а) Назначение
Генераторы постоянного тока применяются на испытательных станциях в следующих случаях:
- Нагрев постоянным током в обмотках трансформаторов 110 кВ и выше перед испытанием изоляции напряжением промышленной частоты.
- Питание приводных электродвигателей генераторов переменного тока с регулируемой частотой.
- Питание возбудителей и подвозбудителей генераторов переменного тока с независимым возбуждением.
- Питание сервомоторов и других потребителей постоянного тока собственных нужд испытательной станции и машинного зала.
Согласно ГОСТ 1516-60 типовые испытания напряжением промышленной частоты изоляции силовых масляных трансформаторов 35 кВ и выше должны производиться при температуре верхних слоев масла (сокращенно: в. с. м.) в пределах 60—75° С, а контрольные испытания силовых трансформаторов 110 кВ и выше — при температуре в. с. м. не ниже 55° С.
Для трансформаторов, которые при вводе в эксплуатацию заливаются маслом под вакуумом не менее 60 см рт. ст., при контрольных испытаниях прогрев допускается не производить, если перед испытанием заливка маслом производилась под вакуумом 60— 70 см рт. ст.
Нагрев трансформатора перед испытанием изоляции согласно ГОСТ 1516-60 требуется в целях:
- удаления из лабиринтов изоляции воздушных включений, которые неизбежно возникают при заполнении трансформатора маслом без вакуума или при недостаточном вакууме;
- устранения поверхностного увлажнения изоляции обмотки ВН, которое может возникнуть во время пребывания активной части трансформатора после сушки на воздухе во время третьей сборки; при этом степень увлажнения зависит от переменной величины относительной влажности воздуха в сборочном цехе, которая может доходить до 75— 80%.
Наличие вредных включений (воздух и влага) в изоляции трансформатора при испытании высоким напряжением может вызвать частичные разряды (корону) в напряженных участках изоляции. Такие частичные разряды, обычно не обнаруживаемые при испытании, в дальнейшем могут повести к повреждению изоляции трансформатора в эксплуатации.
Опыт показывает, что заполнение маслом даже при вакууме 60—70 см рт. ст. не обеспечивает в достаточной мере удаления воздушных включений из изоляции. По этим соображениям, если при заполнении трансформатора маслом не применен достаточный вакуум (при остаточном давлении не более 10 мм рт. ст.), рекомендуется перед испытанием изоляции трансформаторов 220 кВ и выше применять нагрев током в обмотках.
Для формального соблюдения требования ГОСТ 1516-60 при контрольных испытаниях трансформаторов 110 кВ и выше, т. е. для доведения температуры в. с. м. трансформатора до 55° С, можно было бы использовать любой из известных способов нагрева, например индукционными потерями в баке или потерями в стали магнитопровода в режиме холостого хода испытываемого трансформатора, который иногда применяют на испытательных станциях.
Однако эти методы неэффективны для удаления вредных включений из изоляции трансформатора, так как при этом интенсивная циркуляция масла будет происходить вблизи поверхностей, выделяющих тепло (стенка бака или магнитопровод трансформатора), т. е. в отдалении от испытываемых обмоток ВН или СН. Кроме того, в процессе такого нагрева температура обмотки будет ниже температуры масла, и поверхностная влага не будет эффективно удаляться из изоляции обмотке.
Нагрев трансформатора переменным током в обмотках по методу короткого замыкания не имеет указанных недостатков, однако требует применения генератора и промежуточного трансформатора значительной реактивной мощности, так как в режиме короткого замыкания коэффициент мощности весьма мал (cos ). Кроме того, нагрев по методу короткого замыкания значительно усложняет и затрудняет контрольные испытания. Поэтому этот метод применяется в исключительных случаях, когда невозможно нагреть трансформатор постоянным током в обмотках.
Более простым и выгодным в технико-экономическом отношении является метод нагрева постоянным током в обмотках ВН (и СН) испытываемого трансформатора. Для этого достаточно иметь источник постоянного тока, мощность которого составляет доли процента номинальной мощности испытываемого трансформатора.
Кроме того, этот метод позволяет контролировать среднюю температуру обмотки, питаемой постоянным током в процессе нагрева.
Контроль осуществляется измерением тока и напряжения в процессе нагрева. По этим данным определяется сопротивление обмотки в нагретом состоянии. Средняя температура нагретой обмотки определяется из отношения
Мощность, требуемая для нагрева постоянным током до заданной температуры в. с. м. трансформатора, и продолжительность нагрева зависят от первоначальной температуры масла, размеров охлаждающей поверхности и системы охлаждения трансформатора, температуры охлаждающей среды и т. д.
Трансформаторы мощностью 10 000 кВА и более на 110 кВ и выше подаются на контрольные испытания без радиаторов и других устройств для охлаждения, заполненные обычно теплым маслом с температурой 35—40° С.
Для доведения температуры в. с. м. таких трансформаторов до 60—65°С требуется нагрев в течение 8—10 ч с потерями в обмотке не более 30—35% от потерь короткого замыкания Рк испытываемого трансформатора.
При этом ток в обмотке не должен превосходить 1,3 номинального в начале нагрева и 1,15 номинального в конце нагрева.
Средняя температура питаемой обмотки в конце нагрева не должна превосходить 95° С, иначе возможен перегрев и частичное повреждение входных и концевых катушек обмотки ВН с усиленной бумажной изоляцией.
Схемы питания обмотки ВН (или ВН + СН), применяемые для нагрева постоянным током, показаны на рис. 6-13.
Схема рис. 6-13,а применяется для нагрева трехфазных трансформаторов, если нейтральный конец обмотки ВН, выведенный на крышку, допускает перегрузку трехкратным номинальным током обмотки ВН. В противном случае применяется схема рис. 6-13,б. Для нагрева трехфазных автотрансформаторов применяются схемы рис. 6-13, в и г. Если общие нейтрали обмоток ВН + СН выведены раздельно на крышку трансформатора, применяют схемы рис. 6-13,д—з. Для нагрева однофазных трансформаторов обычно применяют схему рис. 6-13, и.
б) Расчет мощности генератора для нагрева трансформаторов постоянным током
Исходными данными для расчета являются потери короткого замыкания, номинальный ток и фазное сопротивление питаемой обмотки нагреваемого трансформатора. При этом должны быть соблюдены требования, указанные в § 6-5, а.
Рассмотрим расчет мощности, требуемой для нагрева трансформатора постоянным током, на конкретном примере.
Пример. На заводе предусматривается выпуск трехфазных трансформаторов 4—5-го габаритов на 110 и 220 кВ со следующими характеристиками предельных типов.
Таблица 6-11
Режимы нагревов постоянным током некоторых типов трансформаторов 4, 5 и 6-го габаритов
Мощность, требуемая для нагрева.
В табл. 6-11 приведены расчетные величины тока, напряжения и мощности, требуемые для нагрева постоянным током трехфазных и однофазных трансформаторов 110—500 кВ 5— 6-го габаритов.
Из табл. 6-11 видно, что для нагрева трансформаторов 5—6-го габаритов предельных мощностей и классов напряжения требуются генераторы постоянного тока мощностью до 630 кВт на токи до 1 800 а и напряжения до 440 в.
Такие генераторы будут мало использоваться на испытательной станции, если они не будут применяться для питания других потребителей, например электродвигателей постоянного тока преобразовательных агрегатов с регулированием частоты и др.
В условиях испытательной станции нагрев трансформаторов при токах свыше 600 а представляет известные трудности, так как для сборки схемы питания вместо гибких кабелей требуется применять монтаж шин большого сечения, что усложняет работу станции и загромождает подкрановую площадь испытательных полей.
Для технологической обработки изоляции трансформаторов большой мощности перед испытанием их напряжением промышленной частоты вместо нагрева постоянным током целесообразно применять по технико-экономическим соображениям обработку изоляции путем принудительной циркуляции сухого нагретого масла в баке трансформатора под вакуумом. Установка для такой обработки как по первоначальным затратам, так и по эксплуатационным расходам будет значительно дешевле, чем применение нагрева постоянным током. Кроме того, качество обработки изоляции будет значительно выше.
За рубежом подобные установки широко применяются при монтаже трансформаторов на 110 кВ и выше перед вводом их в эксплуатацию [Л. 27]. Такой же метод обработки изоляции трансформаторов большой мощности принят на заводе фирмы Вестингауз в США [Л. 28].
