Силовые трансформаторы. Системы охлаждения. Режимы работы. Регулирование коэффициента трансформации

1.

ТЕМА 3
Представление элементов ЭЭС в расчетах
установившихся режимов
Раздел 3.2. курса «Электроэнергетические системы и сети».
Силовые трансформаторы.
Системы охлаждения. Режимы работы.
Регулирование коэффициента трансформации.

2.

Нормативные документы
ГОСТ
СО
Наименование
Дата введения
11677-85
Трансформаторы силовые.
Общие технические условия
01.07.1986
3484.1-88
Трансформаторы силовые.
Методы электромагнитных испытаний
30.08.1988
14209-85
Трансформаторы силовые масляные общего назначения.
Допустимые нагрузки
01.07.1985
СО
153-34.20.5012003
ПТЭ электрических станций и сетей РФ
п.п.5.3.
Силовые
трансформаторы
шунтирующие реакторы
20.06.2003
14209-97
Руководство
по
нагрузке
силовых
трансформаторов (взамен ГОСТ14209-85)
30830-2002
Трансформаторы силовые.
Общие положения
и
масляные
масляных 01.01.2002 статус:
не действует с
27.03.2008
01.01.2004

3.

Классификация силовых трансформаторов

4.

Системы охлаждения трансформаторов
Сухие трансформаторы
С
Естественное воздушное при открытом исполнении
СЗ
Естественное воздушное при защищенном исполнении
СГ
Естественное воздушное при герметичном исполнении
СД
Воздушное с принудительной циркуляцией воздуха
Масляные трансформаторы
М
Естественная циркуляция воздуха и масла
Д
Принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла
МЦ
НМЦ
ДЦ
Естественная циркуляция воздуха, принудительная циркуляция масла с ненаправленным потоком масла
Естественная циркуляция воздуха, принудительная циркуляция масла с направленным потоком масла
Принудительная циркуляция воздуха и масла с ненаправленным потоком масла
НДЦ
Принудительная циркуляция воздуха и масла с направленным потоком масла
Ц
Принудительная циркуляция воды и масла с ненаправленным потоком масла
НЦ
Принудительная циркуляция воды и масла с направленным потоком масла
Трансформаторы с негорючим жидким диэлектриком
Н
НД
ННД
Естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком
Охлаждение негорючим жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха
Охлаждение негорючим жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха и с направленным потоком жидкого
диэлектрика

5.

Структура обозначения трансформаторов (автотрансформаторов)
А
–
Автотрансформатор
Трансформатор
О
Т
Однофазный
Трехфазный
Р
С расщепленной обмоткой НН
С
М
Д
Ц
Н
Система охлаждения
Т
–
Трехобмоточный
Двухобмоточный
Н
Наличие РПН
С
Для собственных нужд

6.

Соответствие обозначений систем охлаждения трансформаторов
(Россия - МЭК )
• масляного - с естественным охлаждением
(М) - ONAN,
• масляного - с вентиляцией (дутьем)
(Д) - ONAF,
• масляного с дутьем и принудительной циркуляцией масла
( ДЦ) - OFAF,
• масляного - с циркуляцией масла через водоохладитель
( МЦ) - OFAN,
• масляного – с принудительной циркуляцией масла через водоохладитель
( Ц) - OFWF.
• сухого, с естественным воздушным охлаждением (С) – AN
• сухого, в защитном кожухе, герметичного (СЗ ,СГ) – ANAN
• сухого, с вентиляцией (СД) - ANAF

7.

Основные каталожные данные трансформатора (пример)
• ТРДЦН-63000/110
(Т) - трехфазный
(Р) - расщепленная обмотка НН
(ДЦ) - охлаждение масла дутьем с
принудительной циркуляцией
масла
(Н) - регулирование коэффициента
трансформации под нагрузкой
(РПН)
63000 – номинальная мощность (кВА)
110 – класс напряжения обмотки ВН
(кВ)
• Uвн ном =115кВ
• Uнн ном =6,3/10,5кВ
• Yn/D-11 – схемы
соединения обмоток
ВН/НН, группа 11
• DКт = ±9х1,78%,
РПН в нейтрали
обмотки ВН
(возможна установка
РПН на линейном
выыоде)

8.

