатру, обмотки і масла. А запропонована схема універсальна і дозволяє отримати криві і охолодження, і нагрівання для будь-якого проміжку часу, при будь-якому коефіцієнті завантаження трансформатора.

Розглянемо окремий випадок, коли має місце сталий тепловий режим. Для такого випадку можна скласти спрощену теплову схему заміщення, отриману зі схеми (рисунок 8.1) при постійній температурі. Така схема зображена на малюнку 8.2. Зі схеми (рисунок 8.2) можна скласти систему:

Введем обозначения для превышений температур магнитопровода над температурой масла: ϑс.м = θс −θм ; обмотки над температурой масла: ϑннт.м = θннт −θм и превышение температуры масла над температурой охлаждающей среды θохл: ϑ м = θм − θохл .

Малюнок 8.2 - Теплова схема заміщення масляного трансформатора в сталому тепловому режимі

З огляду на введені позначення і приймаючи Кз = 1, знайдемо R1, R2, R3 з системи (8.3):

Отримана схема заміщення не передбачає труднощів для аналізу, так як легко перетворюється за законами ТОЕ або аналізується безпосередньо за допомогою симуляторів електронних схем, наприклад Micro-Cap, Multisim.

Головні труднощі - знаходження параметрів елементів схеми заміщення. Тому схема заміщення спрощується і параметри елементів знаходяться експериментальним і розрахунковим способами. Мета спрощення - скоротити число елементів до такої міри, при якій ці елементи можна визначити експериментальним способом і точність розрахунків буде прийнятна.

Згідно Таблиці 3 в ГОСТ Р 52719-2007 перевищення температури окремих елементів масляного трансформатора над температурою охолоджуючої середовища (повітря або води) при випробуваннях на нагрів на основному відгалуженні не повинні перевищувати наступних значень:

  • для обмоток при природною циркуляцією масла перевищення температури не повинно бути більше 65 ° С;
  • для масла у верхніх шарах перевищення температури повинно лежати в межах 60 ° С;
  • для поверхні магнітної системи і елементів металоконструкцій - 75 ° С.

Надалі дані значення температур будуть використовуватися для складання теплової моделі при розрахунку теплових опорів елементів конструкцій трансформатора.

Виходячи з ГОСТ 11677-85 п 2.1.3. максимально допустиме значення температури найбільш нагрітої точки обмотки для систематичних перевантажень трансформаторів класів напруги 110 кВ і нижче - 140 ° С. Максимальна допустима температура масла у верхніх шарах - 95 ° С. Дані параметри температур приймаємо в якості обмежень по нагріванню обмотки і масла в тепловій моделі.

Зміни температури масла і обмотки, будуть відповідати двоступінчастим прямокутному графіку навантаження (рисунок 8.3).

Малюнок 8.3 - Двохступеневий прямокутний графік навантаження трансформатора

У таблиці 8-14 ГОСТ 11677-85 наведені значення допустимих аварійних перевантажень в залежності від значення початкових навантажень при різних значеннях температури охолоджуючої середовища для трансформаторів класів напруги до 110 кВ включно. Таблиця допустимих перевантажень K2 масляного трансформатора при температурі навколишнього середовища + 20 ° С для K1 = 0,7 представлена нижче.

1.2.Перевірка теплової моделі

Для розрахунку елементів схеми заміщення приймемо паспортні дані силового трансформатора ТМ-25/10 з [ 1 ].

ΔPк.ном=0,6 кВт; ΔPхх =0,13 кВт.

Маса трансформатора (повна) - 360 кг

Маса масла – 90 кг.

Маса активної частини - 12,7 ∙ 3 + 3,9 ∙ 3 = 49,8 кг (алюміній), [2].

Маса магнітопровода – 360-90-49,8 = 220,2 кг.

Малюнок 8.4 - Зовнішній вигляд трансформатораТМ-25/10

Параметри силового трансформатора ТМ-25/10:

C0масл = 1,964 кДж / (кг К) - для масла при температурі 70°С, [4].

