Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса совершенствовании моделей силовых трансформаторов и кабелей 12
1.1 Развитие тепловой модели силовых трансформаторов 12
1.2 Состояние вопроса совершенствования моделей силовых кабелей 17
2 Тепловая модель силовых трансформаторов 20
2.1 Вступительные замечания 20
2.2 Тепловая модель ГОСТа силового трансформатора 23
2.3 Уточнение нестационарной тепловой модели силового трансформатора 33
2.4 Влияние введенных уточнений в тепловую модель ГОСТа на величину расчетных допустимых перегрузок силового трансформатора 49
Выводы 58
3 Анализ косвенного метода контроля допустимых перегрузок по температуре верхних слоев масла 59
3.1 Вступительные замечания 59
3.2 Анализ критериев, ограничивающих нагрузочную способность при систематических перегрузках 60
3.3 Разработка метода оптимизации перегрузочной способности трансформатора по величине номинального перегрева масла 71
3.4 Анализ косвенного метода регулирования допустимой систематической перегрузки трансформатора 79
3.5 Анализ критериев ограничивающих нагрузочную способность при аварийных перегрузках 82
3.6 Предложения по косвенному контролю величины допустимой аварийной перегрузки 86
Выводы 88
4 Нагрузочная способность высоковольтных силовых кабелей 89
4.1 Вступительные замечания 90
4.2 Существующий метод определения теплового ребжима работы кабеля 6-20 кВ 90
4.3 Уточнение нестационарной тепловой модели силового кабеля 94
4.4 Виды перегрузок и перегрузочная способность силового кабеля 113
4.5 Анализ зависимости нагрузочной способности силовых кабелей от продолжительности перегрузки и температуры окружающей среды 115
4.6 Анализ зависимости нагрузочной способности силовых кабелей от термических параметров грунта 118
4.7 Влияние введенных уточнений в существующую тепловую модель на величину расчетных допустимых перегрузок силового кабеля 120
Выводы 123
5. Практическое применение результатов полученных в диссертационной работе 124
5.1 Вступительные замечания 124
5.2 Разработка программного обеспечения расчета нагрузочной способности трансформаторов и кабелей 124
5.3 Практическое применение результатов полученных в диссертационной работе 132
5.4 Анализ результатов полученных при проведении экспериментов 138
5.5 Расчет экономической эффективности результатов внедренияполученных результатов диссертационного исследования 148
Выводы 150
Заключение 151
Список литературы 153
Приложения 161
- Развитие тепловой модели силовых трансформаторов
- Тепловая модель ГОСТа силового трансформатора
- Анализ критериев, ограничивающих нагрузочную способность при систематических перегрузках
- Существующий метод определения теплового ребжима работы кабеля 6-20 кВ
Введение к работе
Актуальность работы.
Нагрузочная способность является одним из важнейших показателей эффективности работы любой системы электроснабжения. Силовые трансформаторы и кабели являются основными элементами систем электроснабжения.
Значения допустимых перегрузок и их продолжительность, а, следовательно, мощность трансформаторов и сечения кабелей рассчитываются с учетом допустимого нагрева активных частей, определяемого классом нагре-востойкости применяемой изоляции. До настоящего времени не разработаны простые и надежные устройства, обладающие достаточной точностью и надежностью, для непосредственного определения температуры токоведущих частей высоковольтных трансформаторов и кабелей. Поэтому, нагрузки на силовые трансформаторы и кабели ограничивают значениями допустимых перегрузок, полученных на основе математического моделирования тепловых процессов. Точность моделирования нестационарных тепловых процессов определяет величину допустимых нагрузок силовых трансформаторов и кабелей, влияет на эффективность и надежность работы всей системы электроснабжения.
Особенно остро этот вопрос стоит при определении нагрузочной способности силовых трансформаторов с естественной (М) и принудительной (Д) циркуляцией воздуха, а также силовых кабелей напряжением 6-20 кВ.
Существующие алгоритмы расчетов нагрузочной способности силовых трансформаторов с естественной (М) и принудительной (Д) циркуляцией воздуха, а также силовых кабелей напряжением 6-20 кВ созданы на основе алгоритмов, разработанных по упрощенным тепловым моделям. Для совершенствования тепловых моделей требуется разработка новых алгоритмов расчета нестационарных тепловых режимов работы элементов систем электроснабжения и их допустимой нагрузочной способности.
