Монтаж, эксплуатация и ремонт сельскохозяйственного электрооборудования - Особенности эксплуатации трансформаторов сельских подстанций

Одна из основных особенностей эксплуатации трансформаторов сельских потребительских подстанций — асимметрия фазных токов, неслучайная, возникающая из-за неравномерного распределения однофазных токоприемников, которую можно относительно легко устранить, и случайная (вероятная), вызванная случайными включениями однофазных потребителей, устранить которую практически невозможно. Анализ статистических данных показывает, что с увеличением мощности трансформатора несимметрия токов по фазам уменьшается. Однако и относительный  рост однофазной осветительной нагрузки, и появление однофазной силовой нагрузки (сварочные трансформаторы, электроводоподогреватели, электрифицированный инструмент, бытовые приборы и т. д.) оставляют неравномерность нагрузки по фазам очень высокой.
Согласно правилам технической эксплуатации, степень неравномерности нагрузки по фазам отходящих от подстанций линий не должна превышать 20%:

где /макс — ток в максимально нагруженной фазе в момент наибольшей нагрузки трансформатора; /ср — среднее арифметическое значение тока трех фаз в тот же момент времени.
Исследования показывают, что среднее значение асимметрии токов лежит в пределах от 32 до 50%. Асимметрия токов приводит к искажению напряжений по фазам, это отрицательно сказывается на работе всех токоприемников и линий: резко сокращается срок службы источников света, подключенных к фазе с увеличенным напряжением, и уменьшается светоотдача тех, которые подключены к фазе с пониженным напряжением; увеличиваются ток намагничивания и потери в стали и обмотках и резко снижается cos φ однофазных силовых токоприемников (например, сварочных трансформаторов), подключенных к повышенному против нормы напряжению; увеличиваются потери в линиях и трансформаторе, могут появиться местные нагревы его. При относительно небольшой мощности трансформаторов асимметрия токов вызывает изменение и линейных напряжений, что приводит к возрастанию потерь в трехфазных электродвигателях, уменьшению их к. п. д. и развиваемых ими моментов. Особенно резко проявляется отрицательное действие асимметрии токов в наиболее распространенных в сельском хозяйстве трансформаторах, имеющих 0 (12) группу соединений обмоток («звезда —звезда с нулем»).
Характерно, что трансформаторы новых серий с алюминиевыми обмотками и сердечниками из холоднокатаной стали имеют увеличенное в среднем в 1,5 раза сопротивление нулевой последовательности по сравнению с аналогичными сопротивлениями трансформаторов старых серий с медными обмотками и сердечниками из горячекатаной стали, в них пропорционально возрастает и искажение напряжений по фазам при одной и той же асимметрии токов. Таким образом, асимметрия токов тем более должна быть ограничена для трансформаторов последних серий. Поэтому электропромышленность. в ограниченном количестве выпускает трансформаторы I и II габаритов специально для сельского хозяйства с группами соединения обмоток «звезда — зигзаг с нулем» и «треугольник— звезда с нулем», позволяющими обеспечить высокое качество напряжения при асимметрии токов по фазам.
Например, для трансформатора мощностью 100 кВ-А старой серии сопротивление нулевой последовательности примерно в 10 раз больше сопротивления короткого замыкания, для такого же трансформатора новой серии оно больше в 17 раз, а для трансформаторов с соединением обмоток «треугольник» и «зигзаг» оно равно сопротивлению короткого замыкания.
Вторая особенность эксплуатации трансформаторов сельских подстанций — резко переменный суточный график нагрузки, наличие в нем утреннего и вечернего максимумов некоторый провал нагрузки в дневное время и практически отсутствие нагрузки в ночное время. Поэтому по сравнению с трансформаторами городских сетей, имеющих нормальную загрузку, среднесуточная загрузка сельских трансформаторов составляет 0,2...0,4 номинальной  причем эта нагрузка сохраняется в течение длительного времени и тенденции к ее повышению пока не наблюдается.
С учетом использования трансформаторов по мощности правила технической эксплуатации допускают 40%-ную их перегрузку сверх номинальной на период максимумов общей суточной продолжительностью не более 6 ч в течение не более 5 суток; при этом коэффициент предварительной загрузки трансформатора должен быть не более 0,93. В аварийных случаях допускается кратковременная перегрузка трансформаторов сверх номинальной независимо от предшествующего режима и температуры охлаждающей среды (табл. 20).
Статистика показывает, что большая часть трансформаторов выходит из строя не зимой в период максимальной нагрузки, а летом— при минимальной. Происходит это потому, что на нагрев трансформатора влияют не только его нагрузка и значение подведенного напряжения, но и температура окружающей среды, причем влияние последней оказывается очень значительным.
Для подтверждения сказанного в таблице 21 в качестве примера показана зависимость температуры нагрева трансформатора от изменения температуры окружающей среды и увеличения нагрузки трансформатора, установленного в одном из сел Челябинской области.

Таблица 21

Анализ приведенной таблицы показывает, что двойное увеличение нагрузки трансформатора при переходе к зиме не увеличило нагрев трансформатора, наоборот, за счет падения температуры -окружающего воздуха нагрев трансформатора даже уменьшился. Естественно, что перепад температур между температурой трансформатора и средой возрастает, но незначительно.
Заслуживает внимания нагрев трансформаторов при неравномерной нагрузке фаз в разных группах соединения обмоток.
Исследования, проведенные авторами, показали, что, несмотря на появление значительных потоков нулевой последовательности при однофазном режиме работы трансформатора с соединением обмоток «звезда — звезда с нулем», максимально допустимый нагрев трансформатора наблюдается при токе, равном 1,5 номинального, который в 6 раз превышает допустимое значение тока по сравнению с ГОСТ. Последнее объясняется выравниванием теплового поля внутри трансформатора. Перепад температур нагрева трансформатора при симметричной нагрузке неодинаков, и разница его возрастает с увеличением нагрузки: при нагрузке трансформатора до 2 номинальной разница в перепаде составляет всего 5... 10°, а при увеличении нагрузки вдвое достигает 40°.
Нагрев трансформатора с соединением обмоток «звезда — зигзаг с нулем» в однофазном режиме оказался почти одинаковым по сравнению с нагревом трансформатора с соединением обмоток «звезда — звезда с нулем». Объясняется это тем, что при таком соединении обмоток уменьшаются потери в стали за счет уменьшения потоков нулевой последовательности, но увеличиваются потери в обмотках за счет роста их сопротивления из-за увеличенного на 17% числа витков вторичной обмотки. Нагрев трансформатора с соединением обмоток «треугольник — звезда с нулем» меньше нагрева трансформатора с другим соединением обмоток.
В общем случае разница в температурах нагрева трансформатора при несимметричной и равномерной нагрузке по фазам зависит от числа нагруженных фаз, степени асимметрии, значения нагрузки и группы соединения обмоток. Исходя из этих рассуждений и следует определять степень допустимости перегрузки трансформаторов при их эксплуатации.