Защитные устройства трансформаторов включают в себя комплект устройств, реагирующих на различные неисправности, возникающие в трансформаторе во время эксплуатации. К таким устройствам можно отнести выхлопную трубу, реле давления, газовое реле и другую аппаратуру. Кроме того, существует комплекс аппаратуры, защищающий масло в трансформаторе от увлажнения и окисления. Одним из главных типопредставителей такого рода защитных устройств является расширитель. Остальные виды защит можно выделить в отдельную группу — системы защиты масла от воздействия окружающей среды.
Расширитель трансформатора
Для защиты масла в трансформаторе от увлажнения и окисления, которые приводят к снижению электрической прочности масла, а также бумажной и другой волокнистой изоляции, применяют расширители. При наличии расширителя значительно уменьшается увлажнение и окисление масла в связи с тем, что поверхность масла в расширителе значительно меньше, чем в баке трансформатора, не имеющего расширителя, и, следовательно, меньше площадь соприкосновения масла с воздухом. Кроме того, температура масла в расширителе ниже, чем в верхней части бака трансформатора, и поэтому окислительный процесс происходит медленнее, а так как циркуляция масла в расширителе практически отсутствует, вода, попадающая в расширитель из воздуха, и продукты окисления масла осаждаются в нижней части расширителя и не попадают в бак трансформатора.
Все силовые масляные трансформаторы мощностью 25 кВ-А и более должны снабжаться расширителем или другой защитой, предохраняющей масло в баке от непосредственного соприкосновения с атмосферой (ГОСТ 11677-75).
Расширитель должен соответствовать следующим требованиям.
Емкость расширителя должна обеспечивать постоянное наличие в нем масла при всех режимах работы трансформатора от отключенного состояния до номинальной нагрузки и при колебаниях температуры окружающего воздуха от —45 до + 40°С (для умеренного климата).
Расширитель должен быть снабжен воздухоосушителем с масляным затвором.
Расширитель должен сообщаться с баком трансформатора трубой, заканчивающейся внутри расширителя, чтобы исключить попадание осадков масла в бак. Расширитель должен иметь съемное дно или люк. В нижней части расширителя должно быть предусмотрено устройство для слива масла. В трансформаторах с газовым реле между расширителем и баком должен быть кран с указателем положения.
Около указателя уровня масла или на нем должны быть хорошо различимые с уровня установки трансформатора три контрольные черты, соответствующие уровню масла в неработающем трансформаторе при температурах масла —45, +15 и +40°С.
В трансформаторах мощностью до 6300 кВ-А включительно расширитель должен быть снабжен пробкой для заливки масла, а в трансформаторах большей мощности — вентилем.
Расчетная (полезная) емкость расширителя составляет 8,75% объема масла в баке трансформатора для умеренного климата. Минимальный объем масло имеет при отключенном трансформаторе и температуре окружающего трансформатор воздуха —45°С, максимальный объем — при наибольшем допустимом превышении температуры масла в верхних слоях над температурой воздуха, т. е. 55°С (ГОСТ 11677-75), и при температуре воздуха +40°С. Среднее для всего объема превышение температуры масла принимают равным 40°С. Тогда максимальная температура масла составит 40-|-40=80оС, а диапазон колебаний температуры масла +80—(—45) = = 125°С. Коэффициент объемного расширения трансформаторного масла равен 0,0007*10-1. Таким образом, наибольшее возможное изменение объема масла в трансформаторе равно 0,0007-125=0,0875, или 8,75%.
Объемы и разметка расширителей трансформаторов, применяемых в районах с умеренным климатом.
В действительности емкость расширителя выбирают несколько большей, чем расчетная. При температуре масла —45°С его уровень должен быть несколько выше нижней точки расширителя и ниже отметки —45°С. Это связано с необходимостью иметь в нижней части расширителя пространство для отстоя грязного масла и воды, а также место для присоединения нижнего колена трубчатого маслоуказателя. Это условие справедливо также при использовании на расширителе плоского маслоуказателя. При температуре масла +80°С его уровень должен быть несколько ниже верхней точки расширителя и выше отметки « + 40°С». Это связано, также как и в первом случае, с необходимостью иметь место для присоединения колена маслоуказателя (верхнего). Поэтому полная емкость расширителя больше расчетной и составляет примерно 10% объема масла в баке. Полезная емкость расширителя практически зависит от конструкции маслоуказателя. Так, при трубчатом маслоуказателе полезная емкость ограничивается длиной видимой части стекла.
