Расчетная тепловая постоянная времени трансформатора что это

Приложение 4 (справочное). Тепловая постоянная времени трансформаторов

При определении допустимых нагрузок и перегрузок расчетным методом по разд. 2 следует принимать значения тепловых постоянных времени, которые в соответствии с ГОСТ 11677-85 должны содержаться в паспорте трансформатора. При отсутствии таких данных в паспортах трансформаторов, выпущенных после 1975 г., следует принимать значения тепловых постоянных времени, принятые в разд. 3.

Для трансформаторов, выпущенных до 1975 г., рекомендуется принимать значения тепловых постоянных времени трансформаторов, приведенные в таблице.

Мощность трансформатора, кВ х А

Высшее напряжение, кВ

Значение тепловой постоянной времени

Тепловая постоянная времени трансформаторов

При определении допустимых нагрузок и перегрузок расчетным методом по разд.2 следует принимать значения тепловых постоянных времени, которые в соответствии с ГОСТ 11677 должны содержаться в паспорте трансформатора. При отсутствии таких данных в паспортах трансформаторов, выпущенных после 1975 г., следует принимать значения тепловых постоянных времени, принятые в разд.3.

Для трансформаторов, выпущенных до 1975 г., рекомендуется принимать значения тепловых постоянных времени трансформатора, приведенные в таблице.

Мощность трансформатора, кВА

Высшее напряжение, кВ

Значение тепловой постоянной времени

Графический метод определения превышений температуры

1. Графики черт.1-4 дают возможность, не прибегая к вычислениям, определить превышения температуры ипо задаваемым значениям исходных данных, но с меньшей точностью по сравнению с расчетом.

2. Если температура наиболее нагретой точки обмотки или температура маслав верхних слоях, определяемые для предполагаемых аварийных перегрузок, по уравнению

будут превышать предельно допустимые значения 160 °С и115 °С не больше, чем на 5 °С, то необходимо полученные с помощью графиков результаты проверить расчетом в соответствии с разд.2.

3. Пример использования графиков.

3.1. Определить температуру наиболее нагретой точки обмотки трансформатора ТМН 6300/110, работающего по преобразованному в двухступенчатый суточному графику нагрузки:

начальная нагрузка 0,57;

перегрузка 1,42 в течение2 ч;

температура охлаждающего воздуха принимается среднесуточной, 16 °С (изменение за сутки не более 12 °С).

3.2. Исходные данные трансформатора в номинальном режиме:

потери короткого замыкания 48,0 кВт;

потери холостого хода 9,6 кВт;

отношение потерь ;

превышение температуры масла в верхних слоях над температурой охлаждающего воздуха 55 °C;

превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхних слоях 23,0 °С;

тепловая постоянная времени трансформатора 3,5 ч.

3.3. Превышение температуры масла определяется по трем графикам, как показано на черт.1. Из точки0,57 вертикальной шкалы левого графика нужно провести горизонтальную линию до пересечения с линией5,0. Затем следует опустить вертикаль до пересечения с линией55 °С и снова провести горизонтальную линию до левой шкалы среднего графика. То же надо проделать и на правом графике, но начиная с проведения горизонтали на правой шкале: от значения1,42 до линии5,0 и затем через55 °C до правой шкалы среднего графика.

Полученные таким образом точки правой и левой шкал среднего графика соединяются между собой прямой линией. Из точки 3,5 ч на шкале значений постоянных времени среднего графика следует провести горизонтальную линию до пересечения с кривой линией продолжительности перегрузки2 ч; из точки их пересечения надо опустить вертикаль до пересечения ее с линией, ранее соединившей точки правой и левой шкал среднего графика. Горизонтальная прямая, проведенная с этой точки к левой шкале среднего графика, пересекает ее в искомой точке56,0 °C.

3.4. Максимальная температура масла в верхних слоях, °С

3.5. Превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхних слоях определяется по графику черт.3. Из точки1,4 горизонтальной оси проводится вертикально вверх прямая линия до пересечения с кривой, соответствующей23,0 °С (находится линейной интерполяцией между линиями 20 и 25 °С); затем горизонталь, проведенная из точки пересечения, пересекает вертикальную ось графика в искомой точке40,2 °С.