C0обм = 0,951 кДж / (кг К) - для обмотки з алюмінію при температурі 70°С, [3].

C0магн = 0,426 - для електротехнічної сталі при температурі 70°С, [5].

Температура охолоджуючої середовища – Θохл=20°С.

Потужність залежить від коефіцієнта завантаження трансформатора в квадраті, оскільки нагрів за рахунок втрат в трансформаторі визначаємо по струму, що протікає в обмотках, Q = I2Rt, кВт, отже: P = P0kн2.

Наприклад:

Далі розрахуємо теплові опору Ri і ємності Ci (теплоємності) для теплової схеми заміщення:

Тут використані позначення θ - різниця температур, відповідно, муздрамтеатру - масла, обмотки - масла, масла - навколишнього середовища.

Для прискорення протікання процесу в моделі рекомендується помножити все ємності на 10-3. Теплова схема заміщення для ТМ-25 представлена на малюнку 8.4.

Малюнок 8.5 - Теплова схема ТМ-25, виконана в середовищі Microcap 9

Для температури навколишнього середовища + 20 ° С - час нагрівання масла при k1 = 0,7 і k2 = 1,5 до допустимої за ГОСТ температури +95 ° С складе: 14,74 з ∙ 1000/3600 год = 4,09 ч. даному значенню в ГОСТ відповідає 4,0 ч.

Значення допустимого часу перевантаження трансформатора для кожного коефіцієнта перевантаження k2 зведемо в таблицю 8.2

Похибка обумовлена вибором значень питомих теплоємностей матеріалів і їх маси, також габарити і виконання трансформаторів різних виробників можуть відрізнятися, що також може позначитися на результаті, але в цілому залежність відповідає тій, що закладена в ГОСТ.

Також випробуємо нашу модель при різних температурах охолоджуючої середовища: від 0 ° С до +40 ° С для k1 = 0,7 і k2 = 1,4.

Можна зробити висновок про те, що при зміні температури охолоджуючої середовища модель реагує на її зміну відповідно до ГОСТ з урахуванням похибок.

Малюнок 8.6 - Процес нагріву частин трансформатора ТМ-25/10 / 0,4 при перевантаженні




2 Практичне виконання захисту трансформатора від перевантаження

2.1. Розробка алгоритму роботи захисту

За результатами, отриманими за теплової моделе нагріву трансформатора ТМ-25/10 складемо алгоритм роботи захисту (рисунок 9.1).

Робота захисту складається з етапів:

  • отримання вихідних даних про температуру навколишнього повітря, струмів або потужності трансформатора;
  • розрахунок температур по моделі трансформатора;
  • порівняння отриманих значень температур з уставками;
  • видача сигналів.

Крім цього є функція самодіагностики, що перевіряє адекватність роботи моделі шляхом порівняння величин температур між собою.

Рисунок 9.1 - Алгоритм роботи захисту

2.2. Допустима кратність перевантаження для тривалої роботи трансформатора при зміні температурах навколишнього середовища

Згідно з моделлю (рисунок 8.1) визначимо допустиму перевантаження трансформатора за умови, що температура масла в баку трансформатора не буде нагріватися вище 95 ° С. Коефіцієнт завантаження трансформатора в первісному режимі приймемо рівним K1 = 0,7. Опустимо відбуваються в трансформаторі перехідні процеси і поставимо сталий режим в тепловій моделі (ключ розімкнути). Дані розраховані в тепловій моделі зведемо в таблицю 9.1. Коефіцієнт перевантаження визначимо як:

Для оцінки можливостей захисту порівняємо перевантаження, отримані в моделі з нормальною допустимої - K2 = 0,7. Для цього приймемо наступний розподіл середніх температур за рік: зима -10 ° С, весна +10 ° С, літо +20 ° С, осінь 10 ° С. Нехай кожна пора року триває 3 місяці.

