Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ трансформаторов сеяьских подстанций и обоснование разработки устройства прогнозирования расхода ресурса их изоляции 9
1.1. Анализ сведений о загрузке трансформаторов подстанций 35/10 кВ и 10/0,4 кВ в условиях эксплуатации 9
1.2. Особенности режимов работы трансформаторов сельских подстанций, их учёт на стадии проектирования подстанций и в процессе эксплуатации 20
1.3. Обоснование разработки устройства прогнозирования расхода ресурса изоляции трансформатора 28
В ыв оды 40
2. Аналитшеское обоснование моделирования тепловых процессов силовых трансформаторов 42
2.1. Исследование нагрева силового трансформа
тора как системы однородных тел 42
2 Анализ уравнений теплового баланса трансформатора как системы трех тел
2.2. Определение расхода ресурса изоляции трансформатора 64
2.3. Обоснование электрической модели-аналога тепловой схемы замещения трансформатора... В ыв од ы 79
3. Разработка и исследование устройства прогнозирования расхода ресурса изоляции трансформатора 81
3.1.I. Классификация технических средств контроля температуры обмоток транс форматоров mml mam
3.1.2. Использование электрической аналоговой модели тепловых процессов трансформатора в устройствах для контроля температуры его элементов 83
3.1.3. Функциональные возможности и технические требования к устройству прогнозирования расхода ресурса изоляции трансформатора 55
3.2. Составление блок-схемы и алгоритма работы устройства прогнозирования расхода ресурса изоляции трансформатора 87
3.3. Разработка приящшиальных электрических схем функциональных блоков устройства прогнозирования расхода ресурса изоляции трансформатора 93
3.4. Выбор власштабов моделирования и расчёт параметров электрических моделей-аналогов трансформаторов 1-Ш габаритов 102
3.5. Оценка надёжности и техническая характеристика разработанного устройства прогнозирования расхода ресурса изоляции трансформатора 109
3.6. Разработка технических средств циркулярной разгрузки районной трансформаторной подстанции 117
В ы в оды 123
Исследование нагрузочной способности, графиков нагрузки и нагрева сельских трансформаторов.эк0номическая эффективность применения разработанного устройства прогнозирования расхода ресурса изоляции трансформатора 125
4.1. Постановка задачи исследования и выбор методики проведения экспериментов 125
4.2. Разработка экспериментальной установки... 128
4.3. Использование методики многофакторного планирования эксперимента для проведения исследований 139
4.4. Экспериментальное определение превышений температуры основных конструктивных элементов трансформаторов 1-го габарита в различных режимах работы 150
4.5. Исследование характерных обобщенных суточных графиков нагрузки и нагрева сельских трансформаторов с помощью устройства прогнозирования расхода ресурса изоляции 162
4.6. Область применения, оценка экономической эффективности использования разработанного устройства прогнозирования расхода ресурса изоляции трансформатора 168
В ы в оды 182
Общие выводы и заключение 184
- Особенности режимов работы трансформаторов сельских подстанций, их учёт на стадии проектирования подстанций и в процессе эксплуатации
- Анализ уравнений теплового баланса трансформатора как системы трех тел
- Функциональные возможности и технические требования к устройству прогнозирования расхода ресурса изоляции трансформатора
- Использование методики многофакторного планирования эксперимента для проведения исследований
Особенности режимов работы трансформаторов сельских подстанций, их учёт на стадии проектирования подстанций и в процессе эксплуатации
В /104/ рекомендуется производить выбор мощности трансформатора 35/10 вВ сельской подстаїщии по экономическим интервалам загрузки на расчётный период с проверкой, опять таки, нагрузочной способности по ГОСТ 14209-69, а для 2-х трансформаторных подстанций следует, кроме того, учитывать необходимость обеспечения питания нерезервированных потребителей одним из трансформаторов при выходе из строя второго. Принятый в настоящее время метод выбора мощности каждого из трансформаторов из расчёта О,65...О,7 суммарной нагрузки подстанции в конце расчётного периода приводит к увеличению капиталовложений и работе трансформаторов с недогрузкой и повышенным потреблением реактивной мощности, так как предполагается отсутствие резервирования по сетям 10 кВ. Уже при резервировании 30 нагрузки по вторичной сети мощность каждого трансформатора может приниматься 0,5 от максимума. При резервировании до 30...40 мощности по сети 10 кВ определяющим условием выбора мощности трансформаторов является обеспечение питания нерезервированных потребителей при выходе из строя одного из трансформаторов, при резервировании более 40 - определяющим становится экономический интервал /104/,
Методам технико-экономической оптимизации выбора и эксплуатации трансформаторов посвящен рад зарубежных публикаций. В /118/ рассмотрены проблемы выбора трансформаторов подстанций с использованием методов, учитывающих как значение потерь холостого хода и потерь при нагрузке, так и объём капитальных затрат. Выбор номинальной мощности единичного трансформатора произво -дится с учётом пиковой мощности потребления электроэнергии и усредненных временных характеристик потребления. Определены условия целесообразности установки на РТП двух трансформаторов, что обеспечивает повышение надёжности, а также сокращение потерь холостого хода за счёт отключения одного из трансформаторов в часы незначительного потребления электроэнергии.
