Нагрев и охлаждение трансформаторов - Киш Л.
Скачать (прямая ссылка):
Необходимые в дальнейших расчетах физические характеристики масла и воздуха приведены в табл. 1-2 и 1-3 соответственно.
1-2. Старение изоляционных материалов
Продолжительное воздействие тепла, влаги, кислорода вызывает старение изоляционных материалов транс форматора и, прежде всего, тех, основой которых является целлюлоза.
Процесс старения ведет к изменению исходных электрических, механических и химических свойств материала. Степень снижения электрической прочности, вызванная процессом старения, не велика. Однако возникающие изменения механических характеристик изоляционных материалов (прочности на разрыв, числа выдерживаемых перегибов) делают трансформатор чувствительным к возникающим при коротком замыкании перемещениям проводников, и в трансформаторе с состарившейся изоляцией легко может возникнуть витковое замыкание. Степень снижения предела прочности при растяжении по сравнению с исходным его значением является существенной уже после относительно непродолжительного времени старения. В отношении химических свойств самым существенным является изменение степени полимеризации, т. е. изменение, возникающее по длине молекулярных цепей изоляционного материала.
Накопленные в течение десятилетий результаты лабораторных исследований показывают, что у изоляционных материалов однозначно определяемой опасной температурной границы нет, а существует только экспоненциальная зависимость между степенью старения, температурой и длительностью ее действия. Исходя из этого экспериментально установленного закона и принимая во внимание срок амортизации и морального износа транс форматора, можно определить температурную границу, при которой для данной скорости старения еще обеспечивается экономически оправданный срок службы.
Фактором, ускоряющим процесс старения, является увлажнение. Влага, находящаяся в трансформаторе, имеет три источника. Это влага, не удаленная в процессе сушки; влага, проникающая через негерметичные уплотнения и расширитель, и влага, возникающая, как побочный продукт, в процессе окисления масла. Кислород проникает в трансформатор через расширитель и через плохо герметизированные уплотнения контура охлаждения в местах пониженного по сравнению с атмосферным давления.
Срок службы
Время, по истечении которого изоляционный материал приходит в негодность, называется его сроком службы. Согласно закону Аррениуса срок службы Е (лет) любого изоляционного материала определяется выражением
, (1-2)
где С - 1 год; А и В - постоянные, устанавливаемые экспериментально для изучаемого материала (А - без размерная величина, В измеряется в Кельвинах); Т- термодинамическая температура, К.
Для диапазона температур 80-140°С, имеющих место в трансформаторе, для определения срока службы справедлива формула
, (1-3)
где р - постоянная, °С-1; - температура, °С; D - постоянная, лет.
В рекомендациях МЭК по нагрузочной способности [4] значение постоянной р, необходимое для определения срока службы, не указано, так как оно не могло быть согласовано из-за расхождения во мнениях по физическим свойствам изношенного изоляционного материала.
Износ изоляции
Существует единое мнение о том, что в диапазоне температур от 80 до 140°С каждые 6°С прироста температуры вызывают сокращение срока службы изоляции вдвое, т. е. износ удваивается. Это означает, что если в диапазоне 80-140°С температуре соответствует срок службы Е, то для температуры °C срок службы составит 0,5Е, т. е.
. (1-3а)
Теперь, используя уравнения (1-3) и (1-За), можно вычислить постоянную р, входящую в формулу Монтзингера, для чего разделим уравнение (1-3) на (1-За). Тогда 2=е6р и р=0,1155°С-1.
Относительный износ изоляции
Если в качестве базовой выбрана такая температура (°С), для которой срок службы принимается нормальным, то этот срок может быть отнесен к сроку службы, соответствующему любой другой температуре , °С. Это безразмерное отношение, называемое относительным износом изоляции, обозначим через .
Используя формулу Монтзингера (1-3), находим:
. (1-4)
Пусть . Эта температура соответствует температуре наиболее нагретой точки трансформатора при температуре охлаждающей среды , превышении средней температуры обмотки , осевом перепаде температуры масла в обмотке и разности температуры наиболее нагретой точки и средней температуры верхней (наиболее нагретой) катушки 2°С (рис. 1-2):
. (1-5)
Принято, что трансформатор с температурой наиболее нагретой точки, равной 98°С, стареет нормально. Срок службы в этом случае составляет несколько десятков лет. Естественно, за это время трансформатор может прийти в негодность по другим причинам или стать морально устаревшим, что потребует его замены. Если в уравнении (1-4) принять, что , то получим окончательную формулу для расчета относительного износа изоляции при неизменной температуре :
. (1-4а)
Рис. 1-2. Цифровая диаграмма распределения температур масла и обмотки в трансформаторе с естественной циркуляцией масла при нормальном износе изоляции (принятые значения температур и превышений температуры).
Рис. 1-б. Зависимость относительного износа изоляции от температуры наиболее нагретой точки .
