ОТ РАЗРАБОТКИ ДО ВНЕДРЕНИЯ

Главная : : Статьи : : Тепловые исследования активной части трансформаторной...

В.М. Грушко, Е.В. Золотарев, Е.А. Сорока, И.Я. Чернов

Тепловые исследования активной части трансформаторной подстанции типа КТПВ-1250/6-1,2 в различных условиях нагрева и охлаждения

Постановка проблемы

В современном электромашиностроении, в том числе и в рудничном трансформаторостроении, при проектировании оборудования приходится сталкиваться с необходимостью решения ряда проблем, из которых проблема нагревания и охлаждения, ввиду решающей роли тепловых ограничений, играет важнейшую роль при совершенствовании конструкции существующих электрических машин и, особенно, при разработке новых – повышенной мощности, у которых тепловые нагрузки значительно возрастают. Проблема улучшения массогабаритных показателей электрических двигателей, трансформаторов и комплектных трансформаторных подстанций (КТП), особенно рудничных взрывозащищенного исполнения с присущими им тяжелыми условиями охлаждения активной части, тесно связана с процессами нагревания. Поэтому исследование тепловых режимов взрывобезопасных трансформаторов и КТП повышенной мощности (1000, 1250 кВ·А), т.е. вопросов, составляющих специфическую и одну из наиболее сложных как в теоретическом, так и в практическом отношении проблем, определяющих технический уровень современного рудничного трансформаторостроения, приобретает особую актуальность.

Анализ исследований и публикаций

В сухих взрывозащищенных трансформаторах КТП с вертикальным расположением стержней магнитопровода и концентрически установленными на них обмотками высшего и низшего напряжения (ВН и НН) охлаждение активной части обеспечивается за счет естественной конвекции внутреннего воздуха и излучения с поверхности обмоток и магнитопровода. Условия охлаждения обмоток очень тяжелые, так как они кроме непосредственного нагрева испытывают также взаимный подогрев и подогрев от магнитопровода. Данное обстоятельство потребовало всестороннего и тщательного изучения теплового состояния активной части трансформаторов типа ТСВ.

Тепловое экспериментально-теоретическое исследование макетов различных типов обмоток с целью определения оптимальных с точки зрения теплоотдачи геометрических размеров охлаждающих каналов выполнено в работе [1], в которой показаны результаты и сравнительный анализ нагрева обмоток с точки зрения эффективности их охлаждения. В работе [2] изучалось тепловое состояние активной части (силового трансформатора) шахтной комплектной трансформаторной подстанции типа КТПВ-1000-6/1,2 в различных режимах работы, что дало возможность приобрести определенный опыт исследования КТП повышенной мощности (1250 кВ·А и выше).

Цель статьи. Анализ распределения стационарного температурного поля в охлаждающих каналах активной части КТП мощностью 1250 кВ·А в различных режимах нагрева и охлаждения.

Результаты исследований

Проведено экспериментально-теоретическое исследование нагревания активной части КТП типа КТПВ-1250/6-1,2, общий вид которой показан на рисунке 1.

Общий вид трансформаторной подстанции типа КТПВ-1250/6-1,2
Рисунок 1 – Общий вид трансформаторной подстанции типа КТПВ-1250/6-1,2

Данная КТП состоит из силового трансформатора (активной части), распределительного устройства высшего напряжения (РУВН), совмещенного с оболочкой силового трансформатора аналогично серии КТПВ мощностью 100...630 кВ·А, и распределительного устройства низшего напряжения (РУНН).

Особенности конструкции и технологии изготовления активной части КТП мощностью 1250 кВ·А следующие: силовой трансформатор сухого типа с естественным воздушным охлаждением выполнен на трехстержневом планарном шихтованном магнитопроводе из холоднокатаной текстурованной электротехнической стали с низкими удельными потерями. С целью снижения потерь холостого хода стыки крайних стержней и ярм изготовлены «косыми» под углом 45°.

Обмотки силового трансформатора намотаны медным проводом марки ПСДКТ-Л прямоугольного сечения с кремнийорганической изоляцией, выдерживающей нагрев до температуры 200 ·С (ГОСТ 8865-93). Обмотка НН – цилиндрическая с осевым охлаждающим каналом между слоями шириной 12 мм; обмотка ВН – непрерывная катушечная с радиальными охлаждающими каналами, намотанная на изоляционном цилиндре. На рисунке 2 схематично изображена активная часть КТПВ-1250/6-1,2 (фазы В и С) с указанием габаритных размеров вертикальных и горизонтальных охлаждающих каналов.

