Тепловая защита трансформатора температура срабатывания

Тепловая защита трансформатора

Тепловая защита трансформатора – это одна из разновидностей технологических защит силового трансформатора, которая предохраняет его от аварийного перегрева.

Даже незначительный перегрев изоляции трансформатора является причиной сильного сокращения рабочего ресурса. По этой причине все силовые трансформаторы комплектуют тепловой защитой.

В силовых масляных трансформаторах ТМГ, ТМ, ТМН тепловая защита реализована на базе термопары, которую располагают внутри силового бака верхней его части. Для сухих трансформаторов ТСЛ используют термопары, которые устанавливают в толще изоляции обмотки.

В большинстве случаев защиту от перегрева выполняют двухступенчатой:

1. первая ступень сигнализирует об опасном повышении температуры,
2. вторая отключает трансформатор от питающего напряжения

На всех современных трансформаторах в обязательном порядке присутствует тепловая защита, независимо от его конструкции.

Измерение температуры термопарами

Принцип работы тепловой защиты трансформатора заключается в измерение температуры термопарами представляет большое удобство при проведении испытаний на нагрев, главным образом в тех случаях, когда возникает необходимость в определении температур отдельных точек конструкции трансформатора.

При помощи термопары может быть измерена температура не только на поверхности магнитопровода, но и в любой точке внутри его. Может быть также измерена наибольшая температура обмотки с помощью термопары, установленной в месте предполагаемого наибольшего нагрева обмотки. Можно сказать, что для измерения температуры термопарой недоступных мест нет. Но вместе с тем измерение термопарами бывает часто связано и с большими затруднениями, которые вызываются наличием в трансформаторах высокого напряжения. Поэтому установка термопар в обмотке и других узлах, находящихся под напряжением, не всегда возможна, так как она связана с опасностью для обслуживающего персонала во время испытания трансформатора.

Термопары могут быть широко использованы при измерении температуры магнитопровода и других заземленных узлов трансформаторов. Надо только проследить, чтобы провода термопар на своем пути были достаточно удалены от токоведущих частей трансформатора.
Установка термопар в обмотке (даже на изоляции) при наличии высокого напряжения практически невозможна.

В тех случаях, когда это вызывается особой необходимостью, измерение температуры обмоток термопарами допускается проводить только при испытании методом короткого замыкания. При этом возможность прикосновения обслуживающего персонала к измерительному прибору должна быть исключена.

Чтобы убедиться в надежности изоляции термопар после установки их и оборки трансформатора, перед началом испытаний на нагрев, изоляцию трансформатора следует испытать приложенным и индуктированным напряжениями на 30—40% больше того, которое будет при испытании.

Термопара состоит из двух проводников разнородных металлов. При нагреве места спая обоих проводников образуется э. д. с., величина которой зависит от примененных металлов и температуры нагрева спая.

В табл. 9-3 приводится э. д. с. термопар, выполненных из спая различных проводников.
При испытании трансформаторов обычно применяются термопары из проводников константана и меди К—Си диаметром 0,4—0,7 мм и длиной 5—20 м, хорошо изолированных друг от друга бумажной, шелковой или другой изоляцией.

Материал проводников термопары	Электродвижущая сила при 100° С, мв
Платина — платинорадий	0,64
Константам — серебро	4,0
Константин—медь	4,1
Константам—сталь	5,3
Константан—хромоникель	5,6
Висмут—сурьма	10

Что такое тепловой режим трансформатора

Тепловой режим работы силового трансформатора – один из важнейших факторов, влияющих на старение изоляции, и как следствие, на сроки его службы. Ниже приводятся условия, которых рекомендуется придерживаться для обеспечения надлежащего охлаждения, независимо от размеров помещения и степени защиты сухого трансформатора (наличия кожуха).

Большой объем пространства над трансформатором способствует лучшему оттоку нагретого воздуха. Кроме того, эффективность вентиляции зависит от ее способности удалять воздух из верхней части помещения. Для этого приточное отверстие должно располагаться как можно ниже, а вытяжное – как можно выше и с противоположной стороны.

Расположение приточного вентиляционного отверстия (вентилятор, работающий на вдув) над трансформатором препятствует оттоку горячего воздуха от него. Это может привести к повышению температуры трансформатора выше допустимой. В лучшем случае сработает тепловая защита; в худшем, если она отсутствует, произойдет перегрев и преждевременное старение изоляции.

Требования к помещению, где установлен трансформатор

Цель эффективной вентиляции помещения – съем всего тепла, выделяемого электрооборудованием (трансформаторами, двигателями, нагревателями и т.д.). Допустимо, что в нормальном режиме аппарат выделяет мощность потерь Р (кВт).

Для отвода ее с помощью вентиляции необходимо:

• отверстие притока холодного воздуха эффективной площадью S (м ), расположенное внизу вблизи трансформатора (эффективная площадь отверстия – это его реальная площадь, за вычетом все помех – решеток, клапанов и т.д.);
• отверстие вытяжки горячего воздуха эффективной площадью S’ (м ), расположенное сверху с противоположной стороны, по возможности над трансформатором, на высоте Н (м) относительно нижнего отверстия.

Площадь отверстий определяют: S=(0,18P)/H, S’=1,1S.

Пространство над трансформатором должно оставаться свободным до самого потолка, за исключением присоединений. Эти формулы применимы при установке оборудования на высоте до 1000 м над уровнем моря при среднегодовой температуре 20°С.

Если невозможно обеспечить вышеуказанные площади отверстий для естественной вентиляции помещения, следует применить принудительную вентиляцию с помощью установки: на нижнем отверстии – приточного вентилятора производительностью Q (м /с), определяемую по мощности потерь с помощью формулы:
Q=0,1P
на верхнем отверстии – вытяжного вентилятора производительностью
Q’ (м /с), определяемую по формуле:
Q’=0,11P

При недостаточной площади только одного из отверстий допускается ограничиться установкой вентилятора только на нем.

В зависимости от степени защиты (IP) и прозрачности сетки на стенках кожуха, требуемая эффективная площадь вентиляционных отверстий может оказаться достаточно большой. Для примера, в кожухе класса IP31 сухого трансформатора площадь перфорации сетки составляет 50%.

В случае если в помещении установлено другое оборудование, при расчете вентиляции мощность Р должна включать его потери при полной нагрузке.
«Старение» межлистовой изоляции магнитопровода, отдельные местные повреждения ее, замыкание отдельных листов.

Признаки повреждения — увеличение тока и потерь холостого хода, быстрое ухудшение состояния масла, понижение его температуры вспышки, повышение кислотности масла и понижение пробивного напряжения.

«Старение» и износ изоляции

Износ изоляции может произойти из-за длительной эксплуатации трансформатора, однако наблюдается и преждевременный износ, который является результатом частых перегрузок или недостаточно интенсивного охлаждения при номинальной нагрузке. Ухудшение условий охлаждения может произойти из-за осадков шлама на обмотки, загрязнения междуобмоточных промежутков и при «старении» масла.
В практике принято следующее разделение изоляции по классам годности:

1. й класс — изоляция эластичная, мягкая, не дает трещин и деформаций; такая изоляция считается хорошей;

2. й класс — изоляция твердая, прочная, без трещин, не дает трещин и деформаций при нажатии рукой и с трудом отделяется с помощью ножа; такое состояние изоляции считается удовлетворительным;

3. й класс — изоляция хрупкая, при нажатии или постукивании расслаивается или появляются мелкие трещины и деформации;

4. й класс — изоляция имеет трещины, при нажатии рукой осыпается, замечаются оголенные участки; изоляция считается плохой, и требуется смена обмоток.

Для определения прочности изоляционных прокладок в ремонтной практике проверка состояния электрокартона производится на образцах, вырезанных из изоляции различных частей трансформаторов.

Вырезанную полоску электрокартона сгибают пальцами под прямым углом или складывают вдвое без сдавливания листа сгиба. Если при полном сгибе вдвое электрокартон не ломается, изоляция считается хорошей, если при полном сгибе ломается, то удовлетворительной, т. е. ограниченно годной, а если картон ломается еще при сгибе до прямого угла, то негодной.

Видео: Тепловая защита электродвигателя. Электротепловое реле

Рассказывается о варианте тепловой защиты с использованием теплового реле, даются принципиальные схемы подключения. Также узнаете, как выбрать тепловое реле.

Источник

Какая допустимая рабочая температура трансформаторов ?

Любой электроприбор во время работы нагревается. Электротрансформатор не является исключением. Но перегрев приводит к выходу аппарата из строя, поэтому при эксплуатации следует учитывать, какова предельно допустимая и рабочая температура трансформатора.

Причины нагрева трансформаторов

Коэффициент полезного действия трансформатора, как и любого другого электроприбора, ниже 100% – от 80% у небольших устройств мощностью 10Вт до 99,5% у силовых трансформаторов. Потери выделяются в обмотках и магнитопроводе в виде тепла.

Нагрев магнитопровода

Потери в сердечнике состоят из двух составляющих:

• вихревые токи;
• потери на гистерезис.

Вихревые токи наводятся обмотками трансформатора в магнитопроводе, причем чем меньше его сопротивление, тем больше токи и нагрев железа. Для увеличения сопротивления железный сердечник делается не сплошным, а из тонких листов, изолированных друг от друга лаком и окисной пленкой. Изготавливаются он не из обычной углеродистой стали, а из трансформаторного железа, с добавками кремния, повышающего сопротивление металла.

При работе магнитопровод намагничивается магнитным полем, создаваемым током, протекающим по катушкам. Поскольку ток переменный, то поле постоянно меняет полярность и происходит перемагничивание сердечника с выделением тепла. Этот процесс называется “петля гистерезиса”, а потери – потери на гистерезис.

Важно! Для каждого сечения, формы и материалов магнитопровода есть оптимальное число витков обмотки. При его уменьшении растут потери на гистерезис, а при увеличении растут потери в обмотках.

Нагрев обмоток

Проводники, которыми намотаны катушки, имеют активное сопротивление. При работе по этому сопротивлению протекает электрический ток и выделяется энергия, которая превращается в тепло.

Потери в обмотках уменьшаются при увеличении сечения провода и замене дешевого алюминия более дорогой медью, имеющей меньшее сопротивление, но эти способы ведут к увеличению габаритов или росту цены аппарата. Поэтому при проектировании электротрансформатора кроме технического производится экономический расчет.

Интересно! В 50-е годы для уменьшения потерь и нагрева проектировались силовые электротрансформаторы с обмотками из серебра, но из-за роста цен на него эти проекты не были реализованы.

Допустимый нагрев трансформаторов

Электротрансформатор – аппарат с высоким, но не 100% КПД. При работе ток, протекающий по обмоткам, нагревает их. Кроме этого, греется магнитопровод. В нем возникают вихревые токи и тратится энергия на перемагничивание. Эти потери нагревают аппарат.

Допустимая температура трансформатора в нормальном режиме зависит от изоляции обмотки:

• провод покрыт электротехническим лаком – 70°С;
• проводник обмотан х/б ниткой – 105°С;
• вместо х/б нитки используется стекловолокно – 180°С;
• трансформаторы, имеющие масляное охлаждение, допускается нагревать до 80°С.

Способы уменьшения температуры электротрансформаторов зависят от мощности и напряжения устройств.

Важно! Работа при предельно допустимой температуре приводит к ускоренному износу изоляции и “старению” масла. Поэтому следует избегать эксплуатации устройств в подобных режимах.

Воздушное охлаждение

Потери энергии, нагрев и вес аппаратов при увеличении мощности растут. При этом потери и объем увеличиваются в кубической зависимости от габаритов устройства, а поверхность и способность отдавать тепло растет в квадратной степени. Поэтому способы воздушного охлаждения зависят от мощности аппарата.

Трансформаторы малой мощности

В аппаратах мощностью 5-10ВА соотношение между потерями и площадью поверхности позволяет устанавливать их в закрытом корпусе. Такую конструкцию имеют блоки питания для электронной аппаратуры малой мощности, например, роутер или антенный усилитель.

Для уменьшения рабочей температуры трансформатора в блоках питания электронной аппаратуры на первичную обмотку подается напряжение высокой частоты. Предельная рабочая температура трансформатора в блоке питания составляет, в зависимости от конструкции, от 100 до 165°С.

Трансформаторы с принудительным охлаждением

В более мощных аппаратах делаются зазоры между обмотками, а в корпусе имеются отверстия для циркуляции воздуха. Для улучшения охлаждения и уменьшения габаритов электротрансформаторов мощностью свыше 10-50кВА устанавливаются вентиляторы принудительного обдува. Такая система позволяет охлаждать аппараты до 1000кВА. Более мощные установки помещаются в бак, наполненный маслом.

Трансформаторы с масляным охлаждением

Для лучшего охлаждения аппарат помещается в бак, наполненный трансформаторным маслом. Оно отводит тепло от обмоток в 6-8 раз лучше воздуха. Для качественного охлаждения бак с электротрансформатором должен быть полностью заполнен и сверху устанавливается расширительный бачок.

Масло является пожароопасным при вытекании. Для защиты устройств от перегрева и возгорания трансформаторы оснащаются датчиками уровня жидкости и температуры.

В зависимости от мощности электротрансформаторов есть четыре системы уменьшения температуры масла:

• естественное, за счет конвекции масла и окружающего воздуха;
• дутьевой, при помощи обдува бака вентиляторами;
• с принудительной циркуляцией масла насосами и обдувом бака;
• с водяным охлаждением масла.

Справка! Допустимая рабочая температура масла – 80°С. При проверке его качества измеряется температура вспышки (возгорания). Она должна быть не менее 135°С.

Естественное охлаждение масла

Масло в баке при работе устройства нагревается и нуждается в охлаждении. Эффективность естественного охлаждения растёт с увеличением поверхности бака, но простое увеличение размеров мало эффективно. Лучший эффект дает оснащение бака радиаторными ребрами или трубами.

Трубы располагаются вертикально, в несколько рядов и подключаются в верхней и нижней части бака. При работе и нагреве обмоток теплое масло поднимается от катушек вверх, выходит в трубы и идет вниз. При движении охлаждающая жидкость остывает и поступает охлажденным обратно в бак.

Этого достаточно для работы электротрансформаторов мощностью до 6300кВА. В более мощных установках применяются устройства принудительной циркуляции масла.

Информация! Принцип работы системы похож на систему индивидуального водяного отопления.

Дутьевое (вентиляторное) охлаждение

Самый простой способ принудительного охлаждения — это обдув масляного бака вентилятором. Эффективность отдачи тепла по сравнению с естественным охлаждением выше на 40-50%. Таких вентиляторов может быть несколько.

Для улучшения теплоотдачи трубы делаются не круглыми, а прямоугольного сечения, а также с продольными радиаторными ребрами. Дополнительно устанавливается блок автоматики, управляющий вентиляторами. Возможны три варианта:

• питание вентиляторов включено при нагрузке 50-60% номинальной;
• обдув включен, если достигнута температура 50°С;
• вентиляторы работают все время рабочего режима установки.
• Система дутьевого охлаждения эффективна до мощности 63000кВА. Электротрансформаторы большей мощности нуждаются в дополнительных устройствах, для нормальной работы и уменьшения температуры масла.

Принудительная циркуляция

Чем быстрее двигается масло внутри бака и радиаторных труб, тем эффективнее происходит отдача тепла в окружающее пространство, поэтому для охлаждения трансформаторов большой мощности применяется система, включающая в себя вентиляторы, обдувающие бак и насосы, ускоряющие циркуляцию масла. Эта система называется “ДЦ” (дутье-циркуляция).

Насосы позволяют увеличить предельную длину и количество трубок и уменьшить их сечение, увеличив площадь теплоотдачи или вместо прямых труб нагнетать масло в радиаторы, похожие на автомобильные. На каждом радиаторе устанавливается свой вентилятор для обдува.

Ускорение движения при помощи насосов выравнивает температуру внутри бака, улучшает передаче тепла от нагретых элементов к охлаждающей жидкости. Наличие насосов позволяет направить движение масла не только вдоль катушек, но и по каналам внутри обмоток и магнитопровода.

Водяное охлаждение

Коэффициент теплопередачи воды в несколько раз больше, чем воздуха, поэтому самая эффективная система снижения температуры – водяная. Масляные радиаторы находятся в водяной “рубашке”. Движение масла по трубам и воды осуществляется при помощи насосов. Это маслянно-водяной вид охлаждения, или система типа “Ц”.

Такие системы компактнее, чем обычные, но дороже, поэтому используются в тех случаях, когда это экономически выгодно. Например, при замене уже установленных аппаратов на более мощные внутри существующих помещений или для уменьшения размеров строящихся зданий.

Предельная рабочая температура трансформатора регламентируется ПУЭ, ПТЭ и другими нормативными документами.

Источник