Силовой трансформатор в режиме перегрузки: границы и расчёт

• Нагрузка и перегрузка: где проходит граница
• Шпаргалка по допустимым значениям
• Быстрая оценка по амперам
• Почему тепло решает всё
• Аварийная перегрузка масляных трансформаторов
• Зимние добавки и ремонтный режим
• Воздушный теплоотвод: трансформаторы без жидкости
• Системы охлаждения и допустимая перегрузка
• Нормативная база: ПТЭЭП и приказ № 81
• Перегрузочная способность и состояние изоляции
• Автотрансформаторы в работе
• Расчёт на примере 1000 кВА
• Запас в двухтрансформаторной схеме
• Параллельная работа трансформаторов
• Что делать при аварийной перегрузке
• Типичные ошибки персонала
• Признаки опасного режима
• Практические нюансы теплоотвода
• Документы владельца
• Мониторинг и поддержание данных
• Если перегрузка стала постоянной
• Частые вопросы
• Коротко о главном

На сколько можно перегружать силовой трансформатор, решают пять условий: тип трансформатора, способ отвода тепла, погода за окном, режим перед пиком и возраст изоляции. Универсальной цифры не существует. Зато нормы дают понятные таблицы, и ими пользуется каждая энергослужба.

Дальше мы пройдём путь от терминов к цифрам и от цифр к расчёту на живом примере. Вы увидите, какое время выдержит обмотка при полуторной перегрузке, чем автотрансформатор отличается от обычного трансформатора и когда пора менять трансформатор, а не спорить с таблицами. Начнём с самого простого: с границы.

Нагрузка и перегрузка: где проходит граница

Номинальная мощность указана на шильдике. В этой точке трансформатор служит десятилетиями без лишнего износа. Всё, что выше, называют перегрузкой, и тут начинается торг с физикой: каждый лишний ампер добавляет градусы, а градусы съедают ресурс изоляции. Есть две оговорки, которые допустимы без расчётов. Первая относится к маслонаполненным трансформаторам, вторая — к режимам с повышенным напряжением. Посмотрите, какая перегрузка допустима.

• сила тока в обмотке выше номинала ответвления на 5%, если напряжение не превышает номинальное;
• напряжение выше на 10% при мощности не более паспортной;
• для трансформаторов без масла допустимые значения берут из технических условий на конкретный тип.

Фактическую перегрузку определяют по самой нагруженной фазе. Средние показания по трём фазам картину сглаживают и создают ложное спокойствие, поэтому в журнале пишите максимальное допустимое для фазы значение.

Шпаргалка по допустимым значениям

Ниже собраны ориентиры, которые чаще всего нужны дежурному. Это обзор, а не замена паспорта: заводская инструкция всегда главнее общей таблицы. Если цифры расходятся, верьте инструкции вашей модели.

Быстрая оценка по амперам

Не хочется считать корни каждый раз? Запомните ориентир: номинальные амперы на стороне 0,4 кВ составляют примерно 1,44 А на каждый киловольт-ампер. Допустимое значение при +30% получают умножением этого значения на 1,3. Так вы за полминуты проверите любой трансформатор на щите.

Значения справочные и округлены. Допустимая перегрузка при этом ограничена временем из таблицы, а не просто множителем: два часа для тридцати процентов, десять минут для ста. Фактический предел вашего трансформатора подтверждают паспорт и расчёт по температуре.

Почему тепло решает всё

Изоляция обмоток состоит из бумаги и жидкого диэлектрика. Бумага стареет от нагрева: на каждые шесть градусов выше расчётной точки она изнашивается примерно вдвое быстрее. Сам по себе ток безвреден. Опасно то, что он превращается в тепло, а тепло не успевает уйти.

Поэтому нормы смотрят сразу на три параметра: кратность перегрузки, нагрев самой горячей точки обмотки и температуру верхних слоёв. Любой из них способен ограничить режим, даже если два других выглядят безобидно.

Что влияет на запас

• погода: чем холоднее, тем больше запас;
• режим перед пиком: ночная недогрузка остужает обмотки;
• способ теплоотвода: обдув и насосы отводят больше тепла;
• возраст и состояние изоляции;
• положение переключателя ответвлений.

Аварийная перегрузка масляных трансформаторов

ПТЭЭП допускает кратковременную перегрузку трансформатора при любом способе теплоотвода. Предшествующий режим и погода допустимые значения не меняют, поэтому таблицу удобно держать на щите. Чем больше перегрузка, тем меньше времени у персонала на разгрузку.

Обратите внимание на асимметрию: сорок пять процентов дают почти полтора часа, а сто процентов лишь десять минут. Поэтому выгоднее держать небольшое превышение подольше, чем рисковать резким скачком до двойного номинала. Такой скачок остаётся крайней мерой.

