ГОСТ 14209-97 Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов

ГОСТ 14209-97 (МЭК354-91)

РУКОВОДСТВОПО НАГРУЗКЕ СИЛОВЫХ
МАСЛЯНЫХТРАНСФОРМАТОРОВ

Межгосударственный Совет
по стандартизации, метрологии и сертификации

Минск

ПРЕДИСЛОВИЕ

1 РАЗРАБОТАНМТК 36; Открытым акционерным обществом «Украинский научно-исследовательскийпроектно-конструкторский и технологический институт трансформаторостроения» ОАО«ВИТ»

ВНЕСЕНГосударственным комитетом Украины по стандартизации, метрологии и сертификации

2 ПРИНЯТМежгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации(протокол № 11 от 23.04.1997 г.)

За принятиепроголосовали:

3Настоящий стандарт представляет собой полный аутентичный текст МЭК 354 (1991)«Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов» с дополнениями,набранными курсивом

4Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизациии метрологии от 02.04.2001 №158-ст Межгосударственный стандарт ГОСТ 14209-97введен в действие в качестве Государственного стандарта Российской Федерации с01.01.2002.

5 Взамен ГОСТ14209-85

СОДЕРЖАНИЕ

ГОСТ14209-97
(МЭК 354-91)

РУКОВОДСТВОПО НАГРУЗКЕ СИЛОВЫХ
МАСЛЯНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Дата введения 2002.01.01

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 Область применения

Настоящийстандарт распространяется на масляные трансформаторы, соответствующиетребованиям ГОСТ 11677. Стандарт содержит рекомендации по допустимым режимамнагрузок, превышающих номинальную мощность «трансформаторов в пределах установленныхограничений. Относительно печных трансформаторов, из-за особенностей их режимовнагрузки, следует пользоваться соответствующей консультацией у изготовителя.

1.2Назначение

В настоящемстандарте приведены указания по определению технически обоснованных режимовнагрузки силовых трансформаторов с точки зрения допустимых температур итермического износа. Даны рекомендации по эксплуатации трансформаторов снагрузкой, превышающей номинальное значение, и рекомендации для потребителей повыбору соответствующих номинальных величин и условий нагрузки вновьустанавливаемых трансформаторов.

Требования кпревышениям температуры масляных трансформаторов при постоянной номинальнойнагрузке и соответствующие испытания - по ГОСТ 3484.2. Следует отметить, что вГОСТ 3484.2 за основу принято среднее значение превышения температуры обмотки,тогда как в настоящем стандарте ссылаются, в основном, на температуру наиболеенагретой точки; указанные значения приводятся только как рекомендуемые.

В стандартеприводятся математические модели для оценки возможных последствий различныхрежимов нагрузки, циклических или систематических, при различных температурахохлаждающей среды. Эти модели включают методики расчета допустимой температурыв трансформаторе, в частности, температуры наиболее нагретой точки обмотки. Этатемпература, в свою очередь, используется для определения относительнойскорости термического износа.

Стандартсодержит также рекомендации по ограничению допустимых нагрузок в соответствии срезультатами расчета температуры. Настоящие рекомендации распространяются натрансформаторы различных категорий в зависимости от мощности и назначения, атакже учитывают режимы нагрузки: режим постоянных нагрузок, режимсистематических неаварийных нагрузок или режим кратковременных аварийныхнагрузок.

Длятрансформаторов малой мощности, называемых здесь распределительными, встандарте приведены графики определения циклических режимов нагрузки длязаданной температуры охлаждающей среды по отношению к номинальным условиямнагрузки при нормальной температуре для трансформаторов, соответствующих ГОСТ3484.2.

Длятрансформаторов большой мощности методы расчета температуры отличаются взависимости от вида охлаждения. Категория трансформаторов средней мощностивключает трехфазные двухобмоточные трансформаторы мощностью до 100 МВ×Аили эквивалентные им:

трансформаторыбольшей номинальной мощности (свыше 100 МВ×А) определены кактрансформаторы большой мощности. Для таких трансформаторов рекомендуетсявыполнять расчеты по значениям отдельных параметров, полученных при проведениитиповых испытаний. По изложенным в настоящем документе причинам рекомендуемыеограничения для этих двух категорий трансформаторов имеют незначительныеразличия.

Часть первая«Общие положения» включает определения, общие принципы, основные данные испециальные рекомендации по работе различных категорий трансформаторов.

Во второйчасти «Расчет температуры» представлены используемые математические модели.

В третьейчасти «Таблицы допустимых нагрузок» приведены результаты расчета в видеграфиков и таблиц для стандартных условий.

1.3 Определения

В настоящемстандарте приняты следующие определения:

1.3.1 Распределительный трансформатор

Трехфазный трансформаторноминальной мощностью не более 2500 кВ×А или однофазныйноминальной мощностью не более 833 кВ×А классов напряжениядо 35 кВ включительно, то есть понижающий трансформатор с раздельными обмоткамии напряжением распределительной сети, с охлаждением ON и без переключенияответвлений обмоток под нагрузкой.

1.3.2 Трансформатор средней мощности

Трехфазныйтрансформатор номинальной мощностью не более 100 МВ×А или однофазныйноминальной мощностью не более 33,3 МВ×А с раздельнымиобмотками, в котором сопротивление короткого замыкания  (в процентах)вследствие ограничений плотности потока рассеяния не превышает значения

где W - количество стержней;

 -номинальная мощность, МВ×А.

Эквивалентныйноминальный режим для автотрансформаторов определяется по приложению А.

1.3.3Трансформатор большой мощности

Трансформатормощностью более 100 МВ×А (трехфазный) или с предельным сопротивлениемкороткого замыкания, превышающим приведенное выше значение.

1.3.4 Режимциклических нагрузок

Режимнагрузки с циклическими изменениями (обычно цикл равен суткам), которыйопределяют с учетом среднего значения износа за продолжительность цикла. Режимциклических нагрузок может быть режимом систематических нагрузок или режимомпродолжительных аварийных перегрузок.