3.6. Температура наиболее нагретой точки обмотки, °С

Расчет температуры основных элементов силового масляного трансформатора на основе анализа температуры поверхности его бака Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Зализный Д. И., Широков О. Г.

Предложен алгоритм расчета в реальном времени температур масла, обмотки и магнитопровода силового трансформатора на основе измеренных значений температуры поверхности бака и температуры воздуха без измерений тока. Алгоритм базируется на расчете эквивалентного коэффициента нагрузки трансформатора. Имитационное моделирование подтвердило работоспособность алгоритма. После испытаний на действующих трансформаторах он может быть использован в устройствах тепловой защиты и диагностики силовых масляных трансформаторов .

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Temperature Calculation in Respect of Basic Elements of Power Oil Transformer on the Basis of Its Tank Surface Temperature Analysis

The paper proposes a real-time calculation algorithm of oil, winding and magnetic core temperature of power transformer on the basis of measured values of tank surface temperature and air temperature without measuring current. The algorithm is based on the calculation of the equivalent load factor of the transformer. Imitation simulation has confirmed efficiency of the algorithm. After tests on functioning transformers the algorithm can be used in thermal protection devices and diagnostic devices for power oil transformers.

Текст научной работы на тему «Расчет температуры основных элементов силового масляного трансформатора на основе анализа температуры поверхности его бака»

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВОГО МАСЛЯНОГО ТРАНСФОРМАТОРА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ЕГО БАКА

Кандидаты техн. наук, доценты ЗАЛИЗНЫЙ Д. И., ШИРОКОВ О. Г.

Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого

Существуют два основных нормативных документа, в которых расматри-ваются методики расчета тепловых процессов в силовых трансформаторах. Это ГОСТ 14209-85 и МЭК (1ЕС) 60354. Имеется также ГОСТ 14209-97, являющийся аутентичным переводом МЭК 60354. Этот ГОСТ введен в действие на территории СНГ с 2001 г., однако в 2008 г. отменен на территории Российской Федерации, где в данный момент действует ГОСТ 14209-85. В Республике Беларусь по-прежнему в силе ГОСТ 14209-97.

В ГОСТ 14209-85 и МЭК 60354 принята упрощенная математическая модель тепловых процессов, где трансформатор рассматривается как система из двух однородных тел: обмотки и масла. Магнитопровод трансформатора в этой модели учтен лишь косвенно. При этом введено понятие тепловой постоянной времени трансформатора, и процесс изменения температуры его масла сведен к одной экспоненциальной составляющей. В [1] показано, что такая математическая модель предназначена в основном для оценки нагрузочной способности силовых трансформаторов на этапе проектирования систем электроснабжения, а при расчетах температуры в режиме реального времени дает значительную погрешность.

В [1, 2] силовой масляный трансформатор рассматривается как система из трех однородных тел: обмотки, магнитопровода и масла. Методика расчета в режиме реального времени соответствующих температур подробно изложена в [1]. Там же проведен анализ адекватности математической модели тепловых процессов трансформатора на основе экспериментальных данных и показано, что эта модель значительно точнее, чем модели, принятые в ГОСТ 14209-85 и МЭК 60354, но нуждается в дальнейшем повышении точности. В [3] приведена методика параметрической идентификации математической модели тепловых процессов силового трансформатора, позволяющая повысить точность модели, рассмотренной в [1].

Используя выражения для расчета в реальном времени температуры обмотки, магнитопровода и масла силового трансформатора, предложенные в [1, 3], можно создавать устройства для его тепловой защиты или для выявления анормального нагрева трансформатора [4, 5]. Однако общим недостатком таких устройств является необходимость их подключения к значительному количеству цепей трансформатора: цепям измерения напряжения и тока, цепям автоматики РПН и системы охлаждения, к датчикам температуры масла и обмотки. Все это затрудняет внедрение подобных устройств на реальные объекты.

В данной статье предлагается методика, на основе которой можно создавать устройства тепловой защиты и диагностирования силового трансформатора только на основе непосредственного измерения температуры поверхности его бака и окружающего воздуха.

Рассмотрим два вида окружающей среды для силового трансформатора -внутреннюю и внешнюю. Внутренней будем называть окружающую среду, температура которой зависит от температуры трансформатора. Соответственно температура внешней окружающей среды не зависит от температуры трансформатора. В обоих случаях окружающая среда — это воздух.

