Расчет выработанного и остаточного ресурса трансформатора тяговой подстанции

1. Расчет выработанного и остаточного ресурса трансформатора тяговой подстанции

1.1. Краткие теоретические сведения

Тепло, выделяемое при работе трансформатора, вызывает необратимые процессы в материале изоляции обмоток, вследствие чего происходит так называемое старение изоляции.

Старение изоляции обмоток при работе в среде масла зависит от целого ряда факторов: воздействия температуры, наличия электрического поля, воды, кислорода, продуктов окисления масла и др. Решающим фактором воздействия является температура.

В общем случае температура наиболее нагретой точки обмотки трансформатора определяется [1] по формуле:

= + + , (1)

где – превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки по сравнению с температурой масла, ºС;

– превышение температуры верхних слоев масла над охлаждающей
средой, ºС;

– температура охлаждающей среды, ºС.

При номинальной нагрузке трансформатора значения и в соответствии с требованиями ГОСТ 14209-85 равны соответственно 23 и 55ºС, а температура наиболее нагретой точки обмотки составляет 98ºС и называется базовой температурой обмотки .

Под средней почасовой относительной нагрузкой трансформатора понимают отношение действительной токовой нагрузки трансформатора к его номинальному току . Для получения графика относительной нагрузки трансформатора необходимо оценить характер изменения температуры наиболее нагретой точки обмотки над охлаждающей средой и относительный износ изоляции трансформатора.

График относительной нагрузки трансформатора представлен в виде ступенчатой кривой (рис. 1, а), график нагрева обмотки трансформатора, соответствующий этой нагрузке, – на рис. 1, б, график относительного износа изоля-ции – на рис. 1, в.

а

б

в

Рис. 1. Графики изменения параметров трансформатора

При базовой температуре обмотки получим оптимальный срок службы трансформатора, который в настоящее время принят равным 25 годам. Под оптимальным сроком службы трансформатора понимают его срок службы, по истечении которого дальнейшая эксплуатация трансформатора экономи-чески невыгодна.

Относительный износ изоляции определяется по формуле [1]:

, (2)

где Δ – изменение температуры изоляции на 6 ºС.

Относительный износ изоляции показывает, во сколько раз действительное старение изоляции отличается от старения изоляции при номинальной температуре обмотки. Если в течение года непрерывной работы трансформатора его относительный износ оказался равным двум, то это означает, что скорость старения изоляции в течение года возросла в два раза по сравнению с оптимальной. При дальнейшей работе трансформатора в таком режиме нагрузки действительный срок его эксплуатации составит не 25, а 12,5 лет.

При относительном износе изоляции, равном 0,5, действительный срок эксплуатации трансформатора увеличится в два раза и составит 50 лет, так как скорость старения изоляции уменьшилась в два раза.

Для -го интервала прямоугольного графика нагрузки

, (3)

где – временной интервал (1 ч) с относительной нагрузкой , ч;

– среднее значение на интервале ,ºС;

– время работы трансформатора, ч;

Δ = 6ºC.

За время работы трансформатора

(4)

где – число интервалов нагрузки.

Для расчета значений (превышение температуры масла в верхних слоях над температурой охлаждающей среды в установившемся тепловом режиме при нагрузке ) и (превышения температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла при нагрузке используют формулы:

= 39,7К2 + 15,3; (5)

= 17,7К2 + 5,3. (6)

При практических расчетах для эксплуатируемых тяговых подстанций значения для весенне-летнего и осенне-зимнего периодов следует принимать по данным контрольных замеров.

Температура наиболее нагретой точки обмотки в переходном тепловом режиме снижения температуры при длительности снижения , где
– тепловая постоянная нагрева обмотки, определяется по уравнению [1];

; (7)

где – превышение температуры масла в верхних слоях над температурой охлаждающей среды в момент t, ºС,

. (8)

где – превышение температуры масла в верхних слоях над температурой охлаждающей среды в начале периода h.

