Продолжительное воздействие тепла, влаги, кислорода вызывает старение изоляционных материалов трансформатора, прежде всего тех, основой которых является целлюлоза (электроизоляционная бумага), а также и тех, где основой являются волокнистые текстильные материалы, пластмассы, тканевые материалы, эластомеры. Термические свойства диэлектриков, определяемые классом нагревостойкости, обусловливают срок службы трансформатора, который в зависимости от условий в процессе эксплуатации укорачивается или удлиняется. Важнейшим фактором, определяющим срок службы трансформатора, является режим работы.
Процесс старения материалов — необратимое изменение их физико-химических, механических свойств и структуры при эксплуатации и длительном хранении. Старение обусловливает изменение исходных электрических, механических и химических свойств материала. Однако степень снижения электрической прочности, вызванная процессом старения, не велика. В то же время возникающие при этом изменения механических характеристик изоляционных материалов (прочности на разрыв, числа выдерживаемых перегибов) делают трансформатор чувствительным к неизбежно возникающим при коротком замыкании перемещениям проводников, вызываемым динамическими усилиями, пропорциональными квадрату тока (чем и опасны токи КЗ).
Поэтому в трансформаторе с состарившейся изоляцией легко может возникнуть витковое замыкание. Степень снижения предела прочности изоляции при растяжении по сравнению с исходным его значением становится существенной уже после относительно непродолжительного времени старения, особенно если трансформатор работает достаточно часто и длительно с перегрузкой.
Время, по истечении которого изоляционный материал приходит в негодность, называется его сроком службы. Согласно закону Аррениуса, константа скорости химической реакции меняется в зависимости от температуры по экспоненциальному закону.
В рекомендациях Международной электротехнической комиссии (МЭК) по нагрузочной способности значение постоянной р, необходимое для определения срока службы, не указано, так как не было согласовано из-за расхождения во мнениях по физическим свойствам изношенного изоляционного материала (по современной научной терминологии — из-за свойств самоорганизации, фрактальности, ценологических, хаоса).
Однако существует единое мнение о том, что в диапазоне температур от 80 до 140 °С каждые 6 °С прироста температуры f> вызывают сокращение срока службы изоляции вдвое, т.е. ее износ удваивается (шестиградусное правило старения изоляции). Это означает, что если в диапазоне 80...140°С температуре f> соответствует срок службы Е, то при температуре (f> + 6) °С срок службы составит 0,5£.
Откуда постоянная р, входящая в формулу Монтзингера будет равна 0,1155 °С-1 (чаще просто р = 0,115).
Если в качестве базовой выбрана такая температура f36, для которой срок службы принимается нормальным, то отношение этого срока к сроку службы, соответствующему любой другой температуре, называемое относительным износом изоляции. Обычно срок службы изоляции трансформатора определяют, ориентируясь на номинальную температуру в его наиболее нагретой точке, принимаемую равной 98 °С (эта температура связана с кипением воды при 100 °С). Заводы-изготовители могут указывать другую номинальную температуру в наиболее нагретой точке.
При нормальной нагрузке и максимальной температуре охлаждающей среды (среднесуточной температуре воздуха 30 °С и температуре воды у входа в охладитель 25 °С) максимально допустимые значения температуры верхних слоев масла не должны превышать:
95 °С в трансформаторах (и реакторах), имеющих естественное масляное или дутьевое охлаждение;
75 °С в трансформаторах (и реакторах), имеющих охлаждение с принудительной циркуляцией масла и воздуха (если завод-изготовитель не указывает другое значение);
70 °С в трансформаторах, имеющих масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла (если не указано другое значение).
Изменения значения температуры охлаждающей среды, на другое значение изменит срок службы трансформатора.
Таким образом, трансформатор с температурой в наиболее нагретой точке, равной 98 °С, стареет нормально. Срок службы изоляции в этом случае составит десятки лет (20 и более).
Расчет температуры наиболее нагретой точки трансформатора упрощен и справедлив, строго говоря, только для однородной обмотки (с одинаковыми катушками и охлаждающими каналами катушек), у которой превышения средней температуры каждой катушки над температурой прилегающих слоев масла одинаковы, а температура масла изменяется вдоль высоты обмотки по линейному закону.
Если при неизменной нагрузке в течение времени температура охлаждающей среды f>0 с резко изменяется, то температура наиболее нагретой точки также изменяется, хотя и с некоторым запаздыванием, обусловленным тепловой постоянной времени трансформатора. В таких случаях при определении f>„ н т необходимо исходить из эквивалентной температуры охлаждающей среды (а не из среднеарифметической), взятой за некоторый промежуток времени.
Эквивалентная температура охлаждающей среды определяется исходя из следующих допущений:
срок службы трансформатора зависит только от температуры наиболее нагретой точки f>H н т;
изменение температуры охлаждающей среды влияет на изменение температуры наиболее нагретой точки таким же образом, как изменение нагрузки;
прирост температуры охлаждающей среды на 6 °С уменьшает срок службы изоляции вдвое, т.е. в такой же степени, как при возрастании температуры на 6 °С из-за увеличения нагрузки.
При правильно организованной эксплуатации следует вести учет эквивалентной нагрузки трансформатора и эквивалентной температуры охлаждающего воздуха. Последняя для рассматриваемого периода набора нагрузки определяется по средней годовой температуре воздуха для данной местности f>cr по рис. Данные по средней годовой температуре воздуха приводятся в соответствующих метеорологических справочниках.
Рис. 1. Зависимость эквивалентной годовой температуры воздуха:
Рис. 2. Зависимость эквивалентной температуры дэ от средней годовой месячных температур Фэм от средней температуры воздуха: 1 — летней; 2 — годовой; 3 — зимней I...XII — месяцы года
Рис. 3. Зависимость эквивалентных месячных температур от средней месячной температуры воздуха.