Расстояния от нижней части расширителя до контрольных отметок «—45°», «4
15°С» и «-|-40оС» зависят от диаметров расширителей, которые в свою очередь определяются объемом расширителя. Для каждого диаметра установлены определенные расстояния от нижней части расширителя до отметок. Установлен нормализованный ряд объемов расширителей в соответствии с рядом предпочтительных чисел (ГОСТ 8032-56) от 10 до 10 000 дм3. Диаметры расширителей (рис. и табл. ) определены в зависимости от выбранных объемов с учетом безотходного раскроя стандартного листа стали. Трансформаторные заводы изготовляют расширители семи диаметров, а на каждый диаметр приходится несколько длин. Длины расширителей получены в зависимости от выбранных объемов и диаметров. Отношение длины расширителей к их диаметру находится в пределах 1,5—4.
До унификаций заводами выпускались расширители с размерами, отличающимися от указанных в табл. Например, Московский электрозавод им. В. В. Куйбышева (МЭЗ) выпускал трансформаторы с расширителями, имеющими диаметры 180; 250; 310; 440; 610; 760; 920 и 1240 мм. Соответственно расстояния от нижней точки расширителей до контрольных отметок отличаются от приведенных в табл .
Расположение расширителя относительно трансформатора регламентируется стандартами на отдельные виды (типы) трансформаторов и, в частности, ГОСТ 11920-73, 12022-76, 12965-74, 15957-70, 17544-72, 17545-72 и 17546-72. В основном он располагается вдоль узкой стороны трансформатора справа от бака, если смотреть на трансформатор со стороны вводов ВН. На трансформаторах больших мощностей расширитель часто располагается вдоль широкой стороны бака. Выбор расположения расширителя по высоте зависит от нескольких факторов. Расширитель обычно устанавливают так, чтобы соблюдались условия: 1) минимальный уровень масла в нем был выше вводов, внутренняя полость которых сообщается с баком (так называемые «маслоподпорные вводы»); 2) минимальный уровень масла в расширителе был выше газового реле; 3) минимальный уровень был выше адаптеров, на которых устанавливаются вводы ВН, которые всегда заполнены маслом.
Однако завышать установку расширителя по отношению к минимально необходимой не следует, так как это увеличивает общую высоту трансформатора и давление масла в баке.
Расширитель устанавливают так, чтобы были выдержаны изоляционные расстояния от него и его арматуры до вводов и, кроме того, чтобы он не мешал подъему полностью собранного трансформатора краном.
Раньше расширители выносили от трансформатора на дополнительные строительные конструкции и фундаменты.
В большинстве случаев корпус расширителя представляет собой цилиндр, сваренный из листовой стали и двух доньев. Размеры листов стали в зависимости от размеров расширителя выбирают различными: длина 1500—5000 мм, ширина 800—1400 мм и толщина 1,4— 4 мм (ГОСТ 19903-74 и 19904-74). Внутренняя поверхность расширителя окрашивается маслостойкими лаками, а наружная — водоотталкивающими.
Рис. 2. Крепление съемного дна .
1 — стальное съемное дно расширителя; 2 — стенка расширителя; 3 — резиновая уплотняющая шайба; 4 — крепящий стальной болт; 5 — гайка; 6 — приваренный к стенке стальной фланец.
При отсутствии окраски внутренняя поверхность, находящаяся над маслом, подвергается коррозии. Окраску внутренней поверхности расширителей диаметром до 690 мм производят через съемные донья (рис. 2), а расширителей диаметром более 690 мм — через специальные люки. В расширителях больших диаметров и длин делают два люка — по одному на каждом дне. Расширитель без съемного дна или люка в дне недопустим (ГОСТ 11677-75). Старые расширители не имели съемного дна или люка; толщина дна была 3—4 мм. При наличии люков, ослабляющих механическую прочность дна, его толщину принимают 6—8 мм. Кроме того, дно без люков усиливают, делая в нем три выдавки. Приваренное к корпусу расширителя дно в некоторых случаях имеет выступ за наружный диаметр цилиндрической части расширителя, равный 6 мм, для наложения наружного сварного шва.
При наличии съемного дна (рис. 2) к наружной поверхности корпуса расширителя 2 у его края приваривают фланец 6 с отверстиями для болтов 4. На этом фланце при помощи болтов устанавливают дно 1. Для уплотнения между фланцем и дном служит резиновая шайба 3. Для увеличения жесткости дна его поверхность делают фасонной; края дна отбортовывают, а в плоской части делают выдавки.
