Сторінка 7 з 7
Нагрівання і старіння ізоляції
При роботі трансформатора частина споживаної ним енергії, що йде на компенсацію магнітних і електричних втрат, виділяється у вигляді тепла в осерді, обмотках і інших частинах трансформатора. Температура окремих частин трансформатора підвищується. Відмови проблеми нагріву залежать нормальна експлуатація трансформатора і питання старіння ізоляції. Старіння відбувається внаслідок тривалого впливу температури. Щоб забезпечити довговічність трансформатора при економічною його роботі, необхідно температуру окремих його частин підтримувати не вище певних значень.
У трансформаторобудуванні до цих пір одним з основних ізоляційних матеріалів залишаються просочена маслом папір, картон та інші тверді матеріали. Ця ізоляція але теплостойкости відноситься до класу А, який охоплює наступні групи матеріалів; просочені волокнисті матеріали з бавовняного паперу, целюлози і шовку, ізоляція емаль-проводів на основі масляних і поліаміднорезольних лаків. Застосовувані для трансформаторів ізоляційні матеріали знижують свої ізоляційні і механічні властивості при тривалому підвищенні температури, особливо понад визначену її величини. Перш за все це відноситься до паперової ізоляції.
За результатами досліджень, вперше розпочатим американським інженером Монсінгером, тривалість служби ізоляції класу А виражається залежністю
(74)
де з - температура ізоляції, ° С.
В і С мають розмірність часу. Для трансформаторів при В, вираженому в роках, С = 1,5-104. Чисельне значення величини б, що має розмірність, обернену температурі, для діапазону температур обмотки, що спостерігаються в експлуатації, приймають рівним 0,088. При цьому значенні b справедливо так зване 8-градусне правило: кожні 8 градусів перевищення температури ізоляції скорочують час її зносу удвічі. Дійсно, нехай
Ділячи останній вираз на рівняння (Y4) почленно, отримуємо
Найбільша температура, яку паперова ізоляція може довго витримувати в олії без істотного зниження своїх ізоляційних якостей, лежить в межах 95-105 ° С.
Теплові процеси в трансформаторі і рівняння нагріву
Трансформатор в тепловому відношенні є неоднорідне тіло. Теплові параметри металу обмотки, ізоляції та стали неоднакові. В осерді і обмотках трансформатора завдяки їх теплопровідності тепло передається від більш нагрітих внутрішніх частин до менш нагрітих і до зовнішніх поверхнях, відводить тепло.
У масляних трансформаторах сердечник разом з обмотками занурений в масло, рівень якого вище верхнього рівня сердечника. Масло, стикаючись з нагрітими обмотками і сердечником, сприймає їх тепло і, нагріваючись, піднімається до верхньої частини кожуха. Тут окремі потоки, омившіе обмотки і осердя, змішуються, і у верхньому шарі масло приймає температуру, загальну для всіх потоків. Стикаючись із стінками кожуха, масло віддає тепло навколишньому повітрю і, охолоджуючись, опускається уздовж стінок кожуха до нижніх частин. Таким чином, воно безперервно циркулює. Між обмотками і сердечником, з одного боку, і маслом - з іншого встановлюється певна різниця температур. Уздовж висоти трансформатора температура масла і інших його частин неоднакова.
Форма температурного поля в окремих частинах трансформатора при його нагріванні стабілізується досить швидко. Цим пояснюється той факт, що окремі частини трансформатора при нагріванні поводяться по відношенню до сусідніх частинах і зовнішньому середовищі як умовні однорідні в температурному відношенні тіла з температурою, що дорівнює середній температурі реального елемента (цієї частини). Однорідним вважається тіло, що володіє рівномірним розсіюванням тепла з усієї поверхні і нескінченної теплопровідністю, внаслідок чого всі точки тіла мають однакову температуру. Окремими елементами в трансформаторі вважаються сердечник, обмотки, масло, бак; при визначенні температури масла враховують і його температуру в верхньому шарі. З метою особливого спрощення за однорідне тіло іноді приймають трансформатор в цілому. До кожного елементу може бути застосована теорія нагріву однорідного твердого тіла. Процес нагріву може бути описаний диференціальним рівнянням, що виражає баланс теплової енергії в будь-який елементарний проміжок часу;
(75)
Тут Р - втрати, тобто кількість теплової енергії, що виділяється в розглянутому однорідному тілі в 1 сек, вт;
S - поверхня тепловіддачі, м2;
К - коефіцієнт тепловідведення - значення втрат, що відводяться з одиниці поверхні на кожен градус Цельсія усіма можливими способами відводу тепла - теплопровідністю, конвекцією і випромінюванням, Вт / (° С-м2);
0 - змінюється в часі перевищення температури тіла над температурою навколишнього середовища, ° С;
с - питома масова теплоємність тіла, тобто кількість теплової енергії, необхідне для того, щоб підвищити температуру одиниці маси тіла на Г С, вт • сек / (кг-° С); m - маса тіла, кг.
Як видно з рівняння (75), що виникає в тілі за елементарний проміжок часу тепло Pdt частково відводиться в навколишнє середовище, частково залишається в тілі і викликає підвищення його температури на dQ.
Після досягнення сталого перевищення температури 0ДО все виділяється тілом тепло відводиться охолоджуючої поверхнею, збільшення температури dQ звертається в нуль, отже, стає рівною нулю і теплова енергія, що викликає нагрівання тіла.
Рівняння (75) приймає наступний вигляд:
(76)
Допустимі перевищення температури
Для забезпечення певного терміну служби трансформатора температури окремих частин його обмежуються і нормуються відповідним стандартом. ГОСТ 11677-65 передбачає такі найбільші перевищення температури окремих частин заповненого маслом трансформатора:
обмотки (клас ізоляції А) 65 ° С при методі вимірювання по опору;
сердечника (на поверхні) 75 ° С при вимірюванні термометром;
масла (в верхніх шарах) 55 ° С при вимірюванні термометром.
Температура охолоджуючої середовища (повітря) при цьому приймається 40 ° С.
Ці найбільші перевищення температур не пов'язані з температурою охолоджуючої середовища в даний момент; вони дані ГОСТом з урахуванням коливань навантаження трансформатора і змінюється температури навколишнього середовища. Наприклад, робоча температура обмотки при цьому буде
тобто лише в окремі, порівняно деякі моменти збігу максимальних перевищень і температури навколишнього середовища вона буде граничною.
Тільки з огляду на це природна зміна, норми допускають зазначені вище значення найбільших перевищень температури над температурою навколишнього середовища. Це призводить до зміни температури частин трансформатора, необхідного для нормального терміну його служби, допускаючи перевантаження як в процесі роботи, так і аварійні. Величина перевантажень обмовляється у відповідних стандартах і інструкціях, що регламентують режими експлуатації трансформаторів.