ВІД РОЗРОБКИ ДО ВПРОВАДЖЕННЯ

Головна : : Статті : : Теплові дослідження активної частини трансформаторної...

В.М. Грушко, Є.В. Золотарев, Є.А. Сорока, І.Я. Чернов

Теплові дослідження активної частини трансформаторної підстанції типу КТПВ-1250/6-1,2 у різних умовах нагрівання та охолодження

Постановка проблеми

У сучасному електромашинобудуванні, у тому числі й у рудничному трансформаторобудуванні, при проектуванні встаткування доводиться зіштовхуватися з необхідністю рішення ряду проблем, з яких проблема нагрівання і охолодження, через вирішальну роль теплових обмежень, відіграє найважливішу роль при вдосконалюванні конструкції існуючих електричних машин та, особливо, при розробці нових – підвищеної потужності, у яких теплові навантаження значно зростають. Проблема поліпшення масогабаритних показників електричних двигунів, трансформаторів і комплектних трансформаторних підстанцій (КТП), особливо рудничних вибухозахищеного виконання із властивими ним тяжкими умовами охолодження активної частини, тісно пов'язана із процесами нагрівання. Тому дослідження теплових режимів вибухобезпечних трансформаторів та КТП підвищеної потужності (1000, 1250 кВ·А), тобто питань, які складають специфічну та одну з найбільш складних як у теоретичному, так і у практичному відношенні проблем, які визначають технічний рівень сучасного рудничного трансформаторобудування, здобуває особливу актуальність.

Аналіз досліджень і публікацій

У сухих вибухозахищених трансформаторах КТП с вертикальним розташуванням стрижнів магнітопровода та концентрично встановленими на них обмотками вищої та нижчої напруги (ВН і НН) охолодження активної частини забезпечується за рахунок природної конвекції внутрішнього повітря та випромінювання з поверхні обмоток і магнітопровода. Умови охолодження обмоток дуже важкі, тому що вони крім безпосереднього нагрівання випробовують також взаємний підігрів і підігрів від магнітопровода. Дана обставина зажадала всебічного та ретельного вивчення теплового стану активної частини трансформаторів типу ТСВ.

Теплове експериментально-теоретичне дослідження макетів різних типів обмоток з метою визначення оптимальних з погляду тепловіддачі геометричних розмірів охолодних каналів виконано в роботі [1], у якій показані результати та порівняльний аналіз нагрівання обмоток з погляду ефективності їхнього охолодження. У роботі [2] вивчався тепловий стан активної частини (силового трансформатора) шахтної комплектної трансформаторної підстанції типу КТПВ-1000-6/1,2 у різних режимах роботи, що дало можливість придбати певний досвід дослідження КТП підвищеної потужності (1250 кВ·А і вище).

Ціль статті. Аналіз розподілу стаціонарного температурного поля в охолодних каналах активної частини КТП потужністю 1250 кВ·А у різних режимах нагрівання та охолодження.

Результати досліджень

Проведено експериментально-теоретичне дослідження нагрівання активної частини КТП типу КТПВ-1250/6-1,2, загальний вид якої показаний на рисунку 1.

Загальний вид трансформаторної підстанції типу КТПВ-1250/6-1,2
Рисунок 1 – Загальний вид трансформаторної підстанції типу КТПВ-1250/6-1,2

Дана КТП складається із силового трансформатора (активної частини), розподільного пристрою вищої напруги (РУВН), сполученого з оболонкою силового трансформатора аналогічної серії КТПВ потужністю 100...630 кВ·А, і розподільного пристрою нижчої напруги (РУНН).

Особливості конструкції та технології виготовлення активної частини КТП потужністю 1250 кВ·А наступні: силовий трансформатор сухого типу із природним повітряним охолодженням виконаний на трьохстрижневому планарному шихтованому магнітопроводі з холоднокатаної текстурованої електротехнічної сталі з низькими питомими втратами. З метою зниження втрат холостого ходу стики крайніх стрижнів та ярем виготовлені «косими» під кутом 45°.

Обмотки силового трансформатора намотані мідним проводом марки ПСДКТ-Л прямокутного перетину із кремнійорганічної ізоляції, яка витримує нагрівання до температури 200 ·С (ДСТ 8865-93). Обмотка НН – циліндрична з осьовим охолодним каналом між шарами шириною 12 мм; обмотка ВН – безперервна котушкова з радіальними охолодними каналами, намотана на ізоляційному циліндрі. На рисунку 2 схематично зображена активна частина КТПВ-1250/6-1,2 (фази В і С) с вказівкою габаритних розмірів вертикальних і горизонтальних охолодних каналів.