Выражения (7) и (8) справедливы для режима снижения и повышения температуры, их графическое представление приведено на рис. 2 (показаны характер изменения температуры масла и обмотки, соответствующие двухступенчатому прямоугольному графику нагрузки трансформатора), где

– начальная нагрузка, предшествующая нагрузке или перег-рузке , в долях номинального тока;

– нагрузка или перегрузка, следующая за начальной нагрузкой К1, в долях номинального тока;

– температура наиболее нагретой точки обмотки в установившемся тепловом режиме при нагрузках и , ºС;

– температура наиболее нагретой точки обмотки в начале периода при нагрузке , ºС;

, – температура масла в установившемся тепловом режиме при нагрузках и , ºС;

– температура охлаждающей среды, ºС;

, – превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхних слоях при нагрузках и , ºС;

, – превышение температуры масла в верхних слоях над температурой охлаждающей среды в установившемся тепловом режиме при нагрузке и в момент при нагрузке соответственно, ºС;

– тепловая постоянная времени трансформатора, ч.

При расчетах принять тепловую постоянную времени трансформатора при дутьевом охлаждении равной 2,5 ч.

Рис. 2. Графики изменения температуры масла и

обмотки трансформатора

Как следует из рис. 2 (интервал ), – превышение температуры масла в начале рассматриваемого интервала или в конце предыдущего интервала. Для начала первого интервала принять: = 55ºС, = 23ºС, 78ºС.

Значения температуры охлаждающей среды для конкретных регионов приведены в стандарте [1].

1.2. Методические указания к выполнению задания

В задании необходимо рассчитать:

1) относительную степень износа трансформатора;

2) остаточный ресурс трансформатора.

Исходные данные:

типы трансформаторов (приведены в табл. 1);

значения средней почасовой нагрузки наиболее загруженной фазы трансформатора (табл. 2);

значения эквивалентной температуры расчетного периода (табл. 3).

Таблица 1

Исходные данные для выбора трансформатора тяговой подстанции

(выбираются по первой цифре шифра)

Первая цифра шифра	Тип трансформатора	Первая цифра шифра	Тип трансформатора
0 1 2 3 4	ТДТНЭ-40000/110 ТДТН-25000/110 ТДТН-16000/110 ТДТН-40000/110 ТДТН-25000/110	5 6 7 8 9	ТДТН-16000/110 ТДТН-25000/110 ТДТН-40000/110 ТДТН-40000/110 ТДТН-25000/110

В задании предлагается многоступенчатый прямоугольный равноинтервальный график тяговой нагрузки (см. табл. 2). График дан для наиболее загруженной фазы, так как в соответствии с указаниями стандарта [1] расчет выполняется для этой фазы.

Таблица 2

Исходные данные для выбора средней почасовой нагрузки (вариант выбирается по второй цифре шифра)

Вариант нагрузки осенне-зимнего периода	Средняя почасовая нагрузка К	Вариант нагрузки весенне-летнего периода
0 – 1	1 – 2	2 – 3	3 – 4	4 – 5	5 – 6	6 – 7	7 – 8	8 – 9	9 – 10	10 – 11	11 – 12
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3	0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5	0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,5 0,4 0,3 0,3	0,5 0,6 0,7 0,6 0,7 0,8 0,7 0,6 0,5 0,8	1,3 1,4 1,5 1,4 1,5 1,5 1,5 1,3 1,2 1,5	0 0,1 0,2 0,6 0,8 0,9 0,8 0,5 0,4 1	0,1 0,2 0,3 0,2 0,5 0,6 0,7 0,8 0,7 0,6	0,8 0,4 0,3 0,2 0,4 0,5 0,6 0,1 0 0,3	1,5 0,6 0,5 0,6 0,2 0,3 0,4 0,2 0,3 0	0,3 1,4 0,3 0,4 0 0,1 0,2 0,4 0,5 0,1	0,5 0,4 1,3 0,4 0,1 0,2 0 0,6 0,7 0,5	0,2 0,1 0,2 1,3 0,3 0,4 0,4 0 0,2 0,7	9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

 

Окончание табл. 2

Исходные данные для выбора средней почасовой нагрузки (вариант выбирается по второй цифре шифра)

