За прошедшее время появился ряд работ, посвященных более глубокому изучению нестационарных тепловых режимов в трансформаторах. Для изучения теплового старения твердой изоляции была применена теория кинетики химических реакций, а для его экспериментального исследования были разработаны и применены чувствительные химические критерии, главным из которых является степень полимеризации. Они позволили уточнить ранее установленный экспериментально законы старения изоляции, а также по-новому оценить влияние растворенных в масле влаги и кислорода воздуха.
В трансформаторостроении также произошли существенные количественные и качественные изменения. Производство трансформаторов больших мощностей привело к появлению и широкому распространению систем охлаждения ДЦ и Ц и к необходимости решения вопроса нагрузочной способности этих трансформаторов. Появились трансформаторы с направленной циркуляцией маска в обмотках.
В последнее время наметилась тенденция к внедрению в трансформаторостроении новых изоляционных материалов повышенного класса нагревостойкости, а при проектировании подстанций усилилось стремление к более полному и экономичному использованию трансформаторов с учетом условий их работы в электрических сетях. Поэтому представилось целесообразным рассмотреть вопрос о ресурсных испытаниях для определения ожидаемого срока службы трансформаторов, а также вопрос о выборе номинальной мощности трансформаторов с учетом их нагрузочной способности.
Большинство этих вопросов в той или иной мере нашли отражение в стандарте на нагрузочную способность силовых масляных трансформаторов.
Помимо изложения некоторых упрощенных решений, на основе которых разработаны действующие официальные нормы нагрузочной способности трансформаторов, многие считают необходимым ознакомить специалистов с более точными решениями ряда основополагающих вопросов, таких, например, как расчет превышений температуры трансформаторов в неустановившихся режимах при изменяющихся с изменением температуры потерях и нелинейной зависимости превышений температуры от отводимых потерь, закон старения изоляции на основе теории кинетики химических реакций, схема многоконтурного потока масла, позволяющая рассчитывать нагрузочную способность трансформаторов по фактической для данного трансформатора температуре наиболее нагретой точки обмотки, и др.
Данные вопросы рассчитаны прежде всего на трансформаторостроителей-конструкторов и энергетиков-проектировщиков электрических станций и подстанций. В ряде случаев информация может быть также полезна и персоналу, эксплуатирующему трансформаторное оборудование.
Вопрос нагрузочной способности трансформаторов — это важнейший вопрос эксплуатации, без учета которого невозможно проектировать экономичные трансформаторы, наилучшим образом удовлетворяющие требованиям эксплуатации. Размеры капитальных вложений и экономичность работы подстанции также находятся в прямой зависимости от учета нагрузочной способности трансформаторов при выборе их номинальной мощности. Здесь таятся еще огромные резервы экономии, которые могут быть извлечены при должном обосновании и совершенствовании руководящих и нормативных материалов по проектированию подстанций. И, наконец, в эксплуатации при росте нагрузки подстанции и невозможности замены в данное время трансформаторов более мощными может возникнуть необходимость в перегрузках установленных трансформаторов, больших, чем по ГОСТ на нагрузочную способность. Получив от завода-изготовителя информацию по значениям требующихся для расчета параметров рассматриваемого трансформатора, инженер-эксплуатационник может определить безопасные пределы таких перегрузок с учетом конкретных режимов и условий эксплуатации, выполнив соответствующие расчеты по той или иной методике в зависимости от имеющихся возможностей и желаемой точности. Такие же расчеты могут быть выполнены и при реконструкции трансформаторов, например, при усилении охлаждения или в других подобных случаях.
В настоящее время свыше 80% электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях России, по пути до шин потребителей 0,4—10 кВ претерпевает от одной до восьми трансформаций. В ближайшие годы вследствие роста магистральных сетей 500—1150 кВ среднее число трансформаций возрастет до четырех. В каждой ступени трансформации на киловатт передаваемой мощности приходится устанавливать 1,5— 2,5 кВ-А трансформаторной мощности.
При таких масштабах каждый процент снижения вводимой трансформаторной мощности за счет лучшего ее использования дает большой народнохозяйственный эффект, исчисляемый миллионами рублей, а улучшение использования всего лишь на 1% трансформаторов, находящихся в эксплуатации, равносильно годовому выпуску современного трансформаторного завода.
Следовательно, при проектировании энергетических объектов нужно стремиться к установке трансформаторов возможно меньшей номинальной мощности при требуемом уровне надежности электроснабжения и качества электроэнергии. Эта задача может быть решена путем максимального использования нагрузочной способности трансформаторов.
Силовые трансформаторы общего назначения, особенно распределительные, как правило, работают с неравномерной нагрузкой, при этом отклонения мгновенного значения тока нагрузки от среднесуточного могут иногда достигать 50% и более обычно с определенной периодичностью как в течение суток, так и по сезонам года. Температура охлаждающей среды также колеблется в широких пределах.
В таких условиях при проектировании подстанций номинальная мощность трансформатора для лучшего ее использования выбирается меньше максимальной суточной нагрузки с расчетом на то, что в некоторые часы суток трансформатор должен перегружаться. Так как перегрузкам он может подвергаться систематически, то условием их допустимости является сохранение нормального срока службы изоляции трансформатора.
В аварийной ситуации главной задачей является бесперебойное электроснабжение потребителей. Поэтому при непреднамеренном отключении одного из параллельно работающих трансформаторов (например, при выходе его из строя) оставшиеся до ликвидации аварии должны допускать определенную перегрузку. В этом случае можно допустить определенное снижение срока службы трансформатора.
Совокупность допустимых нагрузок, систематических и аварийных перегрузок определяют нагрузочную способность трансформаторов.
В основе расчета нагрузочной способности лежит тепловой износ изоляции трансформатора. Под воздействием температуры и ряда других факторов физико-химические свойства твердой изоляции с течением времени претерпевают изменения, при этом изоляция становится хрупкой. Хотя электрическая прочность ее практически не снижается, она больше не способна выдерживать механические нагрузки от вибраций или коротких замыканий. Этот необратимый процесс называется старением. Скорость старения изоляции зависит от температуры, а достигнутая степень старения — от температуры и времени ее воздействия. На скорость и достигнутую степень старения изоляции влияют также влага, кислород воздуха и другие факторы, однако при существующем уровне знаний строгий учет этих факторов не может быть выполнен.
Для расчета нагрузочной способности требуется рассчитать температуру в наиболее нагретых местах обмотки, определить зависимость скорости старения изоляции от температуры и температуру, при воздействии которой трансформатор будет работать заданный, экономически оправданный срок (возможное сокращение срока службы трансформатора по другим причинам, например из-за недостаточной электрической прочности изоляции, недостаточной электродинамической стойкости, дефектов конструкции, не учитывается).
Расчет температуры наиболее нагретой точки обмотки сводится к расчетам превышения температуры верхних слоев масла над температурой охлаждающей среды и превышения температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла при неустановившихся режимах нагревания, а также такой неизменной температуры охлаждающей среды, которая была бы эквивалентна естественно изменяющейся.
Зависимость скорости старения изоляции от температуры определяют экспериментально на образцах и моделях изоляции, используя при этом те или иные физические или химические критерии.
Температуру изоляции, при воздействии которой трансформатор будет работать заданный срок, определяют по результатам ресурсных испытаний достаточного количества трансформаторов или моделей при более высоких, чем рабочие, температурах. Результаты испытаний экстраполируют в область рабочих температур на основе определенной зависимости скорости старения изоляции от температуры.
В связи с тем что перечисленные вопросы являются очень сложными и не имеют точных решений, для разработки приемлемых для практики руководств по нагрузке трансформаторов приходится принимать ряд упрощающие положений и условий, обеспечивающих в конечном итоге определенные запасы.
