Модуль 2. Принципы построения методов расчета системы электроснабжения. Выбор параметров системы электроснабжения
Лекция №15, 16. Принципы выбора номинальной мощности трансформаторов (2 часа)
План лекции:
Нагревание и охлаждение.
Износ (старение) изоляции.
Промышленность выпускает трансформаторы различных типов, причем каждый тип — на ряд номинальных мощностей. Любой из этих трансформаторов может передавать мощность, большую и меньшую номинальной. В первом случае в нем увеличиваются потери мощности и, соответственно, температура обмотки, во втором уменьшаются потери мощности и температура обмотки.
Увеличение температуры обмотки вызывает необратимые процессы в материале ее изоляции, которые называют старением, или износом изоляции. При этом срок службы трансформатора уменьшается. Кроме того, резкое увеличение нагрузки может привести копасному повышению температуры масла в верхних слоях до близкой к температуре его вспышки. Согласно стандарту на нагрузочную способность силовых трансформаторов и автотрансформаторов наибольшая температура масла в верхних слоях и в наиболее нагретой точке обмотки в течение переходного суточного процесса нагрева не должна превосходить соответственно 95 и 140 °С.
|
|
Нагревание и охлаждение
Потери энергии в обмотках трансформатора вызываются протекающим в них током, а в магнитопроводе — пульсацией магнитного потока. Эти потери энергии превращаются тепло и повышают температуру трансформатора относительно температуры окружающей среды.
Возникающая разность температур приводит к передаче тепла от трансформатора во внешнюю среду и тем большей, чем выше температура частей трансформатора. В результате даже при неизменной нагрузке трансформатора рост температуры после его включения постепенно замедляется и она увеличивается, изменяясь по экспоненциальному закону, асимптотически приближаясь к установившемуся значению.
Рассмотрим несколько случаев включения трансформатора на нагрузку (рис. 8.1): включение сразу на нагрузку или вначале на нагрузку с последующим переходом на нагрузку или . В первом случае температура увеличивается от нуля" и достигает (кривая на рис. 8.2). Во втором и третьем случаях она изменяется соответственно по кривым 2 и 5 и достигает установившихся значений и .
Если бы все тепло оставалось в тех элементах трансформатора, где оно выделилось, и параметры этих элементов не менялись с изменением температуры, то температура их в зависимости от времени росла бы по прямым 3 и 4 (рис. 8.2).
Точка пересечения прямой 3 с асимптотой определяет так называемую постоянную времени т нагреваемого тела. Она равна тому времени, в течение которого температура тела, т. е. соответствующей части трансформатора, при отсутствии от него отдачи тепла достигла бы установившегося значения.
|
|
Если нагреваемое однородное тело при повышении температуры на 1ºС за 1 с будет отдавать некоторую мощность К,Вт, то при установившемся режиме потери мощности в нем должны равняться мощности, отводимой во внешнюю среду, т. е.
. (8.1)
С другой стороны, если бы тепло от рассматриваемого элемента не отводилось во внешнюю среду, то потери энергии в 1 с, равные , поглощаемые этим телом, повышали бы его температуру в каждую
Рис. 8.1. График нагрузки, на которую включается трансформатор
Рис. 8.2. Кривые нагревания и охлаждения
секунду на град, где С — теплоемкость данного тела. За время должна была бы быть достигнута температура, равная .
Тогда
. (8.2)
Определив из выражений (8.1) и (8.2) и приравняв найденные значения, получим , откуда
. (8.3)
Следовательно, при принятых условиях постоянная времени т зависит только от параметров трансформатора и не зависит от его нагрузки. В процессе нагревания однородного тела за элемент времени часть тепловой энергии будет расходоваться на нагревание тела, а часть Kdl отдаваться в окружающую среду. Следовательно,
;
это выражение можно представить в виде
,
откуда
. (8.4)
Постоянную А найдем из условия, что при имеем (начальная температура). Тогда и
,
откуда .
При получим и, следовательно, . В результате
. (8.5)
При нагревании (на рис. 8.2 ), а при охлаждении . Здесь — установившееся значение температуры при уменьшенной нагрузке .
С какого бы значения не начиналось увеличение температуры нагреваемого тела, постоянная времени сохранит свое значение (см. кривые 3 и 4). При начальном значении (см. рис. 8.2) повышение температуры шло бы по соответствующему участку кривой 1, лежащему выше этой точки, соответствующей на кривой 2.
Постоянная времени различных элементов трансформатора, естественно, различна: для обмотки она равна примерно 6—8 мин, для всего трансформатора без масла 1,5—2 ч, а для наполненного маслом 2—4 ч. Различие в постоянных времени обмотки и масла имеет большое значение особенно при часто изменяющейся нагрузке, какой, в частности, является тяговая нагрузка..
При неизменных условиях работы трансформатора установившаяся температура обмотки выше, чем масла (рис. 8.3), что и определяет передачу тепла от обмотки к маслу. В случае увеличения нагрузки растет температура обмотки и соответственно температура масла . Первая растет скорее, чем вторая. Постоянная времени нагревания трансформатора может быть определена на основании формулы (8.3):
Рис. 8.3. Кривые нагревания обмотки и масла трансформатора
Рис. 8.4. Графики изменения нагрузки (а), а также температуры (б) обмотки (сплошные) и масла (штриховые)
, (8.6)
где - постоянная времени, ч;
- теплоемкость трансформатора, Вт·ч/с;
- потери холостого хода, Вт;
- потери короткого замыкания, Вт;
- превышение температуры масла в верхних слоях над температурой охлаждающей среды при номинальной нагрузке, ºС.
Если нагревание в одних и тех же условиях продолжается в течение времени , то практически можно считать, что достигается установившаяся температура , так.как величина становится близкой к нулю. Если бы график нагрузки трансформатора имел вид, представленный на рис. 8.4, а, и каждый из интервалов времени был бы меньше , то кривые нагревания имели бы вид представленных на рис. 8.4, б: сплошные — для обмотки, штриховые — для масла.