Основное оборудование электрических станций и подстанций - Силовые трансформаторы

5. СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

5.1. Типы трансформаторов и их параметры

Силовые трансформаторы, установленные на электростанциях и подстанциях, предназначены для преобразования электроэнергии с одного напряжения на другое. Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12—15% ниже, а расход активных материалов и стоимость на 20—25% меньше, чем в группе трех однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности.
Трехфазные трансформаторы на напряжение 220 кВ изготовляют мощностью до 1000 MBА, на 330 кВ - 1250 MBА, на 500 кВ - 1000 MBA. Удельная единичная мощность трансформаторов ограничивается массой, размерами, условиями транспортировки.
Однофазные трансформаторы применяются, если невозможно изготовление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка. Наибольшая мощность группы однофазных трансформаторов напряжением 500 кВ — 3 * 533 MBА, напряжением 750 кВ - 3 * 417 MBА, напряжением 1150 кВ - 3 * 667 MBA.
По количеству обмоток различного напряжения на каждую фазу трансформаторы разделяются на двухобмоточные и трехобмоточные. Кроме того, обмотки одного и того же напряжения, обычно низшего, могут состоять из двух и более параллельных ветвей, изолированных друг от друга и от заземленных частей. Такие трансформаторы называются трансформаторами с расщепленными обмотками. Обмотки высшего, среднего и низшего напряжения принято сокращенно обозначать соответственно ВН, СН, HН.
Трансформаторы с расщепленными обмотками НН обеспечивают возможность присоединения нескольких генераторов к одному повышающему трансформатору. Такие укрупненные энергоблоки позволяют упростить схему РУ 330—500 кВ. Широкое распространение трансформаторы с расщепленной обмоткой НН получили в схемах питания собственных нужд крупных ТЭС с блоками 200-1200 МВт, а также на понижающих подстанциях с целью ограничения токов КЗ.
К основным параметрам трансформатора относятся номинальные мощность, напряжение, ток, напряжение КЗ; ток XX; потери XX и КЗ.
Номинальной мощностью трансформатора называется указанное в заводском паспорте значение полной мощности, на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор в номинальных условиях места установки и охлаждающей среды при номинальных частоте и напряжении.

5.2. Системы охлаждения силовых трансформаторов

При работе трансформатора происходит нагрев обмоток и магнитопровода за счет потерь энергии в них. Предельный нагрев частей трансформатора ограничивается изоляцией, срок службы которой зависит от температуры нагрева. Чем больше мощность трансформатора, тем интенсивнее должна быть система охлаждения.
Ниже приводится краткое описание систем охлаждения трансформаторов.
Естественное воздушное охлаждение трансформаторов осуществляется путем естественной конвекции воздуха и частично лучеиспускания в воздухе. Такие трансформаторы получили название «сухих». Условно принято обозначать естественное воздушное охлаждение при открытом исполнении С; при защищенном исполнении СЗ, при герметизированном исполнении СГ, с принудительной циркуляцией воздуха СД.
Допустимое превышение температуры обмотки сухого трансформатора над температурой охлаждающей среды зависит от класса нагревостойкости изоляции и согласно ГОСТ 11677—85 должно быть не больше: 600 С (класс А); 750 С (класс Е); 800 С (класс В); 1000 С (класс F); 1250 С (класс Н).
Данная система охлаждения малоэффективна, поэтому применяется для трансформаторов мощностью до 1600 кВА при напряжении до 15 кВ.

Естественное масляное охлаждение (М) выполняется для трансформаторов мощностью до 16000 кВА включительно. В таких трансформаторах тепло, выделенное в обмотках и магнитопроводе, передается окружающему маслу, которое, циркулируя по баку и радиаторным трубам, передает его окружающему воздуху. При номинальной нагрузке трансформатора температура масла в верхних, наиболее нагретых слоях не должна превышать +95°С.
Для лучшей отдачи тепла в окружающую среду бак трансформатора снабжается ребрами, охлаждающими трубами или радиаторами в зависимости от мощности.
Масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла (Д) применяется для более мощных трансформаторов. В этом случае в навесных охладителях из радиаторных труб помещаются вентиляторы. Вентилятор засасывает воздух снизу и обдувает нагретую верхнюю часть труб. Пуск и останов вентиляторов могут осуществляться автоматически в зависимости от нагрузки и температуры нагрева масла. Трансформаторы с таким охлаждением могут работать при полностью отключенном дутье, если нагрузка не превышает 100% номинальной, а температура верхних слоев масла не более +55 °С, также при минусовых температурах окружающего воздуха и при температуре масла не выше +45 °С независимо от нагрузки. Максимально допустимая температура масла в верхних слоях при работе с номинальной нагрузкой + 95 °С.
Форсированный обдув радиаторных труб улучшает условия охлаждения масла, а следовательно, обмоток и магнитопровода трансформатора, что позволяет изготовлять такие трансформаторы мощностью до 80000 кВА.
Масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла через воздушные охладители (ДЦ) применяется для трансформаторов мощностью 63000 кВА и более.
Охладители состоят из системы тонких ребристых трубок, обдуваемых снаружи вентилятором. Электронасосы, встроенные в маслопроводы, создают непрерывную принудительную циркуляцию масла через охладители (рис. 14).

Рис. 14. Принципиальная схема охладителя системы ДЦ:
1— бак трансформатора; 2 — электронасос; 3— адсорбный фильтр;
4— охладитель; 5— вентиляторы обдува.

Благодаря большой скорости циркуляции масла, развитой поверхности охлаждения и интенсивному дутью охладители обладают большой теплоотдачей и компактностью. Переход к такой системе охлаждения позволяет значительно уменьшить габариты трансформаторов.
Охладители могут устанавливаться вместе с трансформатором на одном фундаменте или на отдельных фундаментах рядом с баком трансформатора.
В трансформаторах с направленным потоком масла (НДЦ) интенсивность охлаждения повышается, что позволяет увеличить допустимые температуры обмоток.
Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла (Ц) принципиально устроено так же, как система ДЦ, но в отличие от последнего охладители состоят из трубок, по которым циркулирует вода, а между трубками движется масло. Температура масла на входе в маслоохладитель не должна превышать +70°С
Чтобы предотвратить попадание воды в масляную систему трансформатора, давление масла в маслоохладителях должно превышать давление циркулирующей в них воды не менее чем на 0,02 МПа (2 Н/см2). Эта система охлаждения эффективна, но имеет более сложное конструктивное выполнение и применяется на мощных трансформаторах (160 MВА и более). Масляно-водяное охлаждение с направленным потоком масла (НЦ) применяется для трансформаторов мощностью 630 MBА и более.
На трансформаторах с системами охлаждения ДЦ и Ц устройства принудительной циркуляции масла должны автоматически включаться одновременно с включением трансформатора и работать непрерывно независимо от нагрузки трансформаторов. В то же время число включаемых в работу охладителей определяется нагрузкой трансформатора. Такие трансформаторы должны иметь сигнализацию о прекращении циркуляции масла, охлаждающей воды или об останове вентилятора.
Следует отметить, что в настоящее время ведутся разработки новых конструкций трансформаторов с обмотками, охлаждаемыми до очень низких температур. Металл при низких температурах обладает сверхпроводимостью, что позволяет резко уменьшить сечение обмоток. Трансформаторы с использованием принципа сверхпроводимости (криогенные трансформаторы) будут иметь малую транспортировочную массу при мощностях 1000 MBА и выше.
Каждый трансформатор имеет условное буквенное обозначение, которое содержит следующие данные в том порядке, как указано ниже:
1) число фаз (для однофазных - О; для трехфазных - Т);
2) вид охлаждения - в соответствии с пояснениями, приведенными выше;
3) число обмоток, работающих на различные сети (если оно больше двух), для трехобмоточного трансформатора Т; для трансформатора с расщепленными обмотками Р (после числа фаз);
4) буква Н в обозначении при выполнении одной из обмоток с устройством РПН;
5) буква А на первом месте для обозначения автотрансформатора, За буквенным обозначением указывается номинальная мощность, кВА; класс напряжения обмотки (ВН); климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-89* и ГОСТ 15543-90.
Например, ТДТН-16000/110-У1 - трехфазный трансформатор с системой охлаждения Д, трехобмоточный, с регулированием напряжения под нагрузкой, номинальной мощностью 16000 кВА, напряжением ВН 110 кВ; климатическое исполнение У (умеренный климат); категория размещения 1 (на открытом воздухе).

5.3. Нагрузочная способность силовых трансформаторов

При выборе мощности трансформаторов нельзя руководствоваться только их номинальной мощностью, так как в реальных условиях темпера тура охлаждающей среды, условия установки трансформатора могут быть отличными от принятых. Нагрузка трансформатора меняется в течение суток,  и если мощность выбрать по максимальной нагрузке, то в периоды спада ее трансформатор будет не загружен, т. е. недоиспользована его мощность. Опыт эксплуатации показывает, что трансформатор может работать часть суток с перегрузкой, если в другую часть суток его нагрузки меньше номинальной. Критерием различных режимов является износ изоляции трансформатора.
Нагрузочная способность трансформатора — это совокупность допустимых нагрузок и перегрузок.
Допустимая нагрузка — это длительная нагрузка, при которой расчетный износ изоляции обмоток от нагрева не превосходит износ, соответствующий номинальному режиму работы.
Перегрузка трансформатора — режим, при котором расчетный износ изоляции обмоток превосходит износ, соответствующий номинальному режиму работы.
Такой режим возникает, если нагрузка окажется выше номинальной мощности трансформатора или температура охлаждающей среды больше принятой расчетной. Допустимые систематические нагрузки трансформатора больше его номинальной мощности возможны за счет неравномерности нагрузки в течение суток. На рис. 15 изображен суточный график нагрузки, из которого то в ночные, утренние и дневные часы трансформатор недогружен, а во время вечернего максимума перегружен. При недогрузке износ изоляции мал, а во время перегрузки значительно увеличивается.

Рис. 15. Построение двухступенчатого графика по суточному графику нагрузки трансформатора

Максимально допустимая систематическая нагрузка определяется при условии, что наибольшая температура обмотки + 140 °С, наибольшая температура масла в верхних слоях + 95 °С и износ изоляции за время максимальной нагрузки такой же, как при работе трансформатора при постоянной номинальной нагрузке, когда температура наиболее нагретой точки не превышает  +98°С (ГОСТ 14209-85). Для подсчета допустимой систематической нагрузки действительный график преобразуется в двухступенчатый (см. рис. 15).         

Коэффициент начальной нагрузки эквивалентного графика определяется по выражению

                                               

где S1, S2, ..., Sm - значения нагрузки в интервалах Δt1, Δt2, ..Δtm.
Коэффициент максимальной нагрузки в интервале К2/ = К2, если  К2/ ‹ 0,9Кmax, то принимают К2 = 0,9Кmax.


Если К2/ ≥ 0,9Кmax, то принимают К2/ = К2, если К2 < 0,9Кmax, то принимают К2 = 0,9Кmax.                                        
Зная среднюю температуру охлаждающей среды за время действия графика (θохл); систему охлаждения трансформатора (М, Д, ДЦ, Ц), по таблицам, приведенным в ГОСТ 14209-85 (для трансформаторов до 100 MBА), определяют допустимость относительной нагрузки К2 и ее продолжительность.
Нагрузка более 1,5Sном должна быть согласована с заводом-изготовителем. Нагрузка более 2,0Sном  не допускается.
Аварийная перегрузка разрешается в аварийных случаях, например, при выходе из строя параллельно включенного трансформатора.        
Допустимая аварийная перегрузка определяется предельно допустимыми температурами обмотки (140°С для трансформаторов напряжением выше 110 кВ и 160 °С для остальных трансформаторов) и температурой масла в верхних слоях (115°С). Аварийные перегрузки вызывают повышенный износ витковой изоляции, что может привести к сокращению нормированного срока службы трансформатора, если повышенный износ впоследствии не компенсирован нагрузкой с износом изоляции ниже нормального.
Значение допустимой аварийной перегрузки определяется по ГОСТ 14209—85 в зависимости от коэффициента начальной нагрузки K1, температуры охлаждающей среды во время возникновения аварийной перегрузки  θохл и длительности перегрузки. Максимальная аварийная перегрузка не должна превышать 2,0*Sном .
При выборе трансформаторов, устанавливаемых на подстанциях, по условиям аварийных перегрузок можно воспользоваться табл. 11.

Таблица 2.3. Допустимые аварийные перегрузки трансформаторов при выборе  номинальной мощности для промышленных подстанций при предшествующей  нагрузке, не превышающей 0,8,  (по ГОСТ 14209-85)

Анализируя приведенные в ГОСТ 14209—85 таблицы допустимых аварийных перегрузок, можно сделать вывод, что трансформаторы с системой охлаждения М, Д, ДЦ и Ц при первоначальной нагрузке не более 0,9*Sном допускают перегрузку на 40 % в течение 6 часов при температуре охлаждающего воздуха не более + 200С и 30 % в течение 4 часов при температуре охлаждающего воздуха + 300С.
Допустимые нагрузки и аварийные перегрузки для трансформаторов мощностью свыше 100 MBА устанавливаются в инструкциях по эксплуатации; для сухих трансформаторов и трансформаторов с негорючим жидким диэлектриком - в стандартах или технических условиях на конкретные типы трансформаторов (ГОСТ 11677-85).