Основные каталожные данные автотрансформатора
(пример)
• АТДЦТН-63000/220/110
(А) -автотрансформатор
(Т) - трехфазный
(ДЦ) - охлаждение масла дутьем с
принудительной циркуляцией
масла
(Т) - трехобмоточный
(Н) - регулирование коэффициента
трансформации под нагрузкой
(РПН)
63000 – номинальная мощность (кВА)
220/110 – класс напряжения обмоток
ВН/СН (кВ)
Uвн ном =230кВ
Uсн ном =121кВ
Uнн ном =10,5кВ
(Sнн ном = 0,5 SАт ном)
Yn/Yn/D 0-11 – схемы и
группа соединения
обмоток ВН/СН/НН,
• DКт = ±6х2%,
• РПН на стороне СН
(возможна установка
РПН в нейтрали)

9.

Охлаждение трансформаторов
Тепловые потери
мощности
Площадь
поверхности
бака
S, МВА
x^0.75
x^0.5
Мощность трансформатора
9

10.

Нагрев обмоток и магнитопровода трансформаторов
Причины нагрева:
- токи в обмотках;
- магнитный поток в стали магнитопровода;
- вихревые токи в стали магнитопровода и бака
-При повышении температуры изоляции на 6°С от
среднего ее значения (85 °С) при номинальной
нагрузке, срок службы изоляции снижается вдвое
10

11.

Требования к системам охлаждения (ПТЭ)
При номинальной нагрузке температура tм° верхних
слоев масла должна быть:
- для охлаждения М и Д – не выше 95°С;
- для охлаждения ДЦ – не выше 75°С,
- для охлаждения Ц – не выше 70°С на входе в
маслоохладитель.
11

12.

Наиболее нагретая точка (ННТ)
• Это наиболее нагретый внутренний слой одной из верхних
катушек.
• В общем случае место расположении ННТ зависит от
конструкции обмоток и распределения температуры масла
в обмотке вдоль ее высоты и не всегда совпадает с самой
верхней катушкой обмотки.
• В большинстве случаев это первая или вторая от верха
катушка обмотки.
• Температура наиболее нагретой точки всегда больше
средней температуры верхней катушки.
• Появились возможности непосредственного измерения
температуры ННТ. Датчик температуры + оптоволокно.
12

13.

Изменение температуры верхних слоёв масла при
перегрузках (в зависимости от системы охлаждения)
Превышение
температуры масла
верхних слоёв, °С
y
100
90
80
70
60
Коэффициент загрузки
трансформатора, S/Sном
50
40
1.0
1.1
1.2
1.3
55*(5/6*x^2 + 1/6)^0.9
100/3*x^2 + 20/3
1.4
1.5
x
13

14.

Нормальные условия работы трансформаторов.
Номинальная мощность трансформатора и нормальные температурные условия.
Высота установки над уровнем моря.
• Номинальная мощность это такая мощность, на которую
может быть нагружен трансформатор непрерывно в течение
всего срока службы (не менее 20 лет) при нормальных
температурных условиях охлаждающей среды.
• Согласно ГОСТ 14209-85 и 11677-85 нормальные
температурные условия соответствуют среднегодовой
температуре охлаждающей среды 20°С и среднесуточной
температуре не более 30 °С.
• . Высота установки над уровнем моря - не более 1000 м.

15.

Режимы работы трансформатора
Режим работы
Циклическая
нагрузка
Систематическая
нагрузка (нормальный
режим работы)
Кратковременная
аварийная
перегрузка
Продолжительная
аварийная (послеаварийная)
перегрузка

16.

Режим систематических нагрузок
Режим циклических нагрузок, в течение части цикла которого температура
охлаждающей среды может быть более высокой и ток нагрузки превышает
номинальный.
С точки зрения термического износа такая нагрузка эквивалентна
номинальной нагрузке при нормальной температуре охлаждающей среды.
Термический износ, эквивалентный номинальымым условиям эксплуатации,
достигается за счет понижения температуры охлаждающей среды или тока
нагрузки в течение остальной части цикла.
При планировании нагрузок этот принцип может быть распространен на
длительные периоды (процент увеличения за процент снижения).

17.

Перегрузка трансформатора
• Перегрузка трансформатора - нагрузка, при которой
расчетный износ изоляции обмоток,
соответствующий установившимся превышениям
температуры, превосходит износ, соответствующий
номинальному режиму работы.
• Перегрузки трансформатора могут быть аварийные
(кратковременные, например, при коротком
замыкании) и систематические.
• Перегрузочную способность трансформатора
определяют в зависимости от заданного графика
нагрузки (реальный или расчетный) потребителя .

18.

Режим кратковременных аварийных перегрузок
• Режим чрезвычайно высокой нагрузки, вызванный
непредвиденными воздействиями, которые проводят к
значительным нарушениям нормальной работы сети, при этом
температура наиболее нагретой точки проводников достигает
опасных значений.
• Однако, на короткий период времени этот режим может быть
предпочтительнее других.
• Допустимая продолжительность такой нагрузки меньше тепловой
постоянной времени (1.5 -2,5 час) трансформатора и обычно
продолжительность перегрузки составляет менее получаса.