Расширитель крепится на крышке бака трансформатора. В большинстве случаев это крепление разъемное.
Крепление расширителей диаметром 250 и 310 мм показано на рис. 3. Две скобы уголкового профиля 1, приваренные к стенке расширителя 2, крепятся при помощи шпилек 3 и гаек 4 к двум уголкам 5, приваренным к крышке 6 трансформатора. Расширители имеют плоский маслоуказатель 7 и встроенный воздухоосушитель 8, трубопровод 9 с условным проходом 25 мм, соединяющий расширитель с крышкой трансформатора.
Крепление расширителей диаметром 470 мм показаны на рис. 4. Две плоские опорные пластины 1 привариваются к стенке расширителя 2, усиленной поясами 3. Плоские пластины приварены к угольникам 4, которые крепятся при помощи шпилек 5, вваренных в крышку трансформатора, и гаек 7. Расширители имеют трубчатый маслоуказатель 8, встроенный воздухоосушитель 9, трубопровод 10 с условным проходом 50 мм, в рассечку которого встроено газовое реле 11, пробку для спуска остатков грязи 12.
Рис. 3. Крепление расширителей диаметром 250 и 310 мм .
I — скобы уголкового профиля для крепления расширителя; 2 — стенка расширителя; 3 — шпилька; 4 — гайка; 5 — уголки для крепления расширителя, приваренные к крышке; 6 — крышка трансформатора; 7 — плоский маслоуказатель; 8 — встроенный воздухоосушитель; 9 — трубопровод, соединяющий расширитель с крышкой.
Крепление расширителей диаметром 690; 940; 1260 и 1570 мм показано на рис. 20. К стенке расширителя 1 приварены усиливающие пояса 2, к которым сплошным швом присоединены опорные пластины 3, закрепляемые сваркой с направляющим угольником 4. В отдельных случаях вместо угольников 4 применяют швеллеры или специальные профили (двутавры и т. и.). Конструкция угольников 4 может быть различной. Направляющие угольники 4 крепят к крышке 5 трансформатора при помощи болтов и гаек. Расширители снабжены трубчатым или стрелочным маслоуказателем 6, имеют трубопровод 7, соединяющий расширитель с крышкой, с условным проходом 80 мм, в рассечку которого встроено газовое реле 8.
В ряде конструкций опорная пластина снизу изгибается под углом 90°. В этом случае она не приваривается к швеллеру. При большом диаметре расширителя его ставят на опорные стальные полосы, которым придана форма стенки расширителя и которые приварены к опорным пластинам. Жесткость конструкции увеличивают двумя шпильками, связывающими опорные пластины. Это делают для расширителей больших диаметров и длин, а следовательно, при больших расстояниях между опорными пластинами. Иногда увеличивают жесткость конструкции при помощи приварки к опорным пластинам вертикальных косынок.
Рис. 4. Крепление расширителя диаметром 470 мм .
1 — опорные пластины; 2 — стенка расширителя; 3 — усиливающие стенку пояса; 4 — крепящие угольники, приваренные к опорным пластинам; 5 — шпильки, вваренные в крышку; 6 — крышка; 7 — гайка; 8 — трубчатый маслоуказатель; 9 — встроенный воздухоосушитель; 10 — трубопровод, соединяющий расширитель с крышкой; 11 —газовое реле; 12 — грязевик; 13 — кольцо для подъема расширителя; 14 — пробка; 15 — плоский кран.
Рис.5. Крепление расширителей диаметром 690 мм и более .
1 — стенка расширителя; 2 — усиливающие стенку пояса; 3 — опорные пластины; 4 — крепящие угольники (швеллеры), приваренные к опорным пластинам; 5 — крышка; 6 — маслоуказатель; 7 — трубопровод, соединяющий расширитель с крышкой; 8 — газовое реле; 9 — плоский кран; 10 — выхлопная труба; 11 — воздухоосушитель; 12 — кольца для подъема расширителя; 13 — пробка;. 14 — газоотводные трубы; 15 — трубопровод для подсоединения воздухоосушителя; 16 — патрубок для подсоединения воздухоосушителя; 17 — пробка или вентиль для спуска и заливки масла.