а) Режимсистематических нагрузок

Режим, втечение части цикла которого температура охлаждающей среды может быть болеевысокой и ток нагрузки превышает номинальный, однако с точки зрениятермического износа (в соответствии с математической моделью) такая нагрузкаэквивалентна номинальной нагрузке при номинальной температуре охлаждающейсреды. Это достигается за счет понижения температуры охлаждающей среды или токанагрузки в течение остальной части цикла.

При планированиинагрузок этот принцип может быть распространен на длительные периоды, в течениекоторых циклы со скоростью относительного износа изоляции более единицыкомпенсируются циклами со скоростью износа менее единицы.

б) Режимпродолжительных аварийных перегрузок

Режимнагрузки, возникающий в результате продолжительного выхода из строя некоторыхэлементов сети, которые могут быть восстановлены только после достиженияпостоянного значения превышения температуры трансформатора. Это не обычноерабочее состояние, и предполагается, что оно будет возникать редко, однакоможет длиться в течение недель или даже месяцев и вызывать значительныйтермический износ. Тем не менее такая нагрузка не должна быть причиной авариивследствие термического повреждения или снижения электрической прочностиизоляции трансформатора.

1.3.5 Режимкратковременных аварийных перегрузок

Режимчрезвычайно высокой нагрузки, вызванный непредвиденными воздействиями, которыепроводят к значительным нарушениям нормальной работы сети, при этом температуранаиболее нагретой точки проводников достигает опасных значений и в некоторыхслучаях происходит временное снижение электрической прочности изоляции. Однакона короткий период времени этот режим может быть предпочтительнее других. Можнопредполагать, что нагрузки такого типа будут возникать редко. Их необходимо повозможности быстрее снизить или на короткое время отключить трансформатор воизбежание его повреждения. Допустимая продолжительность такой нагрузки меньшетепловой постоянной времени трансформатора и зависит от достигнутой температурыдо перегрузки; обычно продолжительность перегрузки составляет менее получаса.

1.4Основные ограничения и воздействия режима нагрузок, превышающих номинальныезначения

1.4.1Воздействие режима нагрузок, превышающих номинальные значения

1.4.1.1Факторы, влияющие на срок службы

Действительныйсрок службы трансформатора в значительной степени зависит от исключительныхвоздействий, таких как перенапряжения, короткие замыкания в сети и аварийныеперегрузки. Вероятность безотказной работы при таких воздействиях, возникающихотдельно или в сочетании, зависит в основном от:

а)значительности (амплитуды и длительности) воздействия;

б) конструкциитрансформатора;

в) температурыразличных частей трансформатора;

г) содержаниявлаги в изоляции и масле;

д) содержаниякислорода и других газов в изоляции и масле;

е) количества,размера и вида частиц примесей.

Предполагаемыйнормальный срок службы - это некоторая условная величина, принимаемая длянепрерывной постоянной нагрузки при нормальной температуре охлаждающей среды иноминальных условиях эксплуатации. Нагрузка и (или) температура охлаждающейсреды, превышающие номинальную, вызывают ускоренный износ и заключают в себенекоторую степень риска. Целью настоящего стандарта и является определениестепени риска и установление некоторых ограничений режимов нагрузкитрансформаторов, превышающих номинальные значения.

Режим нагрузкитрансформатора, превышающей номинальное значение, приводит к следующему:

а) температураобмоток, отводов, соединений, изоляции и масла увеличивается и может превыситьдопустимые значения;

б) возрастаетплотность потока рассеяния вне магнитной системы, что в результате образованиявихревых токов вызывает больший нагрев металлических частей, охваченных этимпотоком;

в) сочетаниеосновного и добавочного потоков рассеяния ограничивает эксплуатационныевозможности магнитной системы при высокой индукции;

г) сизменением температуры изменяется содержание влаги и газа в изоляции и масле;

д) вводы,переключатели, концевые заделки кабеля и трансформаторы тока также подвергаютсяповышенным нагрузкам, что ограничивает возможности их применения.

Таким образом,с увеличением тока нагрузки и температуры возникает опасность преждевременногоотказа. Такая опасность может возникнуть немедленно или явиться следствиемобщего ухудшения состояния трансформатора в течение многих лет.

1.4.1.2 Опасность кратковременных воздействий:

а) основнойопасностью, вызывающей отказ трансформатора при кратковременных воздействиях,является снижение электрической прочности изоляции вследствие возможноговыделения пузырьков газа в местах с высокой электростатической напряженностью,т.е. в обмотках или соединениях.

В бумажнойизоляции пузырьки газа могут скапливаться при внезапном повышении критическогозначения температуры наиболее нагретой точки, равного для трансформаторов снормальным содержанием влаги приблизительно от 140 до 160 °С. С увеличениемконцентрации влаги эта критическая температура незначительно уменьшается.

Пузырьки газамогут также скапливаться на поверхности крупных металлических частей, нагретыхпотоком рассеяния, или выделяться при перенасыщении масла. Однако пузырькиобычно скапливаются в местах с низкой электростатической напряженностью идолжны перемещаться в места с более высокой электростатической напряженностьюдо того, как произойдет значительное снижение электрической прочности изоляции.

Допускаетсярезкое, до 180 °С, повышение температуры неизолированных металлических частей,находящихся в трансформаторном масле, но непосредственно не соприкасающихся сосновной органической изоляцией;

б) временноеухудшение механических свойств при повышенной температуре может снизитьстойкость трансформатора при коротком замыкании;

в) приповышении давления во вводах может произойти пробой вследствие утечки масла.Если температура изоляции превышает значение 140 °С, во вводах также можетпроисходить скопление газов;

г) прирасширении масла может произойти его перелив из расширителя;

д)переключение очень больших токов переключателем может быть опасным.

1.4.1.3Опасность длительных воздействий

а) приповышенной температуре скорость совокупного термического износа изоляциипроводников повышается. Если такое воздействие продолжается достаточно долго,может произойти сокращение действительного срока службы трансформатора,особенно если трансформатор подвергается коротким замыканиям сети;

б) приповышенной температуре может также повыситься скорость износа другихизоляционных материалов, а также проводников и некоторых механических частей;

в) при повышенныхтоке и температуре переходное сопротивление контактов переключающих устройствможет увеличиться и в конечном итоге вызвать недопустимый их перегрев;

г) уплотняющиематериалы в трансформаторе при повышенной температуре становятся болеехрупкими.