Исследования нагревания активной части проводились в двух принципиально различных вариантах ее теплового состояния:

Следовательно, с технической точки зрения тепловые исследования разделены на два этапа. Первый этап – определение теплового состояния исследуемого объекта без оболочки КТП при естественном воздушном охлаждении в продолжительных рабочих режимах. Второй этап – определение теплового состояния и эффективности охлаждения активной части в качестве сборочной единицы КТП, помещенной в оболочку КТПВ-1250/6-1,2, собранную в комплекте с РУВН и РУНН. Как на первом, так и на втором этапах исследований нагрев активной части осуществлялся в двух раздельных тепловых режимах в последовательности и по методике, установленной для испытаний на нагрев сухих трансформаторов по ДСТУ 3645-97 (ГОСТ 3484.2-98) – в режиме холостого хода (ХХ) и в режиме короткого замыкания (КЗ).

Для определения температурного поля активной части в характерных точках ее конструкции было установлено 57 медь-константановых термоэлектрических термометров (ТМК), получивших благодаря своей технологичности наибольшее распространение при тепловых испытаниях и исследованиях электрических машин.

Термопары ТМК №№ 1-14 и 15-26 собраны блоками и помещены в осевых каналах обмоток НН фаз С и В соответственно; блоки ТМК №№ 27-40 и 41-54 находились в осевых каналах, образованных магнитопроводом и обмоткой НН, и измеряли распределение температуры охлаждающего воздуха в каналах по высоте обмоток НН; ТМК №№ 55,56 и 57 находились на поверхности верхнего ярма магнитопровода (см. рисунок 2).

Тепловые исследования активной части КТПВ-1250/6-1,2 проводились на специализированном испытательном стенде и контролировались по показаниям ТМК №№ 1-57 с помощью высокоточной измерительной аппаратуры, в комплект которой входил цифровой вольтметр типа В7-23 и переключающее устройство.

Расположение термопар в осевых охлаждающих каналах и на магнитопроводе активной части трансформаторной подстанции типа КТПВ 1250/6-1,2
Рисунок 2 – Расположение термопар в осевых охлаждающих каналах и на магнитопроводе активной части трансформаторной подстанции типа КТПВ 1250/6-1,2

Теплофизический процесс нагревания продолжался до установившегося теплового состояния исследуемого объекта, т.е. до достижения Θнн.max=const , после чего силовой трансформатор отключался от сети и измерялось среднее электрическое сопротивление постоянному току обмоток ВН и НН с помощью универсальной мостовой установки типа У-303 высокого класса точности (Rx=10-6...106 Ом).

Графо-аналитический метод расчета сопротивления обмоток в момент их отключения от сети позволил определить их среднее превышение температуры по формуле: Θнн.вн=((R0-Rхол)/Rхол)·(К+Тхол)+ Тхол- Токр

где R0 – электрическое сопротивление обмоток постоянному току в момент отключения;
Rхол – то же в холодном состоянии;
Тхол – окружающая температура при измерении Rхол;
Токр – то же при измерении R0
К – коэффициент, равный 235 для обмоток из меди.

Непосредственно перед измерением сопротивления обмоток согласно тепловой измерительной схеме (см. рисунок 2) проводились измерения локальных превышений температуры активной части с целью определения стабильности ее стационарного температурного поля.

Экспериментальные значения превышения температуры в установившихся режимах ХХ и КЗ обоих этапов исследования после соответствующей обработки сведены в таблицы 1 и 2, а экспериментально-расчетные значения среднего превышения температуры обмоток ВН и НН в таблицу 3.

Сравнительный анализ раздельных тепловых режимов при номинальных потерях ХХ и КЗ активной части без оболочки и в оболочке КТП показывает определенное различие в распределении температуры в осевых каналах по высоте обмотки НН, что наглядно следует также из характера графических зависимостей вида Θнн.max=ƒ(Hобм) (рисунки 3,4), построенных по данным таблиц 1 и 2. Температурные кривые показывают распределение данного параметра в каналах средней фазы В, как наиболее нагреваемой из-за более тяжелых условий ее охлаждения по сравнению с крайними фазами А и С.

Анализ температурного поля в вертикальных каналах активной части в режиме ХХ, несмотря на значительный опыт проведения тепловых испытаний взрывозащищенных трансформаторов и КТП [2,3], представляет повышенный интерес ввиду недостаточной изученности данного вопроса.