Зимние добавки и ремонтный режим

Холод даёт бонус, закреплённый в двух простых правилах. Они работают, пока летом и в течение суток трансформатор не добирает до паспортной мощности.

Правило одного процента

На каждый процент летней недогрузки зимой разрешена перегрузка в один процент. Предел для этой добавки — 15%. Если летний пик составлял 85% от паспорта, зимой смело рассчитывайте примерно на 15% сверху.

Правило трёх процентов

Суточный график редко бывает плоским. Каждые десять процентов недозаполнения графика дают ещё три процента к номиналу. Добавки суммируются, но общий потолок равен 30% для открытой площадки и 20% для камеры в помещении.

Ремонтные режимы в сети

Если есть подвижный резерв и один трансформатор выведен, соседний на открытой площадке с коэффициентом начальной нагрузки ниже 0,93 допускает сорок процентов сверх номинала. Рамки жёсткие: до пяти суток подряд, до шести часов в сутки, усиленный обдув включён.

Воздушный теплоотвод: трансформаторы без жидкости

Здесь тепло уходит в воздух, а воздух забирает градусы хуже масла. Сухие трансформаторы имеют меньший запас, и окна у них короче. Общая таблица ПТЭЭП для аварийных режимов выглядит так:

• 20% сверх номинала — 60 минут;
• 30% — 45 минут;
• 40% — 32 минуты;
• 50% — 18 минут;
• 60% — 5 минут.

Допустимые длительные значения для таких трансформаторов задают стандарты и технические условия конкретных типов, поэтому открывайте паспорт. Изоляция класса F держит нагрев обмоток до 155 °C, класса H — до 180 °C. Чем выше класс, тем выше допустимая перегрузка трансформатора по току.

Системы охлаждения и допустимая перегрузка

Обозначение на шильдике подсказывает, как трансформатор избавляется от тепла. От этого зависят и температурные пределы, и поведение при отказе обдува. Разберём четыре распространённых варианта:

• М — жидкость движется естественно, верхние слои при номинале не выше 95 °C;
• Д — добавлены вентиляторы, предел тот же, 95 °C;
• ДЦ — насосы и обдув, предел 75 °C;
• Ц — масляно-водяное исполнение с принудительной циркуляцией масла, у охладителя не выше 70 °C.

Какую температуру брать в расчёт

Для типов М, Д и ДЦ в таблицах аварийных режимов берут погоду на момент превышения. Для исполнения с водой считают температуру воды на входе в теплообменник. Если перепутать точки замера, расчёт уйдёт в сторону на несколько процентов.

Если остановился обдув

Для типа Д при отключении всех вентиляторов номинальный режим держат ограниченное время, и оно зависит от погоды:

У схем с насосами правила жёстче: либо десять минут под номиналом, либо полчаса на холостом ходу, пока верхние слои не дошли до 80 °C. Если нагрев растёт дальше, трансформатор отключают.

Нормативная база: ПТЭЭП и приказ № 81

Для потребителей основной документ — глава 2.1 ПТЭЭП. Для крупных сетевых и генерирующих объектов действуют отдельные требования: приказ Минэнерго России № 81 от 8 февраля 2019 года. Он касается трансформаторов и автотрансформаторов, установленных на объектах электроэнергетики, и порядка их эксплуатации.

Кого касается приказ

• маслонаполненные трансформаторы и автотрансформаторы общего назначения;
• класс напряжения от 110 до 750 кВ;
• трёхфазные — мощностью от 5 МВА, однофазные — от 1 МВА;
• выполнять требования обязан каждый владелец объекта электроэнергетики.

Три показателя перегрузочной способности

Владелец определяет коэффициент допустимой длительной перегрузки, коэффициент аварийной перегрузки при заданной температуре среды и продолжительность работы с этой нагрузкой. Значения берут из таблиц приложения, а для промежуточных температур применяют интерполяцию.

Перегрузочная способность и состояние изоляции

Приказ связывает допустимые значения с техническим состоянием изоляции, магнитопровода и обмоток. Оценка строится на индексах: если они разные, в расчёт идёт самый низкий. Слабое звено определяет предел всего трансформатора.

Решение о снижении аварийного предела принимает сам владелец. Если трансформатор диспетчеризуемый, его согласуют с системным оператором, и тот отвечает не позже чем через десять рабочих дней.

Автотрансформаторы в работе

В автотрансформаторе часть витков служит сразу двум цепям. Поэтому автотрансформатор греется иначе, чем двухобмоточный трансформатор. Для автотрансформаторов, установленных на объектах электроэнергетики, действуют те же коэффициенты и сроки, но к ним добавляется контроль общей обмотки.

Где сидит узкое место

Через общую обмотку идёт разность амперов двух сторон, через последовательную — всё, что течёт на высокой стороне. В режиме передачи на среднее напряжение чаще страдает последовательная часть, а при питании низкой стороны — общая. Автотрансформатор ограничивают по самому нагруженному участку.

Что проверяют дежурные

• амперы каждой обмотки, а при неравных фазах — самой нагруженной;
• общую часть обмотки высшего напряжения, если на низкой стороне есть источники реактивной мощности;
• температуру верхних слоёв и наиболее нагретой точки;
• исправность обдува перед каждым пиком.

Аварийный режим автотрансформатора

Коэффициент допустимой аварийной перегрузки для автотрансформатора берут из таблиц приказа с учётом возраста и индексов состояния. Без этих данных любое решение превращается в лотерею. Проверьте, готовы ли вы к отказу, прежде чем он случится:

• автотрансформатор имеет свежую оценку технического состояния;
• известна погода и положение переключателя;
• общая обмотка не выходит за паспортный предел;
• у резервного автотрансформатора исправны насосы и вентиляторы.

Когда выходит из строя соседний автотрансформатор, нагрузка переходит на оставшийся. Перед таким сценарием проверьте индексы состояния автотрансформатора и температуру среды. Решение о повышенных значениях согласуйте с диспетчером заранее.

Расчёт на примере 1000 кВА

Возьмём трансформатор 1000 кВА, 10/0,4 кВ. Номинал на стороне 0,4 кВ: S / (√3 · U) = 1000 / (1,732 · 0,4), то есть около 1443 А. Умножаем номинал на коэффициент перегрузки и сверяем с временем по таблице.

Теперь проверим пик. Цех просит 1150 кВА на два часа вечером. Это 115% номинала, то есть меньше строки в 30%, и по общей таблице пик укладывается. Но параллельно смотрите на паспорт, нагрев и возраст изоляции: расчёт учебный, а не измерение вашего оборудования.

Запас в двухтрансформаторной схеме

Проектировщик не рассчитывает на чудо. Он заранее делит нагрузку так, чтобы второй трансформатор подстанции выдержал отказ первого. Типичные коэффициенты загрузки в нормальном режиме такие:

• 0,65–0,7 — две единицы, потребители первой категории;
• 0,7–0,8 — один трансформатор и резерв по перемычкам низкого напряжения;
• 0,9–0,95 — третья категория при наличии общего резерва.

Цифра 0,7 нередко звучит как закон, но это проектная практика, а не норма. Выбор зависит от категории надёжности питания и стоимости потерь, поэтому в каждом проекте цифра своя.

Параллельная работа трансформаторов

Параллельный режим выручает при росте потребления, но подчиняется строгим условиям. Ни одна обмотка не должна выйти за допустимое значение, и это начинается с подбора пары:

• одинаковые группы соединения обмоток;
• соотношение мощностей не выше 1:3;
• коэффициенты трансформации различаются не более чем на 0,5%;
• напряжения короткого замыкания различаются не более чем на 10%;
• выполнена фазировка.

Что делать при аварийной перегрузке

Порядок действий короткий, и лучше повесить его на стену. Сначала убедитесь, что обдув и насосы работают. Затем сверьтесь с таблицей: какая перегрузка сейчас и какое время осталось. После этого сообщите диспетчеру.

• включите резервные вентиляторы и насосы;
• запишите время начала и значения амперов;
• отключите второстепенных потребителей;
• следите за нагревом каждые несколько минут;
• после аварии зафиксируйте событие и оцените износ изоляции.

Типичные ошибки персонала

Большинство повреждений начинается не с редких причин, а с привычных. Дежурный видит спокойные стрелки и решает, что запас есть. Через час выясняется, что одна фаза давно идёт выше остальных, а обдув стоит.

Признаки опасного режима

Перегрев коварен: сначала ничего не происходит, потом срабатывает защита. Первый серьёзный порог лежит около 140–160 °C, когда в масле начинается газовыделение и падает диэлектрическая прочность.

Правила требуют немедленно вывести трансформатор из работы, если слышны сильный шум и потрескивание, нагрев растёт при исправном обдуве и малой загрузке, из расширителя выбрасывает жидкость или уровень падает ниже масломерного стекла.

Практические нюансы теплоотвода

Допустимая перегрузка трансформатора зависит от того, насколько точно вы знаете его состояние. Старый трансформатор с неизвестной историей нагрузок получает консервативный предел, а новый трансформатор с протоколом испытаний и свежей хроматографией получает расчётный. Разница между ними достигает десятков процентов допустимой мощности, и эти проценты стоят дороже любой экономии на диагностике.

Перегрузочную способность проверяйте при каждом изменении схемы: подключили новый цех, заменили вентиляторы, перевели секцию на резерв. Перегрузочная способность трансформатора и перегрузочная способность автотрансформатора определяются не только паспортом, но и тем, как они работают в реальной сети.

Отдельно о теплоотводе. Система охлаждения трансформатора должна пройти проверку до пика, а не во время него. Включите вентиляторы вручную, послушайте насосы, посмотрите на реле потока. Исправный теплоотвод даёт запас в десятки процентов, а отказавшая превращает допустимую перегрузку в аварию за минуты. Следите за чистотой радиаторов, свободным подходом воздуха, уровнем в расширителе и положением задвижек.

Бак остывает медленнее, чем нагревается: тепловая инерция измеряется часами. Поэтому короткий пик в сотню процентов опасен для обмотки, а долгий режим в тридцать процентов опасен всей активной части. Следите не только за амплитудой, но и за площадью под графиком нагрузки. Автотрансформатор ведёт себя так же, но общая обмотка требует отдельного контроля. На узловой подстанции запас у него обычно меньше, поэтому резерв лучше иметь заранее, а не надеяться на нормы.

Документы владельца

Приказ № 81 требует не только считать, но и фиксировать. Владелец хранит актуальную информацию о длительно допустимой и аварийно допустимой токовой нагрузке каждого трансформатора и автотрансформатора. Изменилось состояние? Данные уходят в диспетчерский центр в течение трёх рабочих дней.

• требования к составу данных определяют правила для диспетчерского управления;
• требования к оценке состояния изоляции, магнитопровода и обмоток задаёт методика Минэнерго;
• требования к контролю включают замеры каждой обмотки и нагрев горячей точки;
• проект решения о снижении аварийного предела согласуют с системным оператором.

Мониторинг и поддержание данных

Контроль строится на приборах и бумагах. Приборы дают картину в реальном времени, документы — единую картину для диспетчера. Оба слоя должны работать вместе.

• амперметр в каждой фазе и контроль самой нагруженной;
• термосигнализатор на крышке бака;
• газовое реле и контроль уровня жидкости;
• актуальные данные об аварийных значениях у диспетчера, обновляемые в течение трёх рабочих дней после изменений;
• журнал событий с временем и величиной каждого превышения.

Если перегрузка стала постоянной

Систематическая работа на пределе значит одно: трансформатор не соответствует задаче. Проверьте график за неделю, сравните его с паспортом и выберите решение по цене и срокам.

• перераспределить потребителей между фазами и трансформаторами;
• промыть радиаторы, проверить вентиляторы и уровень жидкости;
• установить мониторинг температур и амперов;
• заменить трансформатор на более мощный;
• добавить параллельный трансформатор с совпадающей группой соединения.

Старый масляный трансформатор лучше проверить на допустимый износ до очередного пика. Снимите пробу, оцените состояние изоляции, проверьте ток холостого хода и сопротивление обмоток. Эти данные превращают предположения в допустимые цифры, а ещё помогают обосновать замену трансформатора перед руководством.

• для автотрансформатора добавьте проверку общей обмотки и переключающего устройства;
• для подстанции с резервом оцените допустимую загрузку второго трансформатора при отказе первого;
• для воздушной вентиляции проверьте ток двигателей и чистоту решёток;
• свежие результаты уходят владельцу и диспетчеру по требованию правил.

Частые вопросы

• Допустимо ли держать 15% сверх номинала постоянно?

Нет. Длительный режим ограничен пятью процентами по амперам при номинальном напряжении. Всё остальное разрешено только по графику и заводской инструкции. Постоянная работа выше номинала стареет изоляцию.

• Почему зимой запас больше?

Холод отбирает тепло быстрее, поэтому нормы привязывают коэффициенты к температуре среды. Летом тот же график даёт больший износ.

• Зачем автотрансформатору отдельный контроль?

Общая обмотка получает нагрев от двух сторон сразу. Обычный амперметр на вводе этого не покажет, поэтому смотрят каждую обмотку отдельно.

• Что делать со старым трансформатором?

После 30 лет службы применяйте таблицы с более низкими коэффициентами. А при индексах состояния не выше 50 силовой трансформатор держать сверх номинала нельзя совсем.

Коротко о главном

• Маслонаполненный трансформатор: 30% на два часа, 100% на десять минут.
• Трансформатор с воздушным теплоотводом: 20% на один час.
• Длительно допустимы лишь 5% по амперам при номинальном напряжении.
• Обдув должен работать, иначе таблицы не действуют.
• Точные значения всегда берите из паспорта и заводской инструкции.