Рис.6. Установка расширителя с прямым трубопроводом. 1 — встроенный воздухоосушитель; 2 — стенка расширителя; 3— съемное дно; 4 — плоский маслоуказатель; 5 — крепежные детали (болт, гайка, шайба); 6 — пробка для заливки масла; 7 — пробка для слива осадков масла; 8 — фланец трубопровода; 9 — прямой трубопровод; 10 — крышка трансформатора; 11 — скобы для крепления расширителя.
Если трансформатор транспортируют к месту его установки с закрепленным на нем расширителем, то крепление, помимо массы расширителя с маслом, должно выдерживать и ветровую нагрузку. Кроме того, корпус расширителя и его сварные швы должны выдерживать динамические нагрузки — удары масла, перемещающегося внутри расширителя при транспортировании.
Толщина стенки расширителя приведена в табл. 2. Выбор толщины стенки в большинстве случаев зависит от технологических особенностей его изготовления, в частности, от сварки, и практически расчету не поддается.
Расширитель соединяется с баком трансформатора при помощи маслопровода, конструкция которого зависит от того, установлено между баком и расширителем газовое реле или нет. В трансформаторах, не имеющих газового реле, маслопровод изготовляется из водогазопроводной трубы с условным проходом 25 мм или из электросварной трубы диаметром 51 мм с толщиной стенки 1,6—1,75 мм. Один конец трубы 9 (рис. 6) вварен в расширитель, причем он входит внутрь на 30— 50 мм для того, чтобы грязное масло и влага, скапливающиеся в нижней части расширителя, не попадали в бак трансформатора. К другому концу трубы приварен фланец 8, при помощи которого маслопровод присоединяется к крышке бака. В зависимости от расположения расширителя относительно бака маслопровод может быть вертикальным, наклонным или изогнутым в верхней и нижней частях радиусом 125 мм. В случае вертикального маслопровода он служит дополнительной опорой расширителя.
Газовое реле устанавливают на трансформаторах мощностью 1000 кВ-А и более, а также на трансформаторах, предназначенных для собственных нужд станций и подстанций мощностью 400 и 630 кВ-А, и на трансформаторах, устанавливаемых внутри промышленных или общественных зданий по специальному требованию заказчика. В этом случае при количестве масла в трансформаторе 800—6450 кг маслопровод выполняют из трубы диаметром 51 мм, а при большем количестве масла — из трубы с условным проходом 80 мм. Маслопровод диаметром 51 мм крепится к крышке трансформатора четырьмя вваренными в нее шпильками, а маслопровод с условным проходом 80 мм — четырьмя болтами, которые ввертываются в приваренный для этой цели к крышке стальной фланец высотой 16 мм. В качестве уплотнения применяется резиновая шайба. Со стороны расширителя на фланце маслопровода устанавливают плоский кран (рис. 4 и 6) для возможности перекрытия маслопровода при снятии расширителя с трансформатора.
Маслопровод при наличии газового реле состоит из двух частей (патрубков), между которыми на фланцах устанавливается реле. Нижний фланец нижнего патрубка крепится к крышке бака трансформатора у ее края на продольной оси трансформатора или вблизи нее. Расположение фланца зависит от расположения на крышке другой арматуры.
Трансформаторы транспортируют без газового реле, Даже когда при транспортировании расширитель не демонтируют. В этом случае на место реле устанавливают временный патрубок такого же размера, как и реле, или смещают расширитель ближе к крышке на размер газового реле. В последнем случае предусматривают специальную конструкцию временного крепления расширителя.
Конструкция расширителя предусматривает установку на нем арматуры, необходимой для нормальной работы трансформатора. В связи с этим расширитель имеет (рис. 20): патрубки для присоединения воздухоосушителя 16, газоотводных труб 14 (связывающих воздушные пространства расширителя и выхлопной трубы) и маслоуказателя (при стеклянном маслоуказателе 6); пробку или вентиль 17 в нижней части корпуса расширителя для слива масла; пробку 13 для заливки масла в трансформаторах мощностью до 6300 кВ-А включительно или вентиль в трансформаторах больших мощностей; кольца 12 для подъема расширителя краном; фланец на дне расширителя для присоединения реле низкого уровня масла в трансформаторах 10000 кВ-А и более.
Расширитель имеет сообщение с наружным воздухом. При нагревании масла оно расширяется и воздух из расширителя вытесняется, при охлаждении — засасывается. В старых конструкциях расширитель имел непосредственное сообщение с наружным воздухом. В большинстве существующих. конструкций трансформаторов «дыхание» осуществляется через воздухоосушитель, который предохраняет масло от загрязнения и увлажнения.