Вариант нагрузки осенне-зимнего периода	Средняя почасовая нагрузка К	Вариант нагрузки весенне-летнего периода
12 – 13	13 – 14	14 – 15	15 – 16	16 – 17	17 – 18	18 – 19	19 –2 0	20 – 21	21 – 22	22 – 23	23 – 24
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	0,8 0,7 0,6 0,7 1,4 0,5 0,4 0,3 0,4 0,2	0,7 0,6 0,5 0,6 0 1,1 0,2 0,2 0,6 0,3	0,3 0,2 0,1 0,2 0,2 0,1 1,3 0,5 0,4 0,8	0,9 0,8 0,7 0,8 0,5 0,4 0,4 1,0 0,8 0,7	0,2 0,3 0 0,1 0,6 0,5 0,6 0,7 1,5 0,6	1,1 1,2 1,3 1,4 1,3 1,2 1,5 1,5 1,3 1,0	0 0,1 0,2 0,3 1,5 0,7 0,9 0,3 0,4 0,2	0,5 0 0,3 1,5 0,7 1,5 0,7 0,2 0,1 0,3	0,3 0,4 1,5 0,8 0,6 0,5 1,2 0,5 0,3 0,5	0,1 1,2 0,1 0,2 0,5 0,4 0,1 1,4 0,5 0,4	1,2 0,3 0,2 0,7 0,4 0,3 0,3 0,3 1,5 0,1	0,7 0,6 0,3 0,5 0,2 0,1 0,2 0,2 0,6 1,3	9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

 

Таблица 3

Исходные данные для определения эквивалентной температуры

расчетного периода

Расчетный период	Температура расчетного периода, ºС, принимаемая по третьей цифре шифра
0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Осенне-зимний период	−10	−5	0	5	10	5	0	−5	−10	−5

Расчет относительного износа производится для суток осенне-зимнего (Fз) и весенне-летнего (Fл) периодов с использованием соответствующих токовых нагрузок и значений эквивалентной температуры охлаждающей среды.

Относительный износ межвитковой изоляции необходимо определять по каждому из интервалов нагрузки продолжительностью (в задании
= 1 ч). Затем по каждому интервалу следует вычислить по фор-мулам (7), (8), где значения и заменить значениями .

В результате расчета строится график (см. рис. 2).

Тогда относительный износ изоляции за год

(9)

В самостоятельной работе принимается неизменный график нагрузки трансформатора с момента включения его в работу, тогда фактический износ за прошедшее время работы трансформатора , лет, определяется по уравнению:

(10)

Если , то это означает, что ресурс трансформатора исчерпан.

Если , то остаточный ресурс

(11)

где – срок службы трансформатора при работе в номинальном режиме,
= 25 лет.

В самостоятельной работе для расчета принять: = 5 лет.

Расчет ресурса трансформатора выполняется в следующем порядке:

1) по формулам (5), (6) и (8) определяется в конце каждого интервала весенне-летнего графика нагрузки и строится график. Внутри каждого интервала принимается линейное изменение . Для первого интервала принять: = 55 ºС; = 23 ºС;

2) в каждом интервале нагрузки определяется среднее значение
(см. рис. 1, б);

3) вычисляется относительный износ на каждом интервале графика наг-рузки по формуле (2) и строится график этого износа (см. рис. 1, в);

4) определяется относительный износ изоляции за рассматриваемые сутки по формулам (3) и (4);

5) повторяются расчеты по п. 1 – 3 для осенне-зимнего графика нагрузки;

6) определяется относительный износ изоляции за год по формуле (9);

7) рассчитывается остаточный ресурс трансформатора по уравнению (11).

Библиографический список

1. ГОСТ 14209-85. Трансформаторы силовые масляные общего назначения. Допустимые нагрузки. М.: Издательство стандартов, 1985. 30 с.

2. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Издательство стандартов, 1997. 31с.

3. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей / НЦ «ЭНАС». М.: 2005. 304 с.

4. М а р к в а р д т электрифицированных железных дорог / К. Г. М а р к в а р д т. М.: Транспорт, 1982. 386 с.

5. Силовое оборудование тяговых подстанций железных дорог. М.: Трансиздат, 2004. 384 с.

6. М а е в с к и й показатели вентильных преобразователей / О. А. М а е в с к и й. М.: Транспорт, 1978. 320 с.

7. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог. М.: Трансиздат, 2002. 184 с.

8. Методика балльной оценки состояния контактной сети. М.: Транспорт, 2002. 24 с.