19.

Режим продолжительных перегрузок в
послеаварийном установившемся режиме
• Режим циклических нагрузок, возникающий в
результате продолжительного выхода из строя
некоторых элементов сети трансформатора.
• Это не обычное рабочее состояние, однако может
длиться в течение недель или даже месяцев и
вызывать значительный термический износ изоляции
трансформатора.

20.

Срок службы трансформатора
• Номинальный срок службы - это условная величина,
принимаемая для непрерывной постоянной нагрузки при
нормальной температуре охлаждающей среды и номинальных
условиях эксплуатации.
• Номинальный срок службы обычно 25-30 лет.
• Реальный срок службы трансформатора зависит от
последствий таких воздействий, как:
- перенапряжения;
- короткие замыкания;
- длительные перегрузки (послеаварийные режимы).
• Нагрузка свыше номинальной и температура охлаждающей
среды, превышающая нормальную, вызывают ускоренный износ
изоляции.
20

21.

Продолжительная аварийная (послеаварийная) перегрузка
масляных трансформаторов
( ГОСТ 14209-85, 11677-85)
ГОСТ 14209 97 отменен!!
• Способ охлаждения обмоток
с естественной циркуляцией масла (М),
с естественной циркуляцией дутьем (Д),
с дутьем и принудительной циркуляцией масла (ДЦ),
с принудительной циркуляцией масла через водоохладитель ( Ц),
при первоначальной нагрузке не более 0,8*Sном допускается перегрузка (%) :
40 % в течение 6 часов при температуре охлаждающего воздуха не более чем +
20°С
30 % в течение 4 часов при температуре охлаждающего воздуха + 30°С.

22.

Снижение срока службы трансформатора вследствие
перегрузки
Перегрузка трансформатора приводит к следующим последствиям:
температура обмоток, отводов, соединений, изоляции и масла
увеличивается и может превысить допустимые значения;
возрастают потоки рассеяния, образуются вихревые токи, повышается
нагрев металлических частей;
добавочные потоки рассеяния ограничивают эксплуатационные
возможности магнитной системы при высокой индукции;
с изменением температуры изменяется содержание влаги и газа в
изоляции и масле;
вводы, переключатели, концевые разделки кабеля и трансформаторы
тока также подвергаются повышенным нагрузкам, что ограничивает
возможности их применения.
22

23.

• 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 ТУ на конкретные типы
трансформаторов (ГОСТ 11677-85).
• В соответствии с ТУ № 3411-001-498-90-270-2005 (согласованы с
ФСК ЕЭС России):
автотрансформаторы в зависимости от предшествующей нагрузки
(Кзагр =0,7) и температуры охлаждающего воздуха во время
перегрузки (Т=25°С )допускают следующие кратности и
длительности аварийных перегрузок:
1,0 час- Кпер=1,4;
2,0 часа- Кпер=1,3;
4,0 часа- Кпер=1,2.

24.

ТРЕБОВАНИЯ К ПЕРЕГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ, УСТАНОВЛЕННЫХ НА
ОБЪЕКТАХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ, И ЕЕ ПОДДЕРЖАНИЮ
(в ред. Приказа Минэнерго РФ от 28.12.2020 N 1195)
I. Общие положения
1.
Настоящие требования к перегрузочной способности трансформаторов и автотрансформаторов, установленных на объектах
электроэнергетики, и ее поддержанию устанавливают требования к длительно допустимой токовой нагрузке, аварийно допустимой
токовой нагрузке (с учетом допустимых величины и длительности перегрузки) трансформаторов и автотрансформаторов…..
2.
Настоящие требования распространяются на следующие силовые масляные трансформаторы и автотрансформаторы общего
назначения классом напряжения от 110 кВ до 750 кВ включительно (далее - трансформаторы (автотрансформаторы):
трансформаторы и автотрансформаторы трехфазные мощностью 5 MBA и более;
трансформаторы и автотрансформаторы однофазные мощностью 1 MBA и более.
Настоящие требования не распространяются на установленные на объектах по производству электрической энергии повышающие
двухобмоточные трансформаторы, обеспечивающие выдачу мощности подключенного к обмотке низшего напряжения генерирующего
оборудования. (в ред. Приказа Минэнерго РФ от 28.12.2020 N 1195)
3. Выполнение настоящих требований является обязательным для субъектов электроэнергетики и потребителей электрической энергии,
владеющих на праве собственности или ином законном основании объектами по производству электрической энергии и (или) объектами
электросетевого хозяйства (далее - владельцы объектов электроэнергетики)…
4. Владельцы объектов электроэнергетики должны определять перегрузочную способность принадлежащих им трансформаторов
(автотрансформаторов), поддерживать в актуальном состоянии информацию о длительно допустимой и аварийно допустимой токовой
нагрузке трансформаторов (автотрансформаторов) и предоставлять ее в диспетчерские центры субъекта оперативно-диспетчерского
управления в электроэнергетике по трансформаторам (автотрансформаторам), относящимся к объектам диспетчеризации……

25.