Представим внутреннюю и внешнюю окружающие среды как однородные тела. Тогда структурная схема тепловых процессов трансформатора будет выглядеть, как показано на рис. 1.

Внутренняя окружающая среда

Внешняя окружающая среда

Рис. 1. Структурная схема тепловых процессов силового масляного трансформатора

Из структурной схемы видно, что теплообмен между магнитопроводом и обмотками отсутствует. Это обусловлено наличием между ними изоляционных цилиндров из плотного картона или бакелита [2].

Система уравнений, описывающая рассматриваемые процессы, запишется по аналогии с системой, приведенной в [1]:

Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов — ГОСТ 14209-97 — Расчет температуры

2.1.1 Основные условные обозначения
А — амплитуда годового изменения среднесуточной температуры охлаждающей среды, °С;
В — амплитуда суточного изменения, °С;
ДХ — самый жаркий день в году;
Н — коэффициент температуры наиболее нагретой точки;
I — ток нагрузки, А;
К — коэффициент нагрузки (отношение тока нагрузки к номинальному току);
L — относительный износ за определенный период времени;
R — отношение нагрузочных потерь при номинальном токе к потерям холостого хода;
S — номинальная мощность, МВ×А;
ТХ — самое жаркое время суток;
V — относительная скорость износа;
W — количество стержней остова;
g — разность температур обмотки и масла, °С;
j — месяц года (используется при расчете износа и температуры наиболее нагретой точки на целый год);
t — продолжительность нагрузки на прямоугольном графике нагрузки;
z — сопротивление короткого замыкания, %;
q — температура, °С;
t — тепловая постоянная времени;
ON — обозначает виды охлаждения ONAN или ONAF,
OF — обозначает виды охлаждения OFAF или OFWF,
OD — обозначает виды охлаждения ODAF или ODWE.
2.1.2 Приставки
D — превышение температуры (по отношению к температуре охлаждающей среды).
2.1.3 Показатели степени
х — показатель степени суммарных потерь при расчете превышения температуры масла;
у — показатель степени коэффициента нагрузки при расчете превышения температуры обмотки;
‘ — относится к температуре наиболее нагретой точки для вида охлаждения OD.
2.1.4 Индексы (общие)
E — соответствует эквивалентной температуре охлаждающей среды;
M — соответствует температуре охлаждающей среды при расчете наиболее нагретой точки;
W — соответствует обмотке;
a — соответствует охлаждающему воздуху (температуре);
h — соответствует наиболее нагретой точке (температуре);
m — соответствует коэффициенту, используемому при расчете максимальной температуры наиболее нагретой точки;
о — соответствует маслу;
r — обозначает номинальное значение (если применяется, то всегда ставится последним);
t — соответствует температуре или превышению температуры в момент времени t,
у — соответствует ежегодному значению.
2.1.5 Специальные индексы для температуры масла (если применяется один из этих индексов, то всегда ставится первым)
i — масло внутри обмоток, в верхних слоях;
1т — средняя температура масла в обмотках;
b — масло в нижней части бака, обмотки или охладителя;
о — масло в верхней части бака;
от — средняя температура масла в баке;
е — масло в верхней части теплообменника;
ет — средняя температура в теплообменнике;
bt — температура масла в нижней части бака в момент времени t,
bi — начальная температура масла в нижней части бака;
bu — максимальная температура масла в нижней части бака.

2.2 Непосредственное измерение температуры наиболее нагретой точки

Наиболее значительным ограничением перегрузки трансформатора является температура наиболее нагретой точки обмотки: необходимо стремиться к тому, чтобы с возможно большей точностью определять эту температуру. В настоящее время начинают постепенно выполнять непосредственное ее измерение (оптическими волоконными светопроводами с датчиками или другими приборами аналогичного назначения). Такие измерения должны улучшить оценку температуры наиболее нагретой точки по сравнению с методами расчета, приведенными в п. 2.4.

2.3 Расчетные тепловые характеристики

2.3.1 Принятые упрощения
Следует иметь в виду, что формулы, приведенные в настоящем стандарте, основаны на ряде упрощений. Приведенная на рисунке 1 схема распределения температуры является упрощением более сложной действительной картины распределения температуры. Итак, приняты следующие упрощения:
а) температура масла внутри обмоток повышается линейно от нижней части к верхней независимо от вида охлаждения;
б) превышение температуры проводника увеличивается линейно по высоте обмотки и параллельно превышению температуры масла с постоянной разностью g между двумя прямыми линиями (g — разность между превышением средней температуры, измеренной методом сопротивления, и превышением средней температуры масла);
в) превышение температуры наиболее нагретой точки должно быть выше превышения температуры проводника в верхней части обмотки, как показано на рисунке 1, поскольку необходимо учесть увеличение дополнительных потерь. Для учета этих нелинейностей за разность температур наиболее нагретой точки и масла в верхней части обмотки принято обозначение Нg. Коэффициент Н может иметь значения от 1,1 до 1,5 в зависимости от мощности трансформатора, сопротивления короткого замыкания и конструкции обмотки. При построении графиков и составлении таблиц раздела 3 настоящего стандарта для распределительных трансформаторов использовано значение 1,1, для трансформаторов средней и большой мощности — 1,3.
2.3.2 Температура масла в верхних слоях, измеренная во время испытания, отличается от температуры масла, вытекающего из обмотки. Эта разность особенно заметна в течение неустановившегося режима в результате внезапного появления нагрузки большой амплитуды. Фактически масло в верхних слоях представляет собой смесь различных потоков масла, которые циркулируют вдоль и (или) снаружи разных обмоток.

Рисунок 1 — Схема распределения температуры

Разность между главными обмотками при охлаждении ON обычно незначительна. Для любой обмотки за температуру масла на выходе из обмотки принимается температура смеси масла в верхней части бака.
За температуру масла на выходе из обмотки при видах охлаждения OF и OD принимается температура масла в нижней части обмоток плюс удвоенная разность средней температуры масла в средней части рассматриваемой обмотки и температуры масла в нижней части обмотки.
В силу различий в распределении потоков масла разные виды охлаждений следует рассматривать отдельно. Предполагается, что в трансформаторах с охлаждением ОN и OF циркуляция масла в обмотке осуществляется термосифоном, а в трансформаторах с охлаждением OD — в основном насосом и практически не зависит от градиента температуры масла.
2.3.3 В трансформаторах с видами охлаждения OF и OD (среднюю температуру масла следует определять наилучшим из известных методов, так как от этого непосредственно зависит расчет температуры наиболее нагретой точки. В ГОСТ 3484.2 приведен ряд методов определения значения, используемого только при расчете некоторых поправок на превышение средней температуры обмотки. В настоящем стандарте использован в основном альтернативный метод (см. приложение В) определения средней температуры масла по результатам испытаний.

2.3.4 Поскольку тепловая постоянная времени обмоток обычно небольшая (от 5 до 10 мин), она оказывает на температуру наиболее нагретой точки только ограниченное влияние даже при повышенных кратковременных перегрузках. Продолжительность самой кратковременной перегрузки по таблицам допустимых нагрузок настоящего стандарта равна 30 мин (раздел 3); при расчетах значение тепловой постоянной времени принимают равным нулю.

2.3.5 Для расчета превышения температуры наиболее нагретой точки в постоянном, циклическом или другом режиме можно использовать тепловые характеристики, полученные из различных источников:
а) результатов специальных испытаний на нагрев, в том числе и непосредственных измерений температуры наиболее нагретой точки или температуры масла на выходе из обмоток (при отсутствии непосредственного измерения наиболее нагретой точки коэффициент наиболее нагретой точки N может быть сообщен только изготовителем);
б) результатов обычного испытания на нагрев;
в) значений превышения температуры при номинальном токе.
В таблице 2 приведены тепловые характеристики, которые использовались при составлении таблиц допустимых нагрузок раздела 3 настоящего стандарта. Следует отметить, что если для трансформаторов большой мощности превышение средней температуры обмотки при номинальном токе равно 65 °С для видов охлаждения ОN и OF и 70 °С — для вида охлаждения OD, то в зависимости от конструкции трансформатора превышение температуры наиболее нагретой точки при номинальном токе может составлять более 78 °С.

Таблица 2 Тепловые характеристики, используемые при составлении таблиц нагрузок раздела 3