Дальнейшее повышение точности математических моделей (расчет тепловых полей) требует использования большего числа дополнительных конструктивных параметров силовых трансформаторов и кабелей, что заставляет инженеров обращаться за информацией к заводам изготовителям, а это не всегда возможно, особенно для снятого с производства, но находящегося в эксплуатации электрооборудования. На данном этапе появляется новая задача, связанная с разработкой рациональных математических моделей элементов систем электроснабжения, позволяющих увеличить точность моделирования тепловых процессов элементов электроснабжения при использовании доступных исходных данных.
Существующие методы косвенного контроля допустимых нагрузок трансформатора созданы для старого ГОСТ-14209-69 "Трансформаторы силовые масляные общего назначения. Допустимые нагрузки".
Реализация полученных алгоритмов моделирования тепловых процессов в виде прикладных программ позволит более широко применять их для расчета нагрузочной способности элементов систем электроснабжения в условиях их эксплуатации. Использование предлагаемых в диссертации технических решений и алгоритмов позволит повысить точность расчета температуры обмотки микропроцессорными терминалами защит трансформаторов. Это позволит улучшить режимы работы систем электроснабжения. В работе предложены корректировки ГОСТ-14209-97 "Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов".
Целью работы является повышение эффективности работы системы электроснабжения за счет увеличения точности расчетов нагрузочной способности, на основе совершенствования тепловых математических моделей силовых трансформаторов и силовых кабелей.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- разработка предложений по уточнению математических моделей силовых трансформаторов систем охлаждения Ми Д, предложенной в ГОСТ 14209-97, и силовых кабелей 6-20 кВ;
- разработка алгоритмов расчета допустимых нагрузочных способностей силовых трансформаторов и силовых кабелей;
- проведен анализ влияние введенных уточнений на расчетную величину допустимых перегрузок силовых трансформаторов и кабелей;
- полученные алгоритмы реализованы в виде пакета прикладных программ и баз данных;
- проведены комплексные исследования, связанные с определением ограничивающих параметров допустимой перегрузки трансформаторов (максимально допустимой температуры изоляции обмоток, максимально допустимой температуры масла в верхних слоях, относительным износом изоляции) от конструктивных параметров трансформаторов, продолжительности перегрузки и температуры охлаждающей среды;
- предложены корректировки косвенных методов регулирования допустимых перегрузок трансформаторов, связанных с изменением требований к допустимым тепловым режимам работы силовых трансформаторов в ГОСТ-14209-97;
- проведены исследования зависимости допустимых перегрузок от термических параметров грунтов и способа прокладки силовых кабелей.
Методы исследования. Исследования в диссертационной работе осуществлялись на основе математического моделирования тепловых нестационарных процессов в элементах электроснабжения. Моделирование производилось на базе решения дифференциальных уравнений методом Эйлера. Допустимые нагрузочные способности элементов электроснабжения определялись при помощи численного метода (метод секущих). Определение оптимальных значений параметров, зависящих от конструкции трансформатора производилось при помощи метода прямого поиска оптимума Розенброка и Пауэла. Определение значений термических параметров грунта производилось методом сплайн интерполяции.
Достоверность положений и выводов диссертации подтверждается сходимостью результатов полученных в результате теоретических исследований с экспериментальными данными. Экспериментальные исследования проводились в натурных условиях на реальном оборудовании ОАО "Кубаньэнер-го".