Коэффициенты допустимой длительной перегрузки трансформаторов
(автотрансформаторов) без ограничения длительности.
Режим
нагрузки
Коэффициент допустимой длительной (без ограничения длительности) перегрузки при
температуре охлаждающего воздуха (воды), , °С
-20
-10
0
10
20
30
40
Нормальный 1,20
(без
повышенного
износа
изоляции)
1,20
1,15
1,08
1,00
0,91
0,82
С
1,25
возможным
повышенным
износом
изоляции
1,25
1,25
1,25
1,20
1,15
1,08
Коэффициенты допустимой аварийной перегрузки трансформаторов (автотрансформаторов) мощностью до 16 MBA
включительно
с системой охлаждения М , находящихся в эксплуатации до 30 лет, в случаях превышения индексами технического
состояния их функциональных узлов значения «70» (max «100»).

26.

Допустимая перегрузка сухих и масляных трансформаторов
(ПТЭ электрических станций и сетей)
• Для масляных и сухих трансформаторов, а также трансформаторов с жидким негорючим
диэлектриком допускаются систематические перегрузки, значение и длительность которых
регламентируются инструкциями заводов-изготовителей.
• В аварийных режимах допускается кратковременная перегрузка трансформаторов сверх
номинального тока при всех системах охлаждения независимо от длительности и значения
предшествующей нагрузки и температуры охлаждающей среды в следующих пределах:
• Масляные трансформаторы:
• перегрузка по току, %
30
45
60
75
100
• длительность перегрузки, мин.
120
80
45
20
10
• Сухие трансформаторы:
• перегрузка по току, %
20
30
40
50
60
• длительность перегрузки, мин.
60
45
32
18
5
• При номинальной нагрузке трансформатора температура верхних слоев масла должна быть
не выше 70-95 С (в зависимости от системы охлаждения).

27.

Допустимые аварийные перегрузки трансформаторов
промышленных подстанций при предшествующей нагрузке,
не превышающей 0,8 Sтном (ГОСТ 14209-85)
Перегрузка, час
Температура охлаждающего воздуха, °С
-10
0
+10
+20
+30
М, Д
ДЦ
М, Д
ДЦ
М, Д
ДЦ, Ц
М, Д
ДЦ, Ц
М, Д
ДЦ, Ц
0,5
2
1,8
2
1,8
2
1,7
2
1,6
2
1,5
1
2
1,7
2
1,7
2
1,6
2
1,5
1,9
1,5
2
2
1,6
1,9
1,6
1,8
1,5
1,7
1,4
1,6
1,4
4
1,7
1,5
1,7
1,5
1,6
1,4
1,4
1,4
1,3
1,3
6
1,6
1,5
1,5
1,5
1,5
1,4
1,4
1,4
1,3
1,3
8
1,6
1,5
1,5
1,5
1,4
1,4
1,3
1,4
1,2
1,3
12
1,5
1,5
1,5
1,5
1,4
1,4
1,3
1,4
1,2
1,3
24
1,5
1,5
1,5
1,5
1,4
1,4
1,3
1,4
1,2
1,3

28.

Построение двухступенчатого, эквивалентного по износу изоляции,
графика нагрузки
28

29.

Регулирование коэффициента
трансформации
без возбуждения (ПБВ)
под нагрузкой (РПН)

30.

Регулирование коэффициента трансформации переключение без
возбуждения (ПБВ) и под нагрузкой (РПН)

31.

Варианты исполнения устройств ПБВ

32.

Переключение коэффициента трансформации
под нагрузкой (РПН)

33.

34.

Варианты исполнения РПН автотрансформаторов

35.

Масляные трансформаторы и с РПН

36.

Устройства РПН масляных трансформаторов
класса напряжения 35 кВ

37.

Технические характеристики устройства РПН масляных
трансформаторов класса напряжения 35 кВ
Принципиальная схема

38.

Трансформатор ТРДТН 80МВА 110/10/10кВ с
расщепленной обмоткой НН и РПН на ступени ВН.
Устройство
РПН
Моторный
привод

39.