Для трансформатора номінальною потужністю 25 кВА отримаємо:

ΔP = 25 ∙ (0,38 ∙ 91 + 0,23 ∙ 91 + 0,14 ∙ 91 + 0,23 ∙ 92) = 2235,25 (кВт), де ΔP - потужність можливої недовантаження трансформатора за рік.

Тобто, захист трансформатора, заснована на тепловій моделі дозволяє зберегти навантаження при цьому зменшуючи шкоду і недоотпуск електроенергії.

2.3. Оцінка зносу ізоляції в залежності від температур обмотки

Маючи в своєму розпорядженні систематизованими протягом дня, місяця або року даними про температуру обмоток трансформатора можна оцінити знос ізоляції за методикою, викладеною в ГОСТ 14209-85 п. 2. Для витковой ізоляції класу нагрівостійкості А базова умовно постійна температура найбільш нагрітої точки обмотки, при якій швидкість розрахункового зносу витковой ізоляції відповідає терміну служби трансформатора приймається 98 ° С.

Швидкість старіння ізоляції залежить, в основному, від температури найбільш нагрітої точки обмотки. В ідеальному випадку при незмінному навантаженні і номінальному режимі роботи трансформатора, коли температура найбільш нагрітої точки дорівнює номінальному значенню Θннт.ном, відносний знос ізоляції приймається за одиницю. Якщо температура Θннт збільшується (зменшується) на певний інтервал ΔΘ, то відносний знос підвищується (знижується) вдвічі. Для трансформаторів, які відповідають вимогам ГОСТ 11677, Θннт.ном = 98, С, ΔΘ = 6 ° С.

Відносний знос ізоляції для графіка навантаження K (t) за період загальною тривалістю T = Δt1 ... + Δti ... + Δtm становить:

де Fi - відносний знос за інтервал часу Δti; Θв.е - еквівалентна температура навколишнього повітря; θннт.i - перевищення температури найбільш нагрітої точки обмотки: θннт i = θм i + θннт.м i.

Для суворого обліку зміни температури повітря протягом періоду T задають її середні значення в кожному інтервалі Δti. Допускається використовувати еквівалентну температуру Θв.е навколишнього середовища - умовно постійне значення, при якому знос ізоляції в розглянутий проміжок часу буде таким же, як і при температурі, що змінюється.

Еквівалентна температура охолоджуючої середовища використовується тільки при визначенні термічного зносу ізоляції. Для розрахунку максимальних температур в трансформаторі, які зіставляються з допустимими значеннями (див. Розд. 8), повинна задаватися найбільша температура повітря за розглянутий період часу. В якості такої температури ГОСТ 14209-97 рекомендується середнє значення місячних максимумів за результатами багаторічних спостережень.

Графіки навантаження, при яких F ≤ 1, при цьому навантаження не перевищують допустимі значення для режиму систематичних навантажень, відносяться до графіків допустимих систематичних навантажень. Графіки навантаження, при яких F> 1, при цьому навантаження не перевищують допустимі значення для режиму аварійних перевантажень, відносяться до графіків допустимих аварійних перевантажень.

Список джерел

  1. ЮА Рунов, ОГ Широков, ДІ Залізний, ДМ Лось Енергетика. Известия вищих навчальних закладів та енергетичних об'єднань СНД , Журнал Енергетика. 2018.01.31.
  2. ДІ Залізний, ОГ Широков Розрахунок температури основних елементів силового масляного трансформатора на основі аналізу температури поверхні його бака Журнал Енергетика. 2012
  3. ОГ Широков, ДІ Залізний Теплові схеми заміщення електроенергетичних пристроїв , Наукоємні технології, 2008
  4. Д. І. Залізний Адаптивне моделювання теплових процесів електроенергетичного обладнання в реальному часі Текст наукової статті за фахом «Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології» базується, 2008
  5. Кімнатний, Д. "В.Перспектіви застосування високовольтних високочастотних трансформаторів в енергетиці і в випробувальних центрах" Д. В. Кімнатний, Д. І. Залізний // Винахідник. - 2019. - № 4. - С. 36-40.