Научная новизна заключается в следующем:
- разработке уточнений математической модели и на ее основе алгоритма расчета нестационарных тепловых процессов в силовых трансформаторах систем охлаждения М и Д;
- в разработке уточнений математической модели и на ее основе алгоритма расчета нестационарных тепловых процессов в силовых кабелях 6-20 кВ;
- в проведении комплексного аналитического исследования влияния ограничивающих параметров (согласно требований ГОСТ 14209-97) на допустимые систематические и аварийные перегрузки силовых трансформаторов;
- в проведении аналитического исследования влияния параметров тепловой модели, зависящих от конструктивных данных трансформатора, на допустимые перегрузки трансформаторов;
- в разработке косвенного метода контроля допустимых аварийных перегрузок трансформатора по показаниям стационарных термосигнализаторов; определение режимов работы, при которых погрешность данного метода будет минимальна;
- разработке метода выбора оптимальной величины номинального перегрева масла трансформатора над температурой охлаждающей среды для получения максимальной нагрузочной способности трансформатора, для заданных условий его работы;
- в проведении аналитического исследования влияния уточнений, введенных в тепловую модель силового кабеля, на допустимые перегрузки;
- в разработке алгоритма расчета термического сопротивления грунта и его теплоемкости с учетом зависимости удельных термических характеристик прилегающих слоев грунта от температуры при продолжительных перегрузках силового кабеля.
Практическая ценность и значение работы заключается:
- в разработке алгоритмов защиты трансформатора от перегрева и его практической реализации для микропроцессорных терминалов защит трансформатора;
- в разработке косвенных методов контроля допустимых нагрузок силовых трансформаторов.
- в разработке пакета прикладных программ для моделирования тепловых процессов в силовых трансформаторах и кабелях, предназначенного для решения следующих задач: текущего контроля допустимых нагрузок силовых трансформаторов и кабелей; расчета допустимых систематических и аварийных перегрузок; определения нагрузочной способности, вызванной изменением условий эксплуатации или конструктивных параметров элементов системы электроснабжения; модернизации систем электроснабжения предприятий.
- в использовании теоретических и методических положений диссертационной работы в учебном процессе при изучении дисциплин "Внутризаводское электроснабжение ", "Электрооборудование", в дипломном и курсовом проектировании.
Внедрение результатов работы. Разработанные алгоритмы моделирования тепловых процессов в силовых трансформаторах и кабелях реализованы в виде самостоятельных прикладных программ и внедрены в Армавирских электросетях ОАО "Кубаньэнерго", в МП "Армавиргорэлектросети" (применяются для расчета допустимых нагрузок при ремонтных и аварийных режимах работы систем электроснабжения), в ОАО "Армавирский электротехнический завод" (при модернизации системы электроснабжения).
Апробация работы
Основные результаты докладывались на второй всероссийской научно-практической конференции "Системы управления электротехническими объектами" посвященной 70-летию кафедры электротехники и электрооборудования Тульского государственного университета, Тула, 2002г.; первой межвузовской научно-практической интернет конференции "Энерго-и ресурсосбережение XXI века", Орел, 2002г.; Межвузовской научно-практической конференции, Армавир 2003г.; второй межвузовской научной конференции, Краснодар 2003г.; на научно-практических семинарах "Разработка алгоритмов программ и моделей электрооборудования, процессов и систем управления предприятий" кафедры ВЭА АМТИ 2001, 2002, 2003, 2004 гг.; Международной научно-практической интернет конференции "Алгоритмы и програм мы процессов и систем управления электрооборудованием и электрохозяйством", Армавир 2004 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка использованных источников, приложений. Общий объем диссертации: 160с, 99 рисунков, шесть таблиц и два приложения.
Краткое содержание работы
Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы основные цели и задачи диссертации, показана новизна работы и ее практическая ценность, представлены основные положения, выносимые на защиту, охарактеризована структура диссертации.
В первой главе рассматривается состояние вопроса совершенствования математических тепловых моделей элементов системы электроснабжения. Рассматривается история развития и актуальность вопросов, связанных с математическим моделированием нестационарных тепловых процессов в силовых трансформаторах и кабелях. Проанализированы основные недостатки математических моделей и расчетов, связанных с определением нагрузочной способности элементов системы электроснабжения. Рассмотрены основные направления по повышению точности расчетов на основе уточнения математических моделей и разработке на их основе алгоритмов расчета допустимых величин нагрузок системы электроснабжения.
Во второй главе приводится математическое описание предлагаемых уточнений в тепловую модель силовых трансформаторов. В главе приводится описание скорректированной математической модели и алгоритма расчета нестационарных тепловых процессов в трансформаторе. Приводится анализ влияния введенных уточнений, как на температурный режим работы трансформатора, так и на величину его нагрузочной способности.
В третьей главе приводятся результаты исследований допустимых систематических и аварийных перегрузок трансформатора от параметров перегрузки. Дается анализ влияния ограничивающих параметров на допустимые нагрузки трансформатора. На основании проведенных исследований проведен анализ косвенного метода регулирования допустимой систематической перегрузки трансформатора. Определены зависимости величины погрешности данного метода от величины параметров перегрузки и температуры окружающей среды. Показаны режимы работы трансформатора, когда данный метод применять нельзя из-за большой его погрешности определения допустимых перегрузок.
Предложен метод косвенного контроля величины допустимой аварийной перегрузки и определены условия работы трансформатора когда предложенный метод будет иметь минимальную погрешность.
Разработан метод выбора величины номинального перегрева масла для получения максимальной перегрузочной способности (для заданных параметров перегрузки).
В четвертой главе описывается упрощенная тепловая модель силовых кабелей напряжением 6-20 кВ. Производится математическое описание вносимых в тепловую модель уточнений. Проводится исследование допустимых систематических и аварийных перегрузок силовых кабелей от параметров перегрузки. Проводится анализ влияния тепловых параметров грунта на параметры тепловой модели и на допустимые нагрузки. Приведен анализ влияния вводимых уточнений на тепловой режим работы и расчетные допустимые нагрузки.
В пятой главе дается описание логических схем расчета допустимой перегрузки и соответствующего программного обеспечения предназначенного для определения тепловых процессов в силовых трансформаторах и кабелях. Производится описание результатов проведенных экспериментов на реальном оборудовании и сравнение их с расчетными температурами полученными в результате расчета уточненным методом и методом ГОСТа. Получены корреляционные зависимости между экспериментальными и уточненными моделями. Показан алгоритм защиты трансформатора от перегрева и его практическая реализация для микропроцессорных терминалов защит трансформатора. Предложены варианты практического применения результатов полученных в диссертационной работе. Проводится анализ полученных экс периментальных данных. Расчет экономической эффективности внедрения полученных результатов диссертационного исследования.
В заключение подводится основные итоги, полученные в результате проделанной работы. Приведены основные выводы, полученные в результате проведенных исследований.
В приложениях приведены алгоритмы расчета тепловых моделей силовых трансформаторов и кабелей, даны описания их математических моделей.
Развитие тепловой модели силовых трансформаторов
Номинальная мощность трансформаторов, значения их допустимых перегрузок рассчитываются с учетом допустимого нагрева активных частей, определяемого классом нагревостойкости применяемой изоляции.
Из-за отсутствия устройства измерения, обладающего достаточной точностью и надежностью, которое могло получить широкое распространение для непосредственного определения температур токоведущих частей высоковольтных трансформаторов и кабелей, для определения допустимых перегрузок применяют математическое моделирование нестационарных тепловых процессов, протекающих в трансформаторах и кабелях.
В основе расчета перегрузочной способности элементов системы электроснабжения, связанной с максимально допустимой температурой токоведущих частей, лежит тепловой износ изоляции. Стремление к наиболее полному и экономичному использованию установленного в энергосистемах оборудованию выдвинуло требование, с одной стороны, более точного расчета температуры основных элементов оборудования, работающего в основном в неустановившихся тепловых режимах, и с другой, определения при этом старения изоляции с учетом всех воздействующих факторов, ускоряющих процесс старения.
Отсюда следует, что от точности расчета нестационарных тепловых процессов и на их основе определения допустимой нагрузки силовых трансформаторов и кабелей зависит не только эффективность их работы, но и надежность всей системы электроснабжения, основными элементами которой они являются. Поэтому вопросам связанных с определением температур токоведущих частей силовых трансформаторов с самого момента их появления уделялось много внимания. В 1930 году Монтзингер [11, 115] в качестве критерия старения изоляции использовал механическую прочность бумаги на растяжение. На основании его работ получена кривая срока службы изоляции для аппаратов, заполненных маслом. Для этих же целей в 1959 Fabre J., Pichon А. [21, 114] использовали химический критерий - степень полимеризации (СП). Объясняется это тем, что механическая прочность целлюлозы, из которой в основном состоит кабельная бумага, зависит от СП. Несмотря на то, что СП является косвенным критерием, он обладает бесспорными преимуществами: - чувствительностью и устойчивостью независимо от степени старения; - сильной зависимостью от степени старения; - способностью характеризовать средние свойства изоляции независимо от небольших местных дефектов.
Эти исследования подтвердили экспоненциальную связь, полученную Монтзингером, между температурой и сроком службы изоляции.
Скорость старения изоляции зависит от величины температуры, а достигнутая степень старения - от температуры и времени ее воздействия. На скорость и достигнутую степень старения изоляции влияют также влага, кислород и другие факторы, однако строгий учет этих факторов не может быть выполнен.
Для расчета нагрузочной способности необходимо определить температуры токоведущих частей элементов электроснабжения. Для силовых трансформаторов требуется рассчитать температуру в наиболее нагретых местах обмотки. В 1953 году в СССР вышла книга Л. М. Шницера "Нагрузочная способность силовых трансформаторов" [107], в которой предлагалась базовая тепловая модель силового трансформатора для расчета температуры наиболее нагретых мест обмотки.
Приведенная на рисунке 1.1 схема распределения температуры является упрощением более сложной действительной картины распределения температуры в силовом трансформаторе. В этой тепловой модели были предложены следующие упрощения [34,35,36]: а) температура масла внутри обмоток повышается линейно от нижней части к верхней независимо от вида охлаждения; б) превышение температуры проводника увеличивается линейно по вы соте обмотки и параллельно превышению температуры масла с постоянной разностью g между двумя прямыми линиями (g - разность между превышением средней температуры, измеренной методом сопротивления, и превышением средней температуры масла, С); в) превышение температуры наиболее нагретой точки должно быть выше превышения температуры проводника в верхней части обмотки, как показано на рисунке 1.1, поскольку необходимо учесть увеличение дополнительных потерь. При учете этих нелинейностеи для обозначения разности между температурой наиболее нагретой точки и температурой масла в верхней части обмотки принято обозначение Hg, С.
В 1969 году выходит ГОСТ 14209-69 "Трансформаторы силовые масляные общего назначения. Допустимые нагрузки", который регламентирует допустимые перегрузки трансформаторов на основании допустимых тепловых режимов работы изоляции трансформаторов.
Предложенная в ГОСТ тепловая модель трансформаторов систем охлаждения М и Д не учитывает следующие физические процессы, происходящие в трансформаторе при нестационарных тепловых процессах: - при неустановившихся тепловых процессах изменение температуры элементов трансформатора происходит по неэкспоненциальным зависимостям; - температура обмотки обладает своей тепловой инерционностью и изменяется по неэкспоненциальной зависимости; - потери в обмотках зависят от их электрического сопротивления и изменяются от своей номинальной величины в зависимости от температуры обмоток; - воздействие температуры охлаждающей среды на температурный режим работы силового трансформатора происходит с учетом его постоянной времени нагрева; - системы охлаждения трансформаторов работают в автоматическом режиме и включаются при достижении заданных параметров температуры масла и нагрузки.
В 1983 году выходит книга Боднар В. В. "Нагрузочная способность силовых масляных трансформаторов" [11], в которой предлагается внести целый ряд уточнений в тепловую модель силового трансформатора и предложений по пересмотру ГОСТ 14209-69, таких как:
1) превышение температуры масла трансформаторов с системами охлаждения М и Д в неустановившихся режимах нагревания может быть определено более точно путем замены экспонент с постоянной времени нагрева для номинальных параметров трансформаторов экспонентами со скорректированными постоянными времени для каждого нагрузочного режима;
2) при расчете превышения температур элементов трансформатора может быть учтено изменение потерь в обмотках по отношению к номинальным, обусловленное температурными изменениями сопротивления обмоток. При этом следует помнить, что фактические превышения температур будут несколько ниже расчетных вследствие снижения вязкости масла обусловленное ростом его температуры и улучшением теплоотдачи;
3) в случае кратковременных, но больших перегрузок (что характерно для трансформаторов электрических сетей сельскохозяйственного назначения) превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в неустановившихся режимах нагревания рассчитывать следует с учетом постоянной времени нагрева обмотки;
Тепловая модель ГОСТа силового трансформатора
Роль масла в трансформаторах исключительно велика. Оно обладает высокими диэлектрическими свойствами и используется в качестве изоляции, а также, являясь хорошим теплоносителем, обеспечивает отвод теплоты от внутренних частей трансформатора. В процессе эксплуатации трансформаторов химические и электрофизические свойства масла претерпевают изменения. Этот процесс называется старением.
В трансформаторах старение масла происходит при повышенной температуре за счет совместного воздействия молекулярного кислорода воздуха и электрического поля при катализирующем действии материалов, из которых изготовлен трансформатор. Доминирующими факторами старения трансформаторного масла являются окислительные превращения входящих в его состав углеводородов. По мере накопления в масле кислых соединений образуются продукты глубокого окисления - осадки, нерастворимые в масле [71].
Несмотря на успехи химии в области искусственных полимеров, в масляных трансформаторах по-прежнему остается незаменимой изоляция в виде кабельной бумаги и электроизоляционного картона на основе целлюлозы. Это объясняется высокими диэлектрическими и удовлетворительными механическими свойствами этих материалов при их относительно низкой стоимости.
С течением времени под действием температуры, влаги, растворенного в масле кислорода, продуктов разложения масла и других факторов происходит прогрессирующее ухудшение свойств изоляции, называемое старением изоляции. Старение является результатом необратимых химических реакций, скорость которых зависит, главным образом, от температуры. Поэтому достигнутая степень старения, или износ, зависят и от времени температурного воздействия [9, 65].
Электрическая прочность состарившейся изоляции снижается очень мало, а механическая прочность и эластичность резко падают. В то же время изменения механических характеристик изоляционных материалов (прочности на разрыв, числа выдерживаемых перегибов) делают трансформатор чувствительным к неизбежно возникающим при коротком замыкании (КЗ) перемещениям проводников, вызываемым динамическими усилиями, пропорциональным квадрату тока (чем и опасны токи КЗ). Поэтому в трансформаторе с состарившейся изоляцией легко может возникнуть межвитковое замыкание.
Процесс старения материалов - необратимое изменение их физико-химических, механических свойств и структуры при эксплуатации и длительном хранении. Старение обуславливает изменение исходных электрических, механических и химических свойств материала. При растяжении степень снижения предела прочности изоляции по сравнению с исходным его значением становится существенной уже после непродолжительного времени старения, особенно если трансформатор длительно работает с перегрузкой.
Время, по истечении которого изоляционный материал приходит в негодность, называется его сроком службы. Для диапазона температур 80..Л 40 С, имеющих место при эксплуатации трансформаторов с изоляцией класса А, при определении срока службы трансформатора справедлива формула Монтзинге-ра[113] E = D-e p\ (2.1) где D - постоянная установленная экспериментально, С 1; р - эмпирический коэффициент; $ - температура изоляции, принимаемая по наиболее нагретой точке обмотки, С.
В рекомендациях международной электротехнической комиссии (МЭК) по нагрузочной способности значение постоянной т, необходимое для определения срока службы, не указано, так как не было согласовано из-за расхождения мнений по физическим свойствам изоляционного материала.
Однако существует единое мнение о том, что в диапазоне температур от 80 до 140 С каждые 6 или 8 С прироста температуры вызывают сокращение вдвое срока службы изоляции, т. е. ее износ удваивается (шестиградусное (восьмиградусное) правило старения изоляции) [11]. В дальнейшем будем придерживаться шестиградусного правила A3 = 6 С.
Обычно срок службы изоляции трансформатора определяют, ориентируясь на номинальную температуру наиболее нагретой точки обмотки, принимаемую равной 98 С. Используя формулу Монтзингера (2.1), находим износ изоляции р = еолт9-щ, (2.2)
Для расчета относительного износа изоляции при изменяющейся во времени температуре необходимо проинтегрировать выражение 2.5. В этом случае относительный износ F можно определить по следующим формулам [9] F=l. y )dt=L. fc—dt, (2.3) "о о где ti - время воздействия температуры, ч; П - рассматриваемый период времени, ч.
Температура обмотки трансформатора изменяется вследствие колебаний нагрузки и изменения температуры охлаждающей среды - воздуха или воды. На основании большого числа наблюдений установлено, что изменение температуры охлаждающего воздуха 0ОС, С в течение периода времени П (сутки, год) достаточно хорошо выражается функцией [11]
Анализ критериев, ограничивающих нагрузочную способность при систематических перегрузках
Систематические и аварийные перегрузки рассчитываются для трансформаторов с предельно допускаемыми номинальными превышениями температуры для режимов работы с постоянной длительной нагрузкой или с периодически повторяющейся нагрузкой с периодом, равным одним суткам.
Во избежание недопустимых местных нагревов элементов конструкций от потока рассеяния, что может иметь место в трансформаторах относительно больших мощностей (более 100 МВ-А), перегрузки ограничены значением тока 1,5 раза больше номинального. Только по согласованию с заводом изготовителем допускается работа с током до двукратного значения номинального тока [34,35].
При этом температура масла в верхних слоях ограничивается значением равным м.в.смАХ-С " ПО С. Температура наиболее нагретой точки обмотки ограничивается значением о.мнт.мдх.с = 140 С. Ограничение обусловлено тем, что при температуре до 140 С скорость износа изоляции растет экспоненциально с повышением температуры, удваиваясь при каждом повышении температуры на 6 С. При увеличении температуры выше 140 С под влиянием продуктов износа старение изоляции происходит быстрее, чем по известным законам [15, 36].
Относительный износ изоляции за рассматриваемый период времени, включающий время нагрузки и перегрузки, должен быть равен единице. Расчет ведется по выражениям (2.22, 2.23, 2.24 или 2.62).
На рисунке 3.1 показан график зависимости температур обмотки и масла от коэффициента перегрузки Кг и начальной нагрузки Кь а также ограничения, накладываемые на температуры элементов трансформа и относительный износ изоляции при систематических перегрузках.
Рисунок 3.1 - Ограничения, накладываемые на температуры элементов трансформатора при систематических перегрузках
На рисунке показано изменение температурного режима трансформатора при перегрузках длительностью 2 часа, при температуре охлаждающей среды 16С. Из графика видно, что при больших коэффициентах начальной загрузки износ изоляции достигает максимального значения раньше, чем температура обмотки и масла. Однако, при уменьшении значений коэффициента Ki допустимую перегрузку ограничивает максимальная температура наиболее нагретой точки обмотки. Температура масла для данных параметров перегрузки (продолжительность перегрузки, температура охлаждающей среды) и параметров самого трансформатора не влияет на допустимую перегрузку, так как ее температура достигает своих максимальных значений позже, чем обмотка.
До настоящего времени не разработано устройства, обладающего достаточной точностью и надежностью, которое могло получить широкое распространение для непосредственного определения температур токоведущих частей высоковольтных трансформаторов и кабелей. Поэтому, на практике, допустимые перегрузки силовых трансформаторов определяют при помощи данных ГОСТа и термосигнализаторов контролирующих температуру масла в верхних слоях. Для оценки точности этого метода проведем анализ критериев ограничивающих нагрузочную способность трансформаторов.
Расчет допустимых перегрузок и их продолжительности является многокритериальной задачей, так как на нестационарный тепловой режим работы трансформатора накладывается несколько ограничений, связанных с недопустимостью превышения температурой верхних слоев масла и наиболее нагретой точки обмотки заданных предельных величин. Также на систематические нагрузки накладывается условие, связанное с ограничением относительного износа изоляции трансформатора. Поставленная задача решается в два этапа.
Для проведения анализа влияния ограничивающих параметров на величину допустимой перегрузки рассчитываются коэффициенты допустимой перегрузки для каждого ограничивающего параметра. Для заданных параметров перегрузи рассчитывается К2.изн - коэффициент допустимой перегрузки, при котором относительный износ изоляции будет равен номинальному. Рассчитывается Кім.в.с.с - коэффициент допустимой перегрузки, при котором температура верхних слоев масла равняется максимально допустимой температуре для систематических перегрузок М.В.С.МАХ.С = 105 С. Рассчитывается К2.о.ннт.с ко" эффициент допустимой перегрузки, при котором температура наиболее нагретой точки обмотки равняется максимально допустимой температуре для систематических перегрузок О.ННТ.МАХ.С = 140 С. Проведено исследование влияния на допустимую величину систематических перегрузок таких параметров как продолжительность перегрузки, температура окружающей среды, конструктивные параметры трансформатора. Также проведено исследование влияния каждого ограничивающего параметра на допустимую величину перегрузки.
На основании проведенных исследований проведен анализ косвенного метода регулирования допустимой систематической перегрузки трансформатора. Рассмотрены зависимости величины погрешности данного метода от величины параметров перегрузки и температуры окружающей среды. Определены режимы работы трансформатора, когда данный метод применять нельзя из-за большой его погрешности определения допустимых перегрузок.
Существующий метод определения теплового ребжима работы кабеля 6-20 кВ
При прохождении тока по проводнику через некоторый промежуток времени в нем устанавливается тепловое равновесие. Установившемуся равновесию соответствует определенное превышение температуры жилы над температурой окружающей среды. Исходя, из длительно допустимой температуры, для различных видов изоляции нормами предусмотрены определенные температуры нагрева изолированных жил при длительной нагрузке, и кратковременных перегрузках.
В изолированных кабелях (КЛ) чрезмерное превышение температуры жил может привести к ускоренному износу, уменьшению эластичности и снижению механической прочности изоляции, которая зависит не только от максимальной величины температуры жилы кабеля, но также и от продолжительности воздействия этой температуры на изоляцию кабеля. Проводить замеры температуры жил кабеля, находящегося в эксплуатации, довольно трудно, поэтому прибегают к математическому расчету тепловых процессов в кабельных линиях.
Для решения тепловых уравнений можно воспользоваться методами найденными для электрического поля [45, 56, 86]. Чтобы решить эти уравнениями, необходимо определить температуру каждого слоя кабеля, для чего необходимо определить потери, выделяемые в кабеле.
Все формулы выведены для единицы длины кабеля. В классическом методе потери в жиле кабеля Рж, Вт/см, определяются по следующей формуле Рж=п-12ж-Кж, (4.1) где п - количество жил в кабеле; 1Ж - ток, проходящий в жиле, А; Кж - активное сопротивление жилы при номинальной температуре жилы на единицу длины кабеля, Ом/см.
Омическое сопротивление жилы кабеля 11о,ж, Ом/см, определяется по формуле [45] ох =—-[1+М -20)], (4.2) где Р20- удельное сопротивление материала жилы, Ом-мм2/см, при 20С; 1 - длина линии, см; Ж.НОМ - номинальная температура жилы кабеля, С; Бж - поперечное сечение жилы, мм2; сего - температурный коэффициент сопротивления при температуре 20С, 1/С.
Длительную допустимую нагрузку можно найти решением уравнения теплового баланса. Для этого необходимо определить тепловое сопротивление элементов кабеля и окружающей среды. Для расчета температуры жилы кабеля классическим методом удобно пользоваться тепловой схемой замещения кабелей, показанной на рисунке 4.1.
Если силовые кабели прокладывают в воздухе, то охлаждение в этом случае происходит от конвекции воздуха и теплового излучения с поверхности кабеля. Тепловое сопротивление поверхности кабеля в этом случае SB, С-см/Вт, определяется по формуле [75, 86] SH= n-D„ (4.9) где ав - удельное сопротивление теплопереходу с поверхности кабеля в воздух равное от 800 до 1200 С-см /Вт, зависящее от наличия брони на кабеле, его диаметра и загруженности во время эксплуатации.
При прокладке кабеля в земле тепловое сопротивление окружающей среды So, С-см/Вт, определяется при помощи метода зеркальных отображений по формуле [86]: где аг-удельное сопротивление грунта, С-см/Вт; L - глубина прокладки кабеля, см.
Коэффициент 2/3 учитывает часть тепла, уходящую в слои почвы с неизменной температурой на протяжении всего года. Часто в одной траншее прокладывается два и более кабелей. Метод зеркального отображения для определения теплового сопротивления грунта [49,99] может быть использован и с несколькими одинаково нагруженными кабелями. Повышение температуры поверхности кабеля в результате воздействия теплового потока соседнего кабеля может быть учтено введением в тепловую модель эффективного термического сопротивления So.3o , С-см/Вт, для двух рядом проложенных кабелей и определяется по формуле