При расчёте максимальной нагрузки необходимо учитывать разновременность наступления максимума, обусловленную различием конфигурации суточных графиков нагрузок различных потребителей. Предложен метод расчёта перспективных нагрузок подстанций распределительных сетей, в котором учитывается реальная форма графиков нагрузок /114/, В этой же работе представлены результаты применения метода для расчёта необходимой мощности трансформаторов распределительных подстанций и показано, что учёт цикличности нагрузки позволяет снизить установленную мощность трансформаторов в среднем на Ь% (в отдельных случаях - до 10%) и более точно спланировать сроки ввода нового оборудования.
Экономическую нагрузку силовых распределительных трансформаторов можно определить, приняв во внимание процесс старения электрической изоляции (в зависимости от температуры и времени) /115/. Связь между старением электрической изоляции и изменениями температуры и времени дана в "Руководящих указаниях по нагрузке масляных распределительных трансформаторов мачтового ис - 27 полнения со средним превышением температуры обмоток 55 или 65С" С 57.91 (1974), опубликованных в качестве приложения к стандарту США. "Общие требования к распределительным, силовым и регулировочным трансформаторам" С 57.12.00 (1973).
Выполненные в институте "Энергосетьпроект" исследования показали, что в настоящее время при существующих технических и стоимостных показателях трансформаторов и стоимостях потерь электроэнергии в зависимости от территориального местоположения подстанции и годового времени максимальных потерь активной мощности в обмотках предельные экономически целесообразные нагрузки трансформаторов в нормальных режимах, вычисленные по критерию минимума приведенных затрат /52/, составляют О,84...3,07 номинальной мощности трансформаторов, а для подавляющего большинства трансформаторов 35-110 кВ РТП экономически целесооб -разная нагрузка находится в пределах 1,3...1,8 от номинальной /22/. Из приведенных положений следует, что верхний предел экономической загрузки должен находиться в разумных технических пределах и быть определен при проверке нагрузочной способности трансформатора с учётом фактического графика нагрузки, а также согласован с пропускной способностью распределительных линий /26, 66/.
Анализ уравнений теплового баланса трансформатора как системы трех тел
При эксплуатации трансформатора его нагрузка, как было показано в 1-й главе, изменяется в широких пределах, вместе с ней изменяется и температура основных элементов трансформатора. Причем работа трансформатора в переходном режиме является наиболее характерным состоянием трансформатора.
Работа трансформатора сопровоадается тепловым старением его изоляции. Чтобы ответить на вопрос о допустимости той или иной перегрузки, необходимо решить две задачи: определить температуру наиболее нагретой точки изоляции обмоток, а затем определить степень износа этой изоляции, то есть проверить нагрузочную способность трансформатора.
Аналитические решения нестационарных задач тепловых процессов электрических машин, как показано в /103/, достаточно громоздки. Что же касается нестационарных процессов в трансформаторах, то они относятся, как мы указали, к типичным эксплуатационным явлениям, анализ которых актуален. По этой причине появились расчётные формулы с допущениями, которые, схематизируя происходящий тепловой процесс, давали достоверные результаты. Для решения таких задач была разработана классическая теория нестационарного нагрева /II/, которая рассматривала трансформатор или его элемент как однородное тело. При таком рассмотрении уравнения теплопроводности дают решения в форме экспоненциальной зависимости температуры от времени.
Математическое описание переходного процесса нагрева обмоток трансформатора, особенно при перегрузках, является весьма важным для анализа нагрузочной способности. Большинство авторов /47,103/ в соответствии с классической теорией нестационарного теплообмена, рассматривают трансформатор как однородное тело и описывают нагрев обмоток, например, начиная из холодного состояния, известным
Приведенное уравнение графически описывается экспоненциальной кривой, характер которой зависит только от установившегося превышения температуры и постоянной времени. Однако опыт показывает, что кривая нагрева обмотки, кап и остальных активных частей трансформатора, близка к экспоненте только в конечной своей части (рис. 2.1), а в начальной имеет значительное расхождение с ней, Это обстоятельство необходимо учитывать при анализе кратковременных перегрузок трансформатора,
Расхождение между теоретической 2 и экспериментальной I кривыми нагрева обмоток трансформатора объясняется тем, что он с точки зрения нагрева не является однородным телом, а представляет систему П тел. Классическая теория нестационарных тепловых процессов, рассматривая трансформатор как однородное тело, предполагает теплоёмкость охлаждающей среды бесконечно большой. Масло, являющееся охлаждающей средой для обмоток и магнитопровода, не удовлетворяет этому условию, его температура в процессе нагрева - 44 г
Постоянные времени Т ,Т2 ... Тп с возрастанием П быстро убывают и практически остаются заметными лишь несколько первых постоянных /81/. Силовой трансформатор с достаточной степенью точности может рассматриваться как система трех тел /77, 109/.
Рассматривая нагрев трансформатора как однородного тела, формулу (2.1), описывающую экспоненциальный характер изменения температуры, можно принять лишь для случаев когда превышение температуры в установившемся режиме пропорционально первой степени отводимой теплоты потерь /38/, которые при этом предполагаются постоянными. Установившееся превышение температуры наиболее нагретой точки (ННТ) обмотки при нагрузке, отличающейся от номинальной Та.ннт , определяется как сумма установившегося превышения температуры верхних слоев масла над температурой охлаждающей среды Тмвс и установившегося превышения температуры ННТ обмотки над температурой верхних слоев масла
Функциональные возможности и технические требования к устройству прогнозирования расхода ресурса изоляции трансформатора
Предлагаемое устройство прогнозирования расхода ресурса изоляции трансформатора можно отнести к устройствам косвенного контроля теплового режима обмоток. Публикаций по аналогичным устройствам нами не обнаружено, что видно из отсутствия ссылок на литературу в общей классификации устройств (рис, 3,1). Цифрами на рисунке обозначены соответствующие ссылки на литературные источники.
Во второй главе нами разработана электрическая модель-аналог тепловой схемы замещения трансформатора. Удовлетворительное соответствие такой модели как в математическом, так и в физическом смысле позволяет использовать её для решения широкого крута вопросов, связанных с тепловыми режимами работы трансформаторов. Поскольку модель состоит из трёх электрических ёмкостей, соответствующих обмоткам, магнитопроводу и маслу трансформатора, в ней заложена возможность получения информации о значениях превышений температуры каждого из тел на основании входной информации о температуре любого из трех элементов трансформатора. Следовательно, выбрав параметры модели с учётом масштабов моделирования для конкретного трансформатора, её можно использовать в качестве вторичного прибора для контроля как температуры изоляции температуры обмоток трансформатора обмоток трансформатора, так и для учёта износа изоляции. При этом достаточно иметь только информацию о температуре масла или магнитопровода трансформатора. Это преимущество аналоговых устройств уже отмечалось нами. Следует отметить, что попытки использования схем замещения для исследования нагрузочной способности всё яе предпринимались. Так, в /123/ предлагается определять нагрузочную способность силовых трансформаторов на основе максимальной температуры масла с помощью электрической схемы замещения. В дискуссии по статье /132/ высказывается мнение о возможности использования электрических эквивалентных схем для анализа тепловых процессов сложных электрических аппаратов. И, наконец, упоминанием в /54/ об электрической аналоговой модели для процесса охлаждения трансформатора исчерпываются имеющиеся сведения о применении таких схем.
Применение разработанной электрической модели-аналога позволяет проводить и чисто исследовательскую работу с целью .оптимизации параметров трансформатора по нагрузочной способности на стадии конструирования и проектирования. Схема позволяет изменять любой из параметров цепи в необходимых пределах, что является намногo экономичнее натурного моделирования,
На базе электрической модели могут быть разработаны устройства для защиты трансформаторов от перегрузки с контролем температуры обмоток, магнитопровода или масла, подобные различным температурным реле /88/.
И наконец, схема может быть использована для анализа эксплуатационных режимов трансформаторов сельских подстанций, исходя из реальных суточных графиков их нагрузки. Рассмотрим основные требования, которые предъявляются к устройству для прогнозирования расхода ресурса изоляции трансформатора.
Основная задача устройства прогнозирования расхода ресурса изоляции трансформатора состоит в следующем: необходимо задаться любым нужным суточным графиком нагрузки трансформатора с интервалом по времени в I час, затем поочередно подать заданные уровни нагрузки в соответствующем масштабе на электрическую аналоговую модель тепловых процессов трансформатора, с выхода модели получить сигнал пропорциональный превышению температуры изоляции обмоток над температурой охлаждающей среды, затем просуммировать этот сигнал со значением температуры охлаждающей среды, выполнить функциональное преобразование полученной температуры в величину износа изоляции и подать полученный сигнал на интегрирующий счётчик износа изоляции. Таким образом, необходимо за несколько минут или секунд повторить весь 24-часовой цикл работы трансформатора в реальных условиях и получить при этом значение суммарного суточного расхода ресурса изоляции трансформатора. Упрощенно принцип работы устройства можно представить на рисунке 3,2.
Одним из главных требований к устройству является обеспечение заданного класса точности всего цикла работы. Блок управления нагрузкой I должен обеспечивать возможность точного копирования заданного суточного графика нагрузки с помощью установки соответствующих потенциометров в ручном режиме. Масштабы моделирования и параметры аналоговой электрической модели должны быть подобраны с минимальной погрешностью по отношению к тепловой схеме трансформатора. Функциональный преобразователь должен повторять заложенный в него закон старения изоляции в зависимости от температуры.
Использование методики многофакторного планирования эксперимента для проведения исследований
В третьей главе описано разработанное устройство прогнозирования расхода ресурса изоляции трансформатора "Прогноз-1". Информативными параметрами входного сигнала устройства являются часовые коэффициенты загрузки и температура охлаждающей среды. Необходимо отметить, что наряду со всеми характерными особенностями эксплуатационных режимов работы трансформаторов в сельском хозяйстве, показанными в первой главе, существует по крайней мере еще одна - асимметрия нагрузки трансформатора по фазам. Несимметричная нагрузка фаз характерна прежде всего для потребительских трансформаторных подстанций и связана с неравномерностью подключения мощных однофазных потребителей и осветительных нагрузок по фазам, а также разновременностью их включения /40/. Следовательно, первый вопрос, который необходило решить в настоящей главе - оценить влияние асимметрии нагрузки на тепловой режим трансформатора потребительской ТП и учесть этот фактор в устройстве прогнозирования расхода ресурса изоляции транфформатора,
В третьей главе дан анализ погрешностей разработанного устройства и его отдельных блоков. Однако окончательную оценку погрешности всего устройства можно получить путём сравнения его показаний с реальными параметрами теплового режима трансформатора в условиях эксплуатации. Следовательно, необходимо для конкретного трансформатора записать изменение температуры изоляции обмоток за период суточного цикла работы, воспроизвести этот суточный график нагрузки на устройстве прогнозирования расхода ресурса изоляции, выполнить расчёт и, сравнив показания устройства с реальным изменением температуры, оценить его погрешность.
Экспериментальное определение превышений температуры основных конструктивных элементов трансформатора в различных режимах работы необходимо также для проверки правильности принятой методики аналитического расчёта превышений температуры и износа изоляции в квазиустановившемся режиме. Необходимо экспериментальное подтверждение теоретических расчётных графиков нагрева трансформатора как системы трех тел,
Анализ расчётных записок на тепловые расчёты трансформаторов 1 П габаритов и проведенные нами теоретические расчёты показывают, что эти трансформаторы обладают большим конструктивным запасом по нагрузочной способности, а значит можно проверить экспериментально этот "запас" по температуре наиболее нагретой точки обмоток путём изменения нагрузки до значения, соответствующего температуре 98С, то есть нормальному износу изоляции. С точки зрения допустимых режимов работы при перегрузке важно знать реальную нагрузочную способность трансформатора, а эти сведения можно получить при измерении значений температуры элементов трансформатора при различных кратностях перегрузки.
Из всего сказанного можно сформулировать следующие задачи экспериментального исследования:
1) создать наиболее тяжелые режимы несимметричной нагрузки трансформатора по фазам, записать изменение превышений температуры обмоток магнитопровода и масла и оценить значения дополнительного нагрева основных конструктивных элементов, вызванного асимметрией нагрузки, по сравнению с симметричной;
2) записать изменение температуры изоляции обмоток за суточ - 127 -ный цикл работы трансформатора и, сравнив с показаниями устройства прогнозирования расхода ресурса изоляции, оценить его погрешность;
3) определить установившиеся превышения температуры обмоток, магнитопровода и масла при номинальной нагрузке трансформатора, сравнить их с данными расчётной записки. Записать изменение превышения температуры обмоток трансформатора, начиная с холодного состояния до установившегося значения при той же номинальной нагрузке, и сравнить с теоретической расчётной кривой;
4) для заданного суточного переходного теплового режима сравнить теоретические расчёты и реальные значения температуры, оценив тем самым правильность принятой методики расчёта;
5) изменяя нагрузку трансформатора, довести её до величины, соответствующей температуре наиболее нагретой точки изоляции обмоток 98С при заданной температуре охлаждающей среды, определить заложенный конструктивный запас по нагрузочной способности. Оценить влияние температуры охлаждающей среды на превышение температуры элементов трансформатора;
6) определить установившиеся превышения температуры элементов трансформатора при различных кратностях перегрузки, выявить существующие соотношения между значениями температуры как в установившемся, так и в переходном режимах работы. Экспериментальные исследования проводились на трансформаторах 10/0,4 кВ мощностью 25 и 40 кВА производства Минского электротехнического завода им. В.И, Козлова, не бывших в эксплуатации, с помощью разработанной экспериментальной установки. При исследовании несимметричных режимов нагрувки трансформатора нами была использована методика многофакторного планирования эксперимента /68/.
