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 проблемыВ 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 публикацийВ 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 исследованийПроведено экспериментально-теоретическое исследование нагревания активной части КТП типа КТПВ-1250/6-1,2, общий вид которой показан на рисунке 1.
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:
- нагревание при свободном теплообмене с окружающей воздушной средой в открытом состоянии;
- нагревание в условиях, полностью ограничивающих свободный теплообмен с окружающей средой по причине расположения объекта в герметичной оболочке, служащей своеобразным теплообменником, воспринимающим тепловые потоки от обмоток и магнитопровода за счет естественной конвекции внутреннего воздуха и передающим тепло окружающей оболочку среде.
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.
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:
- более равномерное распределение температурного поля в осевых каналах активной части, особенно в канале НН-магнитопровод, из-за близости стержня магнитопровода (см. рисунки 2,3);
- наличие зоны максимальной температуры на уровне 3/4 высоты обмоток НН аналогично тепловому полю обмоток при нагреве их номинальным током (для канала НН-магнитопровод эта зона будет несколько расширена по причине очень малого перепада в 2,5 °С – кривая 4 на рисунке 3);
- превышение температуры верхнего ярма магнитопровода при свободном теплообмене трансформатора со средой находится в пределах 80...105 °С (ТМК-55), а и при замкнутом теплообмене (активная часть заключена в оболочке КТП) превышение температуры по оси фазы В составило 120,5 °С, а по оси фазы С – 110 °С.
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)
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.
- 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).
- 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.
- 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.
-
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.
- Сорока Е.А. Особенности нагрева катушечных и слоевых обмоток рудничных трансформаторов типа ТСВ // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб.науч. тр. УкрНИИВЭ.-Донецк,2001.-С.105-112.
- 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.
- 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.