Дослідження нагрівання активної частини проводилися у двох принципово різних варіантах її теплового стану:

Отже, з технічної точки зору теплові дослідження розділені на два етапи. Перший етап – визначення теплового стану досліджуваного об'єкта без оболонки КТП при природному повітряному охолодженні у тривалих робочих режимах. Другий етап – визначення теплового стану та ефективності охолодження активної частини як складальної одиниці КТП, поміщеної в оболонку КТПВ-1250/6-1,2, зібрану в комплекті з РУВН і РУНН. Як на першому, так і на другому етапах досліджень нагрівання активної частини здійснюється у двох роздільних теплових режимах у послідовності та за методикою, установленою для випробувань на нагрівання сухих трансформаторів по ДСТУ 3645-97 (ДСТ 3484.2-98) – у режимі холостого ходу (ХХ) і в режимі короткого замикання (КЗ).

Для визначення температурного поля активної частини в характерних крапках її конструкції було встановлено 57 мідь-константанових термоелектричних термометрів (ТМК), які отримали завдяки своїй технологічності найбільше поширення при теплових випробуваннях і дослідженнях електричних машин.

Термопари ТМК №№ 1-14 і 15-26 зібрані блоками та поміщені в осьових каналах обмоток НН фаз С і В відповідно; блоки ТМК №№ 27-40 і 41-54 перебували в осьових каналах, утворених магнітопроводом та обмоткою НН, та вимірювали розподіл температури охолодного повітря в каналах по висоті обмоток НН; ТМК №№ 55,56 і 57 перебували на поверхні верхнього ярма магнітопровода (див. рисунок 2).

Теплові дослідження активної частини КТПВ-1250/6-1,2 проводилися на спеціалізованому іспитовому стенді та контролювалися за показниками ТМК №№ 1-57 за допомогою високоточної вимірювальної апаратури, у комплект якої входив цифровий вольтметр типу В7-23 і перемикаючий пристрій.

Розташування термопар в осьових охолодних каналах і на магнітопроводі активної частини трансформаторної підстанції типу КТПВ 1250/6-1,2
Рисунок 2 – Розташування термопар в осьових охолодних каналах і на магнітопроводі активної частини трансформаторної підстанції типу КТПВ 1250/6-1,2

Теплофізичний процес нагрівання тривав до сталого теплового стану досліджуваного об'єкта, тобто до досягнення Θнн.max=const , після чого силовий трансформатор відключався від мережі та вимірявся середній електричний опір постійному струму обмоток ВН і НН за допомогою універсальної мостової установки типу У-303 високого класу точності (Rx=10-6...106 Ом).

Графо-аналітичний метод розрахунку опору обмоток у момент їхнього відключення від мережі дозволив визначити їхнє середнє перевищення температури по формулі: Θнн.вн=((R0-Rхол)/Rхол)·(К+Тхол)+ Тхол- Токр

де R0 – електричний опір обмоток постійному струму в момент відключення;
Rхол – те ж у холодному стані;
Тхол – навколишня температура при вимірі Rхол;
Токр – те ж при вимірі R0
К – коефіцієнт, рівний 235 для обмоток з міді.

Безпосередньо перед виміром опору обмоток відповідно до теплової вимірювальної схеми (див. рисунок 2) проводилися виміри локальних перевищень температури активної частини з метою визначення стабільності її стаціонарного температурного поля.

Експериментальні значення перевищення температури в сталих режимах ХХ і КЗ обох етапів дослідження після відповідної обробки зведені в таблиці 1 та 2, а експериментально-розрахункові значення середнього перевищення температури обмоток ВН та НН у таблицю 3.

Порівняльний аналіз роздільних теплових режимів при номінальних втратах ХХ та КЗ активної частини без оболонки та в оболонці КТП показує певне розходження в розподілі температури в осьових каналах по висоті обмотки НН, що наочно випливає також з характеру графічних залежностей виду Θнн.max=ƒ(Hобм) (рисунки 3,4), побудованих за даними таблиць 1 і 2. Температурні криві показують розподіл даного параметра в каналах середньої фази В, як тієї яка найбільше нагрівається через більш тяжкі умови її охолодження в порівнянні із крайніми фазами А і С.

Аналіз температурного поля у вертикальних каналах активної частини в режимі ХХ, незважаючи на значний досвід проведення теплових випробувань вибухозахищених трансформаторів та КТП [2,3], становить підвищений інтерес через недостатню вивченість даного питання.

Спочатку процес нагрівання теплоносія в каналах (як при вільному, так і при обмеженому теплообміні об'єкта з навколишнім середовищем) іде майже за лінійним законом (рисунок 3) на відміну від нагрівання в навантажувальних режимах трансформатора [2], при яких температура збільшується за зростаючим законом статечної функції та у зоні 3/4Hобм (горизонтальна заштрихована область на рисунку 3) досягає максимальних значень. Спостерігається особливість температурного розподілу і по термолініям нагрівання 24-25-26 і 52-53-54 (номера ТМК), тобто у верхній частині каналів. Тут вище максимальної зони нагрівання відбувається певний спад інтенсивності теплообміну, що характеризується вигином кривої Θнн=ƒ(Hобм) убік зниження температури та наступних негативних градієнтів температури (див. рисунок 3): активна частина без оболонки – ΔΘнн-нн=6 °C; ΔΘнн-маг=4,5 °C; активна частина в оболонці – ΔΘнн-нн=4 °C; ΔΘнн-нн=2,5 °C. Фактичний розподіл температурного поля в каналах по висоті Hобм для другого етапу досліджень наступне. Перевищення температури повітря на вході в осьові охолодні канали становить: канал НН-НН – 45 °С, канал НН-магнітопровод – 60 °С; на виході з них – 74 и 87 °C відповідно, тобто осьові температурні градієнти по довжині каналів рівні ΔΘнн-нн=29 °C; ΔΘнн-маг=26 °C

Таблиця 1
Етап досліджень Режим нагрівання Перевищення температури в каналі обмотки НН фази «В» за номерами ТМК, °С
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
Активна частина без оболонки Холостий хід 15 19,6 24 28 32 34,5 36 38 42,4 47 43 42
Коротке замикання 26,5 40 54 77,8 94,3 102,8 110 119,5 130,1 140 136 119,7
Активна частина в оболонці КТП Холостий хід 45 52, 57 62,5 65 68 71 72,5 75 77 76 74
Коротке замикання 61 86,5 98 117 127,5 136 148 167 175 176 168 150,5
Таблиця 2
Етап досліджень Перевищення температури в каналі обмотки НН-магнітопровод фази «В»
при тривалому нагріванні в режимі ХХ за номерами ТМК, °С
41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
Активна частина без оболонки 30 36,4 43 48 53,5 56 59,3 60 63 64,8 64,3 63,3 61,5 58,5
Активна частина в оболонці КТП 60 65,3 70 75,5 79,3 82 84,5 86 87 89,2 90 89 88,3 87
Таблиця 3
Режим нагрівання тривалий Перевищення температури обмоток
(по середньому опорі, ДСТ 3484.2-98) і магнітної системи, °С
обмотка НН обмотка ВН магнітопровод (верхнє ярмо)
Холостий хід (UBH=6000 В) 34,6 29,5 120,5
Коротке замикання (Pном=1250 кВ·А) 122,3 140,4 89,2

Таким чином, для розглянутого режиму характерно:

Розподіл перевищення температури в осьових каналах по висоті обмотки НН фази «В» активної частини в режимі холостого ходу
Рисунок 3 – Розподіл перевищення температури в осьових каналах по висоті обмотки НН фази «В» активної частини в режимі холостого ходу
— канали активної частини без оболонки КТП (1 – канал НН-НН; 2 – канал НН-магнітопровод
— — канали активної частини в оболонці КТП (3 – канал НН-НН; 4 – канал НН-магнітопровод)

Розподіл перевищення температури в осьовому каналі обмотки НН фази «В» активної частини в режимі короткого замикання
Рисунок 4 – Розподіл перевищення температури в осьовому каналі обмотки НН фази «В» активної частини в режимі короткого замикання
1 – активна частина без оболонки
2 – активна частина в оболонці КТП

Для режиму КЗ характерним є розподіл температурного поля теплоносія (охолодного повітря) в осьових каналах обмотки НН, яка є с обмоткою ВН головним джерелом теплових втрат у цьому режимі нагрівання. Досвідчені дані перевищення температури в каналі НН-НН для обох етапів теплових досліджень активної частини КТПВ-1250/6-1,2 представлені в таблиці 1, за значеннями яких побудовані залежності типу Θ кзнн=ƒ(Hобм) (див. рисунок 4). Експериментальні криві показують, що розподіл температури в цьому режимі відрізняється від такого в режимі ХХ і підкоряється закону статечної функції виду У=Xa

Аналіз теплового стану активної частини в оболонці КТП у режимі КЗ виявив наступні особливості: зона максимальної температури звузилася в порівнянні з такою у режимі ХХ і в порівнянні з аналогічною зоною для КТПВ-1000/6 [3] за рахунок більше високого негативного градієнта у верхній частині каналу – ΔΘнн-нн=29 °C; осьовий температурний градієнт по висоті каналу склав ΔΘ15-26нн=89 °C (15 і 26 – крапки виміру температури на вході та виході з каналу, див. рисунки 2,4); максимальне перевищення температури в каналі – 176 °С, а на поверхні верхнього ярма магнітопровода – 89,2 °С.

Середнє перевищення температури обмоток НН і ВН для кожного зі сталих теплових режимів окремо (активна частина в оболонці КТП), певне по зміні їхнього електричного опору постійному струму, було представлено в таблиці 3.

За експериментально-розрахунковим даними таблиці 3 згідно ДСТУ 3645-97 (ДСТ 3484.2-98, МЭК 76-2-93) було визначено середнє перевищення температури обмоток НН і ВН активної частини КТПВ-1250/6-1,2 відповідне її номінальним параметрам, по формулі
ΔΘобм=ΔΘ''обм[1+(ΔΘ'обм/+(ΔΘ''обм)1,25]0,8 (1)

де, ΔΘобм – загальне перевищення температури кожної з обмоток при номінальних умовах;
ΔΘ' – середнє перевищення температури кожної з обмоток, певне в режимі ХХ;
ΔΘ' – середнє перевