ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСТИМОЙ ДЛИТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

DOI: 10.47026/1810-1909-2025-2-97-111

УДК 621.31

ББК 31.2

А.И. ОРЛОВ, Д.В. БОРТНИК, И.А. КАРПОВ

Ключевые слова

силовой трансформатор, допустимая длительная нагрузка, тепловой режим, уравнение Ньютона–Рихмана, коэффициент теплопередачи.

Аннотация

В статье рассматривается проблема определения допустимой длительной нагрузки силовых трансформаторов с учетом их теплового режима. Актуальность работы обусловлена высоким уровнем физического износа трансформаторного оборудования и необходимостью повышения его эксплуатационной надежности. Превышение температуры обмоток и масла ускоряет старение изоляции, что требует разработки методов прогнозирования теплового состояния трансформаторов.

Цель исследования – разработка методики определения допустимой длительной нагрузки трансформатора в зависимости от температуры окружающей среды. Научная новизна заключается в разработке приближенной модели теплового режима работы силового трансформатора, позволяющей прогнозировать температуру элементов и допустимую нагрузку.

Материалы и методы. Методы исследования включают математическое моделирование с использованием уравнений Ньютона–Рихмана для описания теплообмена между теплотехнически однородными элементами трансформатора. Для численного решения системы дифференциальных уравнений использован метод Рунге–Кутты 4-го порядка с временным шагом 30 с. Расчеты выполнены посредством разработанных авторами программ на языке Python с использованием библиотек NumPy и Matplotlib. Проведен сравнительный анализ результатов моделирования с экспериментальными данными из открытых источников и требованиями ГОСТ 14209-85.

Результаты. Предложена математическая модель, рассматривающая трансформатор как систему из трех теплотехнически однородных элементов: магнитопровода, обмоток и масла, теплообмен между которыми описывается уравнениями Ньютона–Рихмана. Получены уравнения, позволяющие определять установившуюся температуру элементов трансформатора и максимально допустимый коэффициент загрузки с учетом ограничения температуры обмотки и масла, заданных значений температуры окружающей среды и коэффициента загрузки. Получены приближенные формулы для определения объемов и площадей контакта поверхностей элементов трансформатора на основе расчетной схемы. Представлены соотношения, позволяющие приближенно определять эти величины в зависимости от номинальной мощности для геометрически подобных трансформаторов. Показано, что наибольшее влияние на тепловой режим оказывает коэффициент теплопередачи между маслом и окружающей средой. Сформулировано условие допустимости эксплуатации трансформатора при сохранении заданного уровня нагрузки и температуры окружающей среды. Результаты моделирования подтверждены сравнением с экспериментальными данными.

Выводы. Предложена математическая модель теплового режима трансформатора, учитывающая инерционность изменения температуры в его теплотехнически однородных элементах. Определено влияние коэффициента загрузки и температуры окружающей среды на установившиеся значения температуры элементов. Получено условие допустимости эксплуатации трансформатора, обеспечивающее ограничение температуры обмоток и масла.

Литература

1. Анищенко В.А., Гороховик И.В. Влияние перегрузочной способности маслонаполненных трансформаторов на пропускную способность электрической сети // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2018. Т. 61, № 4. С. 310–320.
2. Анищенко В.А., Иванов В.В. Определение допустимых систематических перегрузок распределительных масляных трансформаторов // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2015. № 3. С. 5–15.
3. Зализный Д.И. Использование тепловой модели для теоретических исследований тепловых процессов в масляных трансформаторах 10/0,4 кВ // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого. 2001. № 3–4 (6). С. 51–60.
4. Зализный Д.И., Широков О.Г. Расчет температуры основных элементов силового масляного трансформатора на основе анализа температуры поверхности его бака // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2012. № 4. С. 18–28.
5. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: учебник для вузов: в 2 т. 3-е изд., стер. М.: ИД МЭИ, 2006. Т. 1. 652 с.
6. Киш Л. Нагрев и охлаждение трансформаторов / пер. с венгер., под ред. Г.Е. Тарле. (Трансформаторы. Вып. 36). М.: Энергия, 1980. 208 с.
7. Показатели деятельности. Производственный потенциал [Электронный ресурс] // ПАО «Россети Центр»: сайт. URL: https://www.mrsk–1.ru/investors/indicators/production–potential/ (дата обращения: 06.12.2024).
8. Солдатов В.И., Зайчиков И.В., Лавров И.В. Метод прогнозирования теплового состояния силовых маслонаполненных трансформаторов в зависимости от температуры окружающей среды при постоянной эксплуатационной нагрузке // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. № 9–1. С. 159–164.
9. Солдатов В.И., Зайчиков И.В., Лавров И.В. Расширение метода прогнозирования теплового состояния силовых маслонаполненных трансформаторов в зависимости от температуры окружающей среды и повышения нагрузки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. № 9–1. С. 165–170.
10. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 528 с.
11. Факторы, влияющие на срок службы энергоэффективных трансформаторов / И.С.Снитько, А.И. Тихонов, А.В. Стулов, Н.Ю. Тумаков // Энергия единой сети. 2024. № 2(73). С. 54–60.
12. Широков О.Г., Зализный Д.И., Лось Д.М. Параметрическая идентификация математической тепловой модели силового масляного трансформатора // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого. 2005. № 1(26). С. 35–42.

Сведения об авторах

Орлов Александр Игоревич – кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой электромеханики, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (a.i.orlov@yandex.ru; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1152-6668).

Бортник Денис Валерьевич – ассистент кафедры электромеханики, аспирант кафедры электроснабжения и технической диагностики, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (bortnik_denis16@mail.ru; ORCID: https://orcid.org/0009-0002-7010-8271).

Карпов Илья Алексеевич – аспирант кафедры электроснабжения и технической диагностики, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (ShumkenRP@yandex.ru; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9768-9574).

Формат цитирования

Орлов А.И., Бортник Д.В., Карпов И.А. Определение допустимой длительной нагрузки силовых трансформаторов // Вестник Чувашского университета. 2025. № 2. С. 97–111. DOI: 10.47026/1810-1909-2025-2-97-111.

Загрузить полный текст статьи