Вначале процесс нагревания теплоносителя в каналах (как при свободном, так и при ограниченном теплообмене объекта с окружающей средой) идет почти по линейному закону (рисунок 3) в отличие от нагрева в нагрузочных режимах трансформатора [2], при которых температура увеличивается по возрастающему закону степенной функции и в зоне 3/4Hобм (горизонтальная заштрихованная область на рисунке 3) достигает максимальных значений. Наблюдается особенность температурного распределения и по термолиниям нагрева 24-25-26 и 52-53-54 (номера ТМК), т.е. в верхней части каналов. Здесь выше максимальной зоны нагревания происходит определенный спад интенсивности теплообмена, что характеризуется изгибом кривой Θнн=ƒ(Hобм) в сторону снижения температуры и следующими отрицательными градиентами температуры (см.рисунок 3): активная часть без оболочки – ΔΘнн-нн=6 °C; ΔΘнн-маг=4,5 °C; активная часть в оболочке – ΔΘнн-нн=4 °C; ΔΘнн-нн=2,5 °C. Фактическое распределение температурного поля в каналах по высоте Hобм для второго этапа исследований следующее. Превышение температуры воздуха на входе в осевые охлаждающие каналы составляет: канал НН-НН – 45 °С, канал НН-магнитопровод – 60 °С; на выходе из них – 74 и 87 °C соответственно, т.е. осевые температурные градиенты по длине каналов равны ΔΘнн-нн=29 °C; ΔΘнн-маг=26 °C

Таблица 1
Этап исследований Режим нагревания Превышение температуры в канале обмотки НН фазы «В» по номерам ТМК, °С
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
Активная часть без оболочки Холостой ход 15 19,6 24 28 32 34,5 36 38 42,4 47 43 42
Короткое замыкание 26,5 40 54 77,8 94,3 102,8 110 119,5 130,1 140 136 119,7
Активная часть в оболочке КТП Холостой ход 45 52, 57 62,5 65 68 71 72,5 75 77 76 74
Короткое замыкание 61 86,5 98 117 127,5 136 148 167 175 176 168 150,5
Таблица 2
Этап исследований Превышение температуры в канале обмотки НН-магнитопровод фазы «В»
при продолжительном нагревании в режиме ХХ по номерам ТМК, °С
41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
Активная часть без оболочки 30 36,4 43 48 53,5 56 59,3 60 63 64,8 64,3 63,3 61,5 58,5
Активная часть в оболочке КТП 60 65,3 70 75,5 79,3 82 84,5 86 87 89,2 90 89 88,3 87
Таблица 3
Режим нагревания продолжительный Превышение температуры обмоток
(по среднему сопротивлению, ГОСТ 3484.2-98) и магнитной системы, °С
обмотка НН обмотка ВН магнитопровод (верхнее ярмо)
Холостой ход (UBH=6000 В) 34,6 29,5 120,5
Короткое замыкание (Pном=1250 кВ·А) 122,3 140,4 89,2

Таким образом, для рассматриваемого режима характерно:

Распределение превышения температуры в осевых каналах по высоте обмотки НН фазы «В» активной части в режиме холостого хода
Рисунок 3 – Распределение превышения температуры в осевых каналах по высоте обмотки НН фазы «В» активной части в режиме холостого хода
— каналы активной части без оболочки КТП (1 – канал НН-НН; 2 – канал НН-магнитопровод
— — каналы активной части в оболочке КТП (3 – канал НН-НН; 4 – канал НН-магнитопровод)

Распределение превышения температуры в осевом канале обмотки НН фазы «В» активной части в режиме короткого замыкания
Рисунок 4 – Распределение превышения температуры в осевом канале обмотки НН фазы «В» активной части в режиме короткого замыкания
1 – активная часть без оболочки
2 – активная часть в оболочке КТП

Для режима КЗ характерным является распределение температурного поля теплоносителя (охлаждающего воздуха) в осевых каналах обмотки НН, являющейся с обмоткой ВН главным источником тепловых потерь в этом режиме нагревания. Опытные данные превышения температуры в канале НН-НН для обоих этапов тепловых исследований активной части КТПВ-1250/6-1,2 представлены в таблице 1, по значениям которых построены зависимости типа Θ кзнн=ƒ(Hобм) (см. рисунок 4). Экспериментальные кривые показывают, что распределение температуры в этом режиме отличается от такового в режиме ХХ и подчиняется закону степенной функции вида У=Xa

Анализ теплового состояния активной части в оболочке КТП в режиме КЗ выявил следующие особенности: зона максимальной температуры сузилась по сравнению с таковой в режиме ХХ и по сравнению с аналогичной зоной для КТПВ-1000/6 [3] за счет более высокого отрицательного градиента в верхней части канала – ΔΘнн-нн=29 °C; осевой температурный градиент по высоте канала составил ΔΘ15-26нн=89 °C (15 и 26 – точки измерения температуры на входе и выходе из канала, см. рисунки 2,4); максимальное превышение температуры в канале – 176 °С, а на поверхности верхнего ярма магнитопровода – 89,2 °С.

