Нагрев и старение изоляции
При работе трансформатора часть потребляемой им энергии, идущая на компенсацию магнитных и электрических потерь, выделяется в виде тепла в сердечнике, обмотках и других частях трансформатора. Температура отдельных частей трансформатора повышается. Отрешения проблемы нагрева зависят нормальная эксплуатация трансформатора и вопрос старения изоляции. Старение происходит вследствие длительного воздействия температуры. Чтобы обеспечить долговечность трансформатора при экономичной его работе, необходимо температуру отдельных его частей поддерживать не выше определенных значений.
В трансформаторостроении до сего времени одним из основных изоляционных материалов остаются пропитанная маслом бумага, картон и другие твердые материалы. Эта изоляция но теплостойкости относится к классу А, охватывающему следующие группы материалов; пропитанные волокнистые материалы из хлопчатой бумаги, целлюлозы и шелка, изоляция эмаль-проводов на основе масляных и полиамиднорезольных лаков. Применяемые для трансформаторов изоляционные материалы снижают свои изоляционные и механические свойства при длительном повышении температуры, особенно сверх определенной ее величины. Прежде всего это относится к бумажной изоляции.
По результатам исследований, впервые начатым американским инженером Монсингером, продолжительность службы изоляции класса А выражается зависимостью
(74)
где из — температура изоляции, °С.
В и С имеют размерность времени. Для трансформаторов при В, выраженном в годах, С=1,5-104. Численное значение величины б, имеющей размерность, обратную температуре, для диапазона температур обмотки, наблюдающихся в эксплуатации, принимают равным 0,088. При этом значении b справедливо так называемое 8-градусное правило: каждые 8 градусов превышения температуры изоляции сокращают время ее износа вдвое. Действительно, пусть
Деля последнее выражение на уравнение (Y4) почленно, получаем
Наибольшая температура, которую бумажная изоляция может длительно выдерживать в масле без существенного снижения своих изоляционных качеств, лежит в пределах 95—105° С.
Тепловые процессы в трансформаторе и уравнение нагрева
Трансформатор в тепловом отношении представляет собой неоднородное тело. Тепловые параметры металла обмотки, изоляции и стали неодинаковы. В сердечнике и обмотках трансформатора благодаря их теплопроводности тепло передается от более нагретых внутренних частей к менее нагретым и к наружным поверхностям, отводящим тепло.
В масляных трансформаторах сердечник вместе с обмотками погружен в масло, уровень которого выше верхнего уровня сердечника. Масло, соприкасаясь с нагретыми обмотками и сердечником, воспринимает их тепло и, нагреваясь, поднимается к верхней части кожуха. Здесь отдельные потоки, омывшие обмотки и сердечник, смешиваются, и в верхнем слое масло принимает температуру, общую для всех потоков. Соприкасаясь со стенками кожуха, масло отдает тепло окружающему воздуху и, охлаждаясь, опускается вдоль стенок кожуха к нижним частям. Таким образом, оно непрерывно циркулирует. Между обмотками и сердечником, с одной стороны, и маслом — с другой устанавливается определенная разность температур. Вдоль высоты трансформатора температура масла и других его частей неодинакова.
Форма температурного поля в отдельных частях трансформатора при его нагреве стабилизируется достаточно быстро. Этим объясняется тот факт, что отдельные части трансформатора при нагреве ведут себя по отношению к соседним частям и внешней среде как условные однородные в температурном отношении тела с температурой, равной средней температуре реального элемента (этой части). Однородным считается тело, обладающее равномерным рассеянием тепла со всей поверхности и бесконечной теплопроводностью, вследствие чего все точки тела имеют одинаковую температуру. Отдельными элементами в трансформаторе считаются сердечник, обмотки, масло, бак; при определении температуры масла учитывают и его температуру в верхнем слое. В целях особого упрощения за однородное тело иногда принимают трансформатор в целом. К каждому элементу применима теория нагрева однородного твердого тела. Процесс нагрева может быть описан дифференциальным уравнением, выражающим баланс тепловой энергии в любой элементарный промежуток времени;
(75)
Здесь Р — потери, то есть количество тепловой энергии, выделяемой в рассматриваемом однородном теле в 1 сек, вт;
S — поверхность теплоотдачи, м2 ;
К — коэффициент теплоотвода — значение потерь, отводимых с единицы поверхности на каждый градус Цельсия всеми возможными способами отвода тепла — теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием, вт/(°С-м2);
0 — изменяющееся во времени превышение температуры тела над температурой окружающей среды, °С;
с — удельная массовая теплоемкость тела, то есть количество тепловой энергии, необходимое для того, чтобы повысить температуру единицы массы тела на Г С, вт • сек/(кг-° С); m — масса тела, кг.
Как видно из уравнения (75), возникающее в теле за элементарный промежуток времени тепло Pdt частично отводится в окружающую среду, частично остается в теле и вызывает повышение его температуры на dQ.
После достижения установившегося превышения температуры 0К все выделяемое телом тепло отводится охлаждающей поверхностью, приращение температуры dQ обращается в нуль, следовательно, становится равной нулю и тепловая энергия, вызывающая нагрев тела.
Уравнение (75) принимает следующий вид:
(76)
Допустимые превышения температуры
Для обеспечения определенного срока службы трансформатора температуры отдельных частей его ограничиваются и нормируются соответствующим ГОСТом. ГОСТ 11677—65 предусматривает следующие наибольшие превышения температуры отдельных частей заполненного маслом трансформатора:
обмотки (класс изоляции А) 65°С при методе измерения по сопротивлению;
сердечника (на поверхности) 75° С при измерении термометром;
масла (в верхних слоях) 55° С при измерении термометром.
Температура охлаждающей среды (воздуха) при этом принимается 40° С.
Эти наибольшие превышения температур не связаны с температурой охлаждающей среды в данный момент; они даны ГОСТом с учетом колебаний нагрузки трансформатора и изменяющейся температуры окружающей среды. Например, рабочая температура обмотки при этом будет
~ то есть лишь в отдельные, сравнительно немногие моменты совпадения максимальных превышений и температуры окружающей среды она будет предельной.
Только учитывая это естественное изменение, нормы допускают указанные выше значения наибольших превышений температуры над температурой окружающей среды. Это приводит к изменению температуры частей трансформатора, необходимому для нормального срока его службы, допуская перегрузки как в процессе работы, так и аварийные. Величина перегрузок оговаривается в соответствующих стандартах и инструкциях, регламентирующих режимы эксплуатации трансформаторов.