Опасностькратковременных воздействий обычно прекращается после снижения нагрузки донормальной, однако с точки зрения уровня надежности трансформатора она можетнанести более значительный ущерб, чем длительные воздействия.

Настоящийстандарт предусматривает одновременное ограничение нагрузочной способностикратковременными и длительными воздействиями. Таблицы и графики, приведенные встандарте, основаны на традиционных методах расчета предполагаемойдолговечности бумажной изоляции по механическим свойствам в зависимости отвремени и температуры, в то время как ограничения предельных температурнаиболее нагретой точки устанавливаются ввиду опасности немедленного отказа.

1.4.2 Мощностьтрансформатора

Чувствительностьтрансформатора к нагрузкам выше номинальных обычно зависит от мощности. Сувеличением мощности трансформатора наблюдается следующее:

а)увеличивается индуктивность рассеивания;

б)увеличиваются усилия короткого замыкания;

в)увеличивается поверхность изоляции с электростатической напряженностью;

г) сложнееопределяется достоверная температура наиболее нагретой точки.

Таким образом,трансформаторы большой мощности могут быть менее устойчивыми к перегрузкам, чемтрансформаторы меньшей мощности. Кроме того, выход из строя мощныхтрансформаторов влечет за собой более тяжелые последствия, чем отказтрансформаторов малой мощности.

С цельюсохранения возможно меньшей степени риска при ожидаемых перегрузках в настоящемстандарте рассматриваются три категории трансформаторов:

а)распределительные трансформаторы, для которых учитываются только температуранаиболее нагретой точки и термический износ;

б)трансформаторы средней мощности, для которых воздействия потока рассеяния неявляются критическими, однако должны учитываться различные виды охлаждения;

в) трансформаторыбольшой мощности, для которых воздействия потока рассеяния и последствия отказамогут быть значительными.

1.4.3Ограничения тока и температуры

При нагрузке,превышающей номинальную, рекомендуется не превышать предельные значения,приведенные в таблице1 и учитывать специальные ограничения, приведенные в 1.5-1.7.

Таблица 1 -Предельные значения температуры и тока для режимов нагрузки, превышающейноминальную

1.5 Специальные ограничения дляраспределительных трансформаторов

1.5.1 Ограничение мощности

В настоящем пунктерассматриваются распределительные трансформаторы мощностью не более 2500 кВ×А, определение которыхприведено в 1.3.1.

1.5.2 Ограничение тока итемпературы

Не следует превышать приведенныев таблице 1предельные значения тока нагрузки, температуры наиболее нагретой точки обмотоки температуры масла в верхних слоях. Для режимов кратковременных аварийныхперегрузок предельные значения температуры масла в верхних слоях и наиболеенагретой точки не установлены, так как на практике невозможно контролироватьпродолжительность аварийной перегрузки распределительных трансформаторов.Следует иметь в виду, что при температуре наиболее нагретой точки, превышающей140-160 °С, возможно выделение пузырьков газа, снижающих электрическуюпрочность изоляции трансформатора (см. 1.4.1.2. Опасностькратковременных воздействий).

1.5.3 Другие частитрансформатора

Работа трансформатора врежиме нагрузки, превышающей 1,5 номинального тока, помимо обмоток можетограничиваться некоторыми другими частями трансформатора, такими как вводы,концевые кабельные соединения, устройства переключения ответвлений обмоток исоединения. Причиной ограничения работы трансформатора может быть такжерасширение и давление масла.

Допустимыеперегрузки, рассчитанные для обмоток, не должны ограничиваться нагрузочнымихарактеристиками комплектующих трансформатор изделий.

1.5.4 Трансформаторывнутренней установки

Если трансформаторыпредназначены для внутренней установки, необходимо к значению номинальногопревышения температуры масла в верхних слоях внести поправку на окружающуюсреду. Такое дополнительное увеличение превышения температуры следуетопределять в основном при испытаниях трансформаторов (см. п. 2.7.6).

1.5.5Воздействия внешних факторов

Ветер, солнцеи дождь могут в определенной степени влиять на нагрузочную способностьраспределительных трансформаторов, но поскольку воздействие этих факторовнерегулярно, учитывать их нецелесообразно.

1.6 Специальные ограничения для трансформаторовсредней мощности

1.6.1Ограничения номинального режима

В настоящемпункте рассматриваются трехфазные трансформаторы номинальной мощностью не более100 MB×А,на которые распространяются ограничения по сопротивлению короткого замыкания,приведенные в 1.3.2.

1.6.2Ограничения тока и температуры

Не следуетпревышать приведенные в таблице 1 предельные значения тока нагрузки,температуры наиболее нагретой точки обмоток, температуры масла в верхних слояхи температуры металлических частей, соприкасающихся с изоляционным материалом.Кроме того, следует иметь в виду, что при температуре наиболее нагретой точки,превышающей 140-160 °С, возможно выделение пузырьков газа, снижающихэлектрическую прочность изоляции трансформатора (см. 1.4.1.2. Опасностькратковременных воздействий).

1.6.3 Другие части трансформатора и присоединенное оборудование

Кроме обмоток,работа трансформатора в режиме нагрузки, превышающей 1,5 номинального тока,может ограничиваться также возможностями других частей трансформатора, такихкак вводы, концевые кабельные соединения, устройства переключения ответвлений исоединения. Причиной ограничения работы трансформатора может быть такжерасширение и давление масла. Следует учитывать и характеристики такогоприсоединенного оборудования, как кабели, выключатели, трансформаторы тока ит.д.

Допустимыеперегрузки, рассчитанные для обмоток, не должны ограничиваться нагрузочнымихарактеристиками комплектующих трансформатор изделий.

1.6.4 Требования к стойкости при коротком замыкании

Во времяработы в условиях нагрузки, превышающей номинальную, или непосредственно послетакой работы трансформаторы могут не удовлетворять требованиям ГОСТ 11677 ктермической стойкости при коротком замыкании, допускающем длительность токовкороткого замыкания 2с. Однако в большинстве случаев в условиях эксплуатациидлительность тока короткого замыкания меньше 2с.

1.6.5 Ограничения напряжения

Если нетдругих ограничений для регулирования напряжения с изменяемым потоком (ГОСТ11677), то прикладываемое напряжение не должно превышать 1,05 номинальногонапряжения (основное ответвление) или напряжения ответвления (другиеответвления) на любой обмотке трансформатора.

1.7 Специальные ограничения для трансформаторовбольшой мощности

1.7.1 Общие положения

Длятрансформаторов большой мощности следует учитывать дополнительные ограничения,связанные, в основном, с сильными потоками рассеяния. В связи с этимцелесообразно указывать при заказе трансформатора или по запросу нагрузочнуюспособность трансформаторов специального назначения (см. приложение С).

Метод расчетатермического износа изоляции для всех трансформаторов одинаков. Однакорекомендуется выполнять машинный расчет по фактическим тепловым характеристикамкаждого индивидуально рассматриваемого трансформатора, а не использовать данныетаблиц допустимых нагрузок, приведенных в разделе 3.

Существующийуровень знаний, требования высокой надежности трансформаторов большой мощности,связанные с последствиями их повреждения, а также приведенные ниже положенияобуславливают более консервативный и более индивидуальный подход крекомендациям для этих трансформаторов, чем для трансформаторов меньшеймощности:

а) сочетаниепотока рассеяния и главного намагничивающего потока в стержнях или ярмахмагнитной системы обусловливает значительную подверженность трансформаторовбольшой мощности перевозбуждениям, особенно в условиях перегрузки;

б)последствия ухудшения механических свойств изоляции под воздействиемтемпературы и времени, включая износ, вызванный тепловым расширением, длятрансформаторов большой мощности могут быть более значительными;

в)температура наиболее нагретой точки обмоток не может быть определена приобычном испытании на нагрев. Даже если при таком испытании номинальным током непоявляется никаких отклонений от нормы, сделать заключение о последствиях приболее высоких токах нельзя, эта экстраполяция не учитывается приконструировании трансформаторов;

г)рассчитанные по результатам испытаний на нагрев номинальным током значенияпревышения температуры наиболее нагретой точки обмоток для токов, превышающихноминальный, для трансформаторов большой мощности могут быть менеедостоверными.

1.7.2Ограничения тока и температуры

Не следуетпревышать приведенные в таблице 1 предельные значения тока нагрузки,температуры наиболее нагретой точки обмоток, температуры масла в верхних слояхи температуры металлических частей, соприкасающихся с изоляционным материалом.Кроме того, следует иметь в виду, что при температуре наиболее нагретой точки,превышающей 140-160 °С, возможно выделение пузырьков газа, снижающихэлектрическую прочность изоляции трансформатора (см. 1.4.1.2. Опасностькратковременных воздействий).

1.7.3 Другиечасти трансформатора и присоединенное оборудование

По 1.6.3

1.7.4Требования к стойкости при коротком замыкании

По 1.6.4

1.7.5Ограничения напряжения

По 1.6.5

2 РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ

2.1 Условные обозначения

2.1.1Основные условные обозначения

А - амплитуда годового изменения среднесуточнойтемпературы 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 кноминальному току);

L - относительный износза 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 стержнейостова;

g - разность температур обмотки и масла, °С;

j - месяц года(используется при расчете износа и температуры наиболее нагретой точки на целыйгод);

t -продолжительность нагрузки на прямоугольном графике нагрузки;

z - сопротивлениекороткого замыкания, %;

 -температура, °С;

 -тепловая постоянная времени;

ON - обозначает видыохлаждения ONANили ONAF,

OF - обозначает видыохлаждения OFAFили OFWF,

OD - обозначает видыохлаждения ODAFили ODWE.

2.1.2 Приставки

∆- превышение температуры (по отношению к температуре охлаждающей среды).

2.1.3Показатели степени

х - показатель степени суммарных потерь при расчете превышениятемпературы масла;

у - показатель степени коэффициента нагрузки при расчете превышениятемпературы обмотки;

^′ -относится к температуре наиболее нагретой точки для вида охлаждения OD.

2.1.4 Индексы(общие)

E - соответствуетэквивалентной температуре охлаждающей среды;

M- соответствует температуре охлаждающей среды при расчете наиболее нагретойточки;

W - соответствует обмотке;

a -соответствует охлаждающему воздуху (температуре);

h -соответствует наиболее нагретой точке (температуре);

m- соответствует коэффициенту, используемому при расчете максимальнойтемпературы наиболее нагретой точки;

о - соответствует маслу;

r- обозначает номинальное значение (если применяется, то всегда ставитсяпоследним);

t- соответствует температуре или превышению температуры в момент времени t,

у -соответствует ежегодному значению.

2.1.5Специальные индексы для температуры масла (если применяется один из этихиндексов, то всегда ставится первым)

i - масло внутри обмоток,в верхних слоях;

1т -средняя температура масла в обмотках;

b - масло в нижней частибака, 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 - начальнаятемпература масла в нижней части бака;

bu - максимальнаятемпература масла в нижней части бака.

2.2 Непосредственное измерение температуры наиболеенагретой точки

Наиболеезначительным ограничением перегрузки трансформатора является температуранаиболее нагретой точки обмотки: необходимо стремиться к тому, чтобы с возможнобольшей точностью определять эту температуру. В настоящее время начинаютпостепенно выполнять непосредственное ее измерение (оптическими волоконнымисветопроводами с датчиками или другими приборами аналогичного назначения).Такие измерения должны улучшить оценку температуры наиболее нагретой точки посравнению с методами расчета, приведенными в п. 2.4.

2.3 Расчетные тепловые характеристики

2.3.1Принятые упрощения

Следует иметьв виду, что формулы, приведенные в настоящем стандарте, основаны на рядеупрощений. Приведенная на рисунке 1 схема распределения температуры являетсяупрощением более сложной действительной картины распределения температуры.Итак, приняты следующие упрощения:

а)температура масла внутри обмоток повышается линейно от нижней части к верхнейнезависимо от вида охлаждения;

б) превышениетемпературы проводника увеличивается линейно по высоте обмотки и параллельнопревышению температуры масла с постоянной разностью g между двумя прямыми линиями (g - разностьмежду превышением средней температуры, измеренной методом сопротивления, ипревышением средней температуры масла);

в) превышениетемпературы наиболее нагретой точки должно быть выше превышения температурыпроводника в верхней части обмотки, как показано на рисунке 1, поскольку необходимоучесть увеличение дополнительных потерь. Для учета этих нелинейностей заразность температур наиболее нагретой точки и масла в верхней части обмоткипринято обозначение Нg. Коэффициент Нможет иметь значения от 1,1 до 1,5 в зависимости от мощности трансформатора,сопротивления короткого замыкания и конструкции обмотки. При построенииграфиков и составлении таблиц раздела 3 настоящего стандарта дляраспределительных трансформаторов использовано значение 1,1, длятрансформаторов средней и большой мощности - 1,3.

2.3.2 Температура масла в верхних слоях, измеренная во времяиспытания, отличается от температуры масла, вытекающего из обмотки. Этаразность особенно заметна в течение неустановившегося режима в результатевнезапного появления нагрузки большой амплитуды. Фактически масло в верхнихслоях представляет собой смесь различных потоков масла, которые циркулируютвдоль и (или) снаружи разных обмоток.

Рисунок1 - Схема распределения температуры

Разностьмежду главными обмотками при охлаждении ON обычно незначительна. Для любой обмотки за температурумасла на выходе из обмотки принимается температура смеси масла в верхней частибака.

Затемпературу масла на выходе из обмотки при видах охлаждения OF и OD принимается температура масла внижней части обмоток плюс удвоенная разность средней температуры масла в среднейчасти рассматриваемой обмотки и температуры масла в нижней части обмотки.

В силуразличий в распределении потоков масла разные виды охлаждений следуетрассматривать отдельно. Предполагается, что в трансформаторах с охлаждением ОNи OF циркуляция масла вобмотке 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 OFи OD (среднюю температуру масла следуетопределять наилучшим из известных методов, так как от этого непосредственнозависит расчет температуры наиболее нагретой точки. В ГОСТ 3484.2 приведен рядметодов определения значения, используемого только при расчете некоторыхпоправок на превышение средней температуры обмотки. В настоящем стандартеиспользован в основном альтернативный метод (см. приложение В)определения средней температуры масла по результатам испытаний.

2.3.4 Поскольку тепловая постоянная времени обмоток обычнонебольшая (от 5 до 10 мин), она оказывает на температуру наиболее нагретойточки только ограниченное влияние даже при повышенных кратковременныхперегрузках. Продолжительность самой кратковременной перегрузки по таблицамдопустимых нагрузок настоящего стандарта равна 30 мин (раздел 3);при расчетах значение тепловой постоянной времени принимают равным нулю.

2.3.5 Длярасчета 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 непосредственныхизмерений температуры наиболее нагретой точки или температуры масла на выходе изобмоток (при отсутствии непосредственного измерения наиболее нагретой точкикоэффициент наиболее нагретой точки N может быть сообщен только изготовителем);

б)результатов обычного испытания на нагрев;

в) значенийпревышения температуры при номинальном токе.

В таблице 2приведены тепловые характеристики, которые использовались при составлениитаблиц допустимых нагрузок раздела 3 настоящего стандарта. Следует отметить,что если для трансформаторов большой мощности превышение средней температурыобмотки при номинальном токе равно 65 °С для видов охлаждения ОN и OF и 70 °С - для вида охлаждения OD, то в зависимости отконструкции трансформатора превышение температуры наиболее нагретой точки приноминальном токе может составлять более 78 °С.

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

¹⁾ Для видов охлаждения ONзначения  принимают равным

2.4Расчет температуры в установившемся тепловом режиме

2.4.1 Видохлаждения ON

Для видаохлаждения ONмаксимальная температура наиболее нагретой точки при любой нагрузке Кравна сумме температуры охлаждающей среды, превышения температуры масла вверхних слоях и разности температур наиболее нагретой точки и масла в верхнихслоях

                                     (1)

2.4.2 Видохлаждения OF

Для видаохлаждения OFметод расчета основан на температуре масла в нижней и средней частях обмотки исредней температуре масла, как указано в 2.3.2. Таким образом,максимальная температура наиболее нагретой точки при любой нагрузке Кравна сумме температуры охлаждающей среды, превышения температуры масла внижней части обмотки, разности температур масла на выходе из обмотки и в нижнейчасти, а также разности температур наиболее нагретой точки и масла на выходе изобмотки

                 (2)

2.4.3 Вид охлаждения OD

Для видаохлаждения OD метод расчета, в основном, такой же, как и для вида охлажденияOF, заисключением того, что к значению , добавляется поправка на изменение омического сопротивленияобмоток от температуры

 (приК>1)                                            (3)

где  рассчитывают по формуле (2) без учетавлияния изменений омического сопротивления;

 -температура наиболее нагретой точки при номинальной нагрузке. Для полученияболее точных результатов следует обращаться за консультацией к изготовителю.

2.4.4Поправки к формулам расчета

При расчетемаксимальной температуры наиболее нагретой точки по приведенным выше формуламтеоретически возможно вводить различные поправки, например, на изменение взависимости от температуры:

а)нагрузочных потерь;

б) отношенияомических потерь и потерь на вихревые токи в обмотке;

в) вязкостимасла.

Для видовохлаждения ON и OF изменение вязкости приизменении температуры компенсируется изменением сопротивления обмоток. Внастоящем стандарте эти два явления не принимаются во внимание.

Для видаохлаждения OD влияние вязкости масла на превышение температурынезначительно. Следует учитывать изменение омического сопротивления, например,введением поправки в формулу (3).

2.5 Расчет температуры в неустановившемся тепловомрежиме

Любоеизменение режимов нагрузки рассматривается как ступенчатая функция.Прямоугольный график нагрузки, используемый при составлении таблиц раздела 3настоящего стандарта, состоит из одной ступени, направленной вверх, и черезнекоторое время одной ступени, направленной вниз. Для непрерывно изменяющейсянагрузки ступенчатая функция применяется к меньшим интервалам времени, а длярасчета температуры наиболее нагретой точки требуется программа машинногорасчета (см. 2.8).

Превышениетемпературы масла (например, в нижней части) в конце интервала времени t определяют по формуле

где    - начальное превышениетемпературы масла в нижней части;

        -установившееся превышение температуры масла в нижней части при нагрузке,прикладываемой в течение этого интервала времени;

            - постоянная времени масла.

При любомизменении нагрузки разность температур обмотки и масла изменяется и достигаетнового значения с характерной постоянной времени обмотки. В соответствии спричинами, приведенными в 2.3.4, эта постоянная не принимается в расчет.Принимается, что значение коэффициента нагрузки К^y в последнемвыражении формулы (1) и двух последних выражениях формулы (2) мгновенно достигает нового значения.

2.6 Термический износ изоляции трансформатора

2.6.1 Закон термического износа

Кроме всехдругих воздействий, которыми можно было бы пренебречь, изоляция подвергаетсятермохимическому износу. Этот процесс является кумулятивным и приводит кнедопустимому ее состоянию по некоторым критериям. Согласно закону Аррениуса,период времени до достижения этого состояния в зависимости от скоростихимической реакции выражается формулой

Срок службы = е^(α+β/T),                                                      (5)

где α иβ          - постоянные;

T          - абсолютная температура.

Дляограничения диапазона температуры можно пользоваться более простымэкспоненциальным отношением Монтсингер

Срок службы = е,                                                       (6)

где       Р         -постоянная;

         -температура, °С.

Примечание. В настоящем стандартеиспользуется отношение Монтсингер, которое, по приведенному выше определению,является упрощением основного, используемого в других руководствах по нагрузке,закона Аррениуса относительно термохимического износа. Для рассматриваемого внастоящем стандарте диапазона температур использование отношения Монтсингерсчитается достаточным и, в сущности, дает оценку термического износа с запасомпрочности.

Покане существует единственного и простого критерия окончания срока службы, которыймог бы быть использован для количественной оценки полезного срока службыизоляции трансформатора, однако можно сделать сравнения, основанные на скоростиизноса изоляции. Это величина, обратная сроку службы, выражаемая отношениемМонтсингер

Скорость износа =постоянная × е.

Значениепостоянной в этом уравнении зависит от многих факторов: первоначального составацеллюлозных продуктов (смесь исходных материалов, химические добавки) ипараметров окружающей среды (содержание влаги, свободного кислорода в системе).

Однаконезависимо от этих изменений в интервале температуры от 80 до 140 °С,соответствующей реальным условиям, коэффициентом изменения температурыдопускается принимать постоянное значение Р. При определении егозначения учитывают тот факт, что скорость износа удваивается при каждом изменениитемпературы приблизительно на 6 °С; такое значение принято в настоящемстандарте.

Скоростьизноса определяется температурой наиболее нагретой точки. Для трансформаторов,соответствующих требованиям ГОСТ 11677, эталонное значение этой величины приноминальной нагрузке к нормальной температуре охлаждающей среды принимаетсяравным 98 °С. В настоящем стандарте относительная скорость износа при этойтемпературе принимается равной единице.

Во многихтрансформаторах применяется термически высококачественная изоляция. Поскольку вГОСТ 3484.2 этот вид изоляции для масляных трансформаторов не рассматривается,то допустимые пределы превышения температуры, обусловленные улучшениемтермической стойкости изоляции, устанавливаются по согласованию между изготовителеми потребителем. В большинстве случаев трансформаторы с такой изоляцией имеютнормальный предполагаемый срок службы при базовой температуре наиболее нагретойточки 110 °С.

2.6.2 Относительная скорость термического износа изоляции

Длятрансформаторов, отвечающих требованиям ГОСТ 11677, относительная скоростьтермического износа изоляции принята равной единице для температуры наиболеенагретой точки 98 °С, что соответствует работе трансформатора при температуреохлаждающей среды 20 °С и превышению температуры наиболее нагретой точки 78 °С.Относительная скорость износа определяется по формуле

.                             (7)

Из данных, приведенных ниже, следует, что эта формула содержитзначительную зависимость относительной скорости износа изоляции от температурынаиболее нагретой точки:

2.6.3Расчет сокращения срока службы

Сокращениесрока службы, вызванное месячной, суточной или часовой нагрузкой притемпературе наиболее нагретой точки 98 °С, выражается «нормальными» месяцем,сутками или часами.

Если нагрузкаи температура охлаждающей среды постоянны в течение определенного периодавремени, то относительное сокращение срока службы равно Vt, где t - рассматриваемый период времени.То же самое относится к постоянному режиму нагрузки при изменяющейсятемпературе охлаждающей среды, если при этом используется базовое значениетемпературы охлаждающей среды (см. 2.7).

Обычно, когдаизменяется режим нагрузки и температура охлаждающей среды, относительнаяскорость сокращения срока службы изменяется во времени. Относительный износизоляции (или относительное сокращение срока службы) в течение определенногопериода времени составит

                                                     (8)

где      п - порядковыйномер интервала времени;

N - общее количество равных интервалов времени.

2.7Температура охлаждающей среды

2.7.1 Общиеположения

Длятрансформаторов наружной установки с воздушным охлаждением за температуруохлаждающей среды принимается действительная температура воздуха. Дляраспределительных трансформаторов внутренней установки поправка на температуруохлаждающей среды приведена в 2.7.6. Для трансформаторов с водяным охлаждениемза температуру охлаждающей среды принимается температура воды на входе втеплообменник, которая во времени изменяется меньше, чем температура воздуха.

Приперегрузке продолжительностью более нескольких часов следует учитыватьизменение температуры охлаждающей среды. По желанию потребителя эти измененияможно учитывать при помощи одного из следующих методов:

а)использовать для расчета термического износа изоляции эквивалентную температуруохлаждающей среды; для расчета максимальной температуры наиболее нагретой точкииспользовать эквивалентную температуру охлаждающей среды и среднее значениемесячных максимумов (2.7.2 и 2.7.5);

б)допускается непосредственно использовать кривую изменения фактическойтемпературы (2.7.4);

в)допускается получить приблизительное значение изменяющейся температурыохлаждающей среды при помощи двойной синусоидальной функции (2.7.5).

2.7.2 Эквивалентная температура охлаждающей среды

Если температураохлаждающей среды заметно изменяется при перегрузках, в тепловом расчетеследует использовать ее эквивалентное значение, так как оно будет большесреднеарифметического значения.

Эквивалентнаятемпература охлаждающей среды - это условно постоянная температура, которая втечение рассматриваемого периода времени вызывает такой же износ изоляции, каки изменяющаяся температура охлаждающей среды за такой же промежуток времени(сутки, месяц или год).

Если сувеличением температуры на 6 °С скорость износа изоляции удваивается и можнопредположить, что изменение температуры охлаждающей среды происходит посинусоидальной форме, то эквивалентную температуру охлаждающей среды определяютпо формуле

                                                     (9)

где                  - средняятемпература;

      -отклонение температуры за рассматриваемый период (разность средних значениймаксимума и минимума).

Поправочныйкоэффициент на среднюю температуру может быть также определен по кривой,изображенной на рисунке2, который является иллюстрацией приведенной выше формулы.

Рисунок 2 - Поправка на среднюю температуру дляполучения эквивалентной температуры

2.7.3Температура охлаждающей среды для расчета наиболее нагретой точки

Эквивалентнаятемпература охлаждающей среды может быть использована для расчета термическогоизноса изоляции, но не может быть использована для контроля максимальнойтемпературы наиболее нагретой точки в период перегрузки. Для такого контролярекомендуется принимать среднее значение месячных максимумов. Использованиеабсолютного максимума не считается целесообразным вследствие малой вероятностиего появления и влияния тепловой постоянной времени.

2.7.4 Непрерывно изменяющаяся температура охлаждающей среды

Если расчеты износа изоляции и температурынаиболее нагретой точки производятся для нагрузки продолжительностью,превышающей номинальное значение на несколько суток, то использованиепредусмотренной на этот период реальной кривой изменения температуры может бытьболее приемлемым. В таком случае кривая изменения температуры охлаждающей средыдолжна быть представлена рядом отдельных значений, соответствующих интервалувремени, выбранному для определения изменения нагрузки.

2.7.5 Синусоидальное изменение температуры охлаждающей среды

Длявычислений, проводимых на многие сутки или месяцы наперед, более удобнорассматривать температуру охлаждающей среды, представляемую двумясинусоидальными функциями (первая характеризует годичное, вторая - суточноеизменение температуры)

        (10)

где   - среднегодоваятемпература охлаждающей среды, °С;

А - амплитуда годового изменения среднесуточной температурыохлаждающей среды, °С;

В -амплитуда суточного изменения для расчета скорости износа изоляции, °С;

 -амплитуда суточного изменения для расчета максимальной температуры наиболеенагретой точки, °С;

ДХ -самый жаркий день в году;

ТХ -самое жаркое время суток;

cутки - порядковый номер сутокс начала года (например, 1 февраля = 32);

час - времясуток (например, 13 ч 15 мин = 13,25).

Расчет этихпараметров производят по отдельной программе, приведенной в приложении D,введением четырех типичных значений температур для каждого месяца года.

2.7.6 Поправка натемпературу охлаждающей среды для трансформаторов внутренней установки

Трансформатор,предназначенный для установки в помещении, подвергается дополнительномуперегреву, значение которого составляет около половины значения превышениятемпературы воздуха в этом помещении. Испытания показали, что дополнительныйперегрев масла в верхних слоях изменяется под действием тока нагрузкиприблизительно так же, как изменяется превышение температуры в верхних слоях.

Для трансформаторов,установленных в металлическом или бетонном помещении, можно использовать формулу (1), заменив , на :

где  - дополнительныйперегрев масла в верхних слоях при номинальной нагрузке. Этот дополнительныйперегрев рекомендуют определять во время испытаний, однако если результатытаких испытаний отсутствуют, допускается в качестве справочных использоватьзначения, приведенные в таблице 3. Приблизительное значениедополнительного перегрева масла в верхних слоях получают делением значений,приведенных в таблице3, на два.

Таблица 3 - Поправки на температуруохлаждающей среды для трансформаторов внутренней установки

2.8Программа машинного расчета

2.8.1Логическая схема

Расчеткоэффициентов нагрузки применительно к данному трансформатору при заданномграфике нагрузки с учетом изменения температуры охлаждающей среды, заданногоограничения температуры наиболее нагретой точки и износа производится методомитерации, при выполнении которого необходимо использование компьютера.Логическая схема такого метода итерации, включающая основные принципы,установленные настоящим стандартом, показана на рисунке 3.

Подобныйметод итерации используется при выборе проектировщиком номинальных значенийпараметров для новых трансформаторов, если известны режимы нагрузки итемпература охлаждающей среды.

Программа должнабыть составлена таким образом, чтобы потребитель смог ввести исходные тепловыехарактеристики трансформатора, график нагрузки на заданный период, характеризменения температуры охлаждающей среды на этот период, а также необходимые, поего мнению, специальные ограничения температуры и износа.

Максимальнуютемпературу наиболее нагретой точки и относительный износ рассчитывают длязаданного графика нагрузки. Если максимальная температура не превышена и износниже принятого предельного значения, расчет повторяют при увеличенном значениимножителя F, применяемогок каждой отдельной нагрузке К₁ К₂,..., К_n через постоянныеинтервалы времени t₁,t₂...,.t_n. Множитель Fповышают ступенями на 1 % для каждой итерации до тех пор, пока не будетдостигнут один из пределов. Если при начальном расчете относительный износбольше принятого значения, расчет повторяют, используя уменьшенное до 2 %значение F.

Увеличение намножитель нагрузки и допуски на предельную температуру могут быть выбраныпо-разному, в зависимости от типа трансформатора и параметров нагрузки.Составителю программы следует учитывать, что при температуре наиболее нагретойточки в пределах от 100 до 140 °С с увеличением коэффициента нагрузки на 2 %максимальная температура наиболее нагретой точки увеличивается более чем на 2°С, а относительный износ приблизительно на 25 %.

Следуетпринимать такие допуски, чтобы избежать колебания результатов, обеспечивая приэтом достаточную точность. При проверке программы с примерами, приведенными в таблицах 4и 5,желательно получить более высокую точность, уменьшая эти допуски.

При расчетеможет быть использован не только метод итерации, но и другие альтернативныеметоды, если они дают аналогичные результаты.

2.8.2 Примерырасчета

Для того,чтобы показать диапазон значений входных и выходных данных и дать возможностьпотребителю проверить свою программу, в таблицах 4 и 5приведены примеры расчета.

В первомпримере (таблица4) приведен простой расчет нагрузки за одни сутки с постояннойтемпературой охлаждающей среды и простым графиком нагрузки.

Второй пример(таблица 5)является расчетом нагрузки за целый год с тремя различными графиками нагрузки втечение года и температурой охлаждающей среды, представленной двойнойсинусоидальной функцией.

Рисунок 3 - Логическая схема программы машинного расчета коэффициента допустимойнагрузки

Продолжение рисунка 3

Окончание рисунка 3

Таблица 4 - Данные для расчетанагрузки за одни сутки при постоянной эквивалентной температуре охлаждающейсреды

*** Ввод (1) *** Номинальные характеристикии данные трансформатора

категория трансформатора:распределительный;

видохлаждения: ONAN

*** Ввод (2) *** Заданный график нагрузки

*** Ввод (3) *** Данные температурыохлаждающей среды

*** Ввод (4) ***Ограничения по температуре и нагрузке

*** Вывод ***

Таблица5 - Данные для расчета нагрузки на полный год при температуре охлаждающейсреды, определяемой методом двух синусоид, и по трем различным графикамнагрузки

*** Ввод (1) ***Номинальные характеристики и данные трансформатора

категориятрансформатора: распределительный;

вид охлаждения: ONAN

*** Ввод (2) ***Заданный график нагрузки

17/4* - 17 апреля

*** Ввод (3) *** Данныетемпературы охлаждающей среды

*** Ввод (4) ***Ограничения температуры и нагрузки

*** Вывод ***

Относительный износ за год L= 0,706 отн. ед.

Относительныйизнос за период L (1) = 0,237 отн. ед.

Относительный износ запериод L (2) = 1,160 отн. ед.

Относительный износ за период L (3) = 0,266отн. ед,

3 ТАБЛИЦЫ ДОПУСТИМЫХНАГРУЗОК

3.1 Ограничения, принятые в таблицах допустимыхнагрузок

В настоящей части приведеныдопустимые режимы нагрузок различных типов трансформаторов. Данные таблиц и рисунков 3.2-3.4рассчитаны по формулам, приведенным в 2.4-2.6, и с использованиемтепловых характеристик трансформатора (таблица 2).

Не следует ожидать высокойточности от кривых на рисунках и данных таблиц из-за принятых необходимыхдопущений:

а) суточное изменениенагрузки представлено упрощенным и двухступенчатым графиком (рисунок 4);

б) используемые при расчететепловые характеристики (указанные в таблице 2) могут несоответствовать характеристикам рассматриваемого трансформатора;

в) температура охлаждающейсреды за всю продолжительность графика нагрузки (24 ч) принимается постоянной;

г) нецелесообразно учитыватьпри расчете поправочный коэффициент на изменение сопротивления обмоток оттемпературы (2.4.3)в таблицах, в которых значения не зависят от температуры охлаждающей среды.Вместо него для трансформаторов с охлаждением OD этот поправочныйкоэффициент заменен следующим

                                                   (12)

Потребителямнастоятельно рекомендуется делать свои собственные расчеты на основе более точныхтепловых характеристик и использовать более реальный график нагрузки.

3.2 Метод преобразования реальных суточных графиковнагрузки в эквивалентные им суточные двухступенчатые прямоугольные графики

3.2.1 О пользованиируководством

Для того, чтобы пользоватьсярисунками и таблицами, приведенными в 1.4 и 3.5, необходимо преобразоватьсуточный график нагрузки в упрощенный двухступенчатый в соответствии с рисунком 4.К₁ и К₂ - ступени нагрузки, где К₂ -максимум нагрузки. Продолжительность максимума нагрузки - t часов.Методы определения этой продолжительности для прямоугольного графика нагрузкизависят от некоторых факторов; в 3.2.2, 3.2.3 и 3.2.4приведены рекомендуемые методы для различных видов реальных графиков нагрузки.

Если эквивалентностьдвухступенчатого графика нагрузки вызывает сомнение, следует сделать несколькодопущений и принять график с наибольшим запасом.

Пример упрощенногоприменения руководства по нагрузке силовых масляных трансформаторов приведено вприложенииЕ.

Рисунок 4 - Эквивалентныйдвухступенчатый график нагрузки

3.2.2 График нагрузки с одним максимумом

В этом случаезначение t следуетопределять, как показано на рисунке 5.

Для участкаграфика нагрузки без максимума значение К₁ определяют каксреднее значение нагрузки без максимума.

Рисунок 5 - График нагрузки с одним максимумом

3.2.3 График нагрузки с двумя максимумами равной амплитуды, норазличной продолжительности

При двухмаксимумах примерно равной амплитуды, но различной продолжительности значение t определяют для максимумабольшей продолжительности, а значение К₁ должносоответствовать среднему значению оставшейся нагрузки.

Примерграфика нагрузки представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 - График нагрузки с двумя максимумами равной амплитуды и различнойпродолжительности

3.2.4 График нагрузки с последовательными максимумами

Если графикнагрузки состоит из нескольких последовательных максимумов, значение t принимают достаточнойпродолжительности, чтобы охватить все максимумы, а значение К₁должносоответствовать среднему значению оставшейся нагрузки, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7 - График нагрузки с последовательными максимумами

3.3 Нормальный продолжительный режим нагрузки

Если токнагрузки в течение некоторого времени значительно не изменяется, допускаетсяиспользовать постоянный эквивалентный ток нагрузки. Значения приемлемогокоэффициента нагрузки К = К₂₄для продолжительного режима при различных температурах охлаждающей средыприведены в таблице6.

Таблица 6 - Допустимый коэффициент нагрузки для продолжительного режима K₂₄ при различных температурах охлаждающей среды (охлаждение ONAN, ON, OF и OD)