Сухой трансформатор RESIBLOC 35 кВ (ABB)
принудительная вентиляция и РПН с вакуумными контакторами
РПН
(регулируемые
ответвления)
Вентиляторы
(охлаждение)
Блок управления
(Вакуумные
контакторы)

40.

Технические характеристики современных
устройств РПН (Силовые машины - Тошиба, СПб)
Трансформатор ТДТН-80000/110
Способ и диапазон регулирования:
РПН в нейтрали ВН ±16%; ±9 ступеней
Переключение вакуумными контакторами
Количество переключений до первой ревизии, не менее 250000.
Механический ресурс контактора ( количество переключений), не менее 1000 000
Износостойкость контактов при (0,7-1,0)Iном,
(количество переключений), не менее 300 000

41.

• Устройства РПН
компании GmbH (MR), Германия.
• РПН VACUTAP MR (вакуумная технология разрыва дуги): высокая
надежность, ревизия РПН требуется после 150 000 - 500 000 переключений,
• минимизация эксплуатационных расходов в течении всего срока службы
переключающего устройства.
• В качестве альтернативы предлагается к поставке РПН MR типа OILTAP конструкция, прошедшая проверку временем. традиционная технология
разрыва дуги в масле.

42.

Устройство РПН VACUTAP VT

43.

Автоматическое регулирования напряжения трансформаторов (АРНТ)
Т1
Прибавить
ПМ
ТТ
Важной
характеристикой
АРНТ
является
зона
нечувствительности. Необходимо устанавливать ширину
зоны нечувствительности несколько больше значения
ступени регулирования, рекомендуется коэффициент
запаса 1,3.
УТК
Убавить
У
В
И
У
В
И
ИС
ТН
Устройство управления
Структурная
напряжения:
схема
автоматического
ИП
Выдержка времени регулятора позволяет отстроится от
кратковременных
изменений
напряжения
при
переменном характере нагрузки и излишнего действия
РПН.
регулирования
Эффект действия устройств АРТ проявляется поТ1 - регулируемый трансформатор; ТТ – трансформатор тока; разному при установке РПН в нейтрали обмотки ВН,
либо на линейных выводах обмоток СН трехобмоточных
ТН - трансформатор напряжения;
трансформаторов, а также автотрансформаторов.
УТК - устройство токовой компенсации;
ИС - измерительный блок;
У - блок управления; В - блок выдержки времени;
И —исполнительный блок;
ИП - источник питания; ПМ - приводной механизм.

44.

Повреждаемость масляных трансформаторов
44

45.

Дефекты масляных трансформаторов
Обмотки
• нарушение изоляции
• ослабление прессовки и деформация
• уменьшение размеров охлаждающих каналов
• ослабление, окисление контактных соединений
Магнитопровод
• ослабление прессовки
• повреждение межлистовой изоляции
• повреждение изоляции узлов стяжки и прессовки
(стяжные шпильки, бандажи)
Переключающее устройство (РПН)
• ослабление, нарушение контактных соединений
• механический износ деталей
• старение масла в контакторе
• повреждение изоляции токоведущих частей
Бак
• утечка масла
• упуск масла
• нагрев потоками рассеяния
Масло
• увлажнение, загрязнение
• Старение
Система охлаждения
• повреждение в маслонасосе
• отказ двигателя вентилятора
• засорение труб и межтрубного пространства
Система заземления активной части
• обрыв в цепи заземления
Вводы
• механический износ
• нарушение изоляции
• загрязнение

46.

• Контрольные вопросы.
• 1. Почему номинальные междуфазные напряжения по ГОСТ 721-77 отличаются для
трансформаторов с РПН и ПБВ (либо при отсутствии регулирующих устройств)?
• 2. На сколько % (по отношению к номинальному напряжению) отличаются по ГОСТ 1516.3 -96
наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение сети и наибольшее рабочее напряжение
оборудования для классов напряжения 6 и 10 кВ?
• 3. Совпадает ли ННТ совпадает с самой верхней катушкой обмотки трансформатора ?
• 4. Чем обусловлен переход от системы охлаждения М к Д к ДЦ ?
• 5. Зачем строится эквивалентный двухступенчатый график нагрузки трансформатора и каковы его
основные характеристики?
• 6 .В чем принципиальное отличие конструкции устройств РПН масляных и сухих трансформаторов?
• 7. При каком количестве циклов коммутации (в среднем) требуется ревизия РПН VACUTAP MR с
вакуумными контакторами?
• 8. Что является основной причиной повреждаемости масляных трансформаторов ?