Среднее превышение температуры обмоток НН и ВН для каждого из установившихся тепловых режимов в отдельности (активная часть в оболочке КТП), определенное по изменению их электрического сопротивления постоянному току, было представлено в таблице 3.

По экспериментально-расчетным данным таблицы 3 согласно ДСТУ 3645-97 (ГОСТ 3484.2-98, МЭК 76-2-93) было определено среднее превышение температуры обмоток НН и ВН активной части КТПВ-1250/6-1,2 соответствующее ее номинальным параметрам, по формуле
ΔΘобм=ΔΘ''обм[1+(ΔΘ'обм/+(ΔΘ''обм)1,25]0,8 (1)

где, ΔΘобм – общее превышение температуры каждой из обмоток при номинальных условиях;
ΔΘ' – среднее превышение температуры каждой из обмоток, определенное в режиме ХХ;
ΔΘ' – среднее превышение температуры каждой из обмоток, определенное в режиме КЗ.

Для магнитной системы исследуемой активной части общее превышение температуры определялось относительно максимального превышения температуры верхнего ярма магнитопровода (ТМК-55) по формуле ΔΘмаг=ΔΘ'маг[1+(ΔΘ''маг/+(ΔΘ'маг)1,25]0,7 (2)

где, ΔΘобм – общее превышение температуры магнитной системы;
ΔΘ'обм – превышение температуры магнитной системы в режиме ХХ;
ΔΘ''обм – превышение температуры магнитной системы в режиме КЗ.

Выводы
  1. Превышение температуры обмоток активной части в оболочке КТПВ-1250/6-1,2, определенное по изменению их сопротивления по формуле (1) после продолжительных установившихся режимов ХХ и КЗ при температуре окружающей среды 13 °С, составляет для обмотки НН – 142,4 °С и для обмотки ВН – 149,4 °С и находится в пределах, нормируемых ГОСТ 16837-79 и ТУ У 31.1-00217159-034-2002 (для активной части без оболочки эти превышения соответственно составляют 73,5 и 84,9 °С).
  2. Наибольшее превышение температуры магнитопровода активной части в оболочке КТПВ-1250/6-1,2, определенное по формуле (2) после продолжительных установившихся режимов ХХ и КЗ при Токр=13 °С, составляет 173 °С.
  3. Тепловое состояние обмоток НН характеризуется неравномерным распределением температуры, в результате чего максимальное ее превышение в режиме КЗ при Rном=1250 кВ·А достигает 176 °С, а полное превышение согласно (1) – 192 °С.
  4. Снижение максимальной температуры обмоток рудничных трансформаторов, как резерва для дальнейшего увеличения их мощности, может быть достигнуто за счет следующих технических решений:
    • исследование и выбор оптимальных параметров и геометрических размеров охлаждающих каналов обмотки;
    • исследование и выбор оптимальных параметров оболочки активной части, что было достаточно полно обосновано в [3] при исследовании температурного поля оболочек КТП мощностью 1000 и 1250 кВ·А;
    • применение системы принудительного воздушного охлаждения активной части трансформаторов и КТП;
    • за расчетный режим работы КТП повышенной мощности следует принять повторно-кратковременный (ГОСТ 18311-80) с ПВ=60 %;
    • применение современных технических средств – «сверхпроводников тепла» или тепловых труб, встраиваемых в охлаждающие каналы обмоток.
Список литературы
  1. Сорока Е.А. Особенности нагрева катушечных и слоевых обмоток рудничных трансформаторов типа ТСВ // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб.науч. тр. УкрНИИВЭ.-Донецк,2001.-С.105-112.
  2. Сорока Е.А., Золотарев Е.В. Особенности нагревания активной части взрывобезопасной трансформаторной подстанции мощностью 1000 кВ·А в различных режимах // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб.науч. тр. УкрНИИВЭ.-Донецк:Юго-Восток,2003.-С.38-49.
  3. Сорока Е.А., Золотарев Е.В., Калач Е.Н., Локтионов Г.Л. Исследование и сравнительный анализ стационарного температурного поля оболочек трансформаторных подстанций типа КТПВ мощностью 1000 и 1250 кВ·А // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ.-Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд»,2005.-С.59-68.
Главная : : Статьи : : Тепловые исследования активной части трансформаторной...
Украина, г. Донецк,
ул. 50-й Гвардейской дивизии, 17
тел.: +380 62 382-93-53
Рейтинг@Mail.ru Інформаційно-розважальний портал КомерСайт .Рейтинг сайтів регіону Украинский портАл Украина-Сегодня: Каталог сайтов Яндекс цитирования Украина онлайн Rambler Top100 Rambler's Top100 Б И З Н Е С - И Н Ф О Р М -  Каталог фирм, организаций, товаров и услуг Украины Valid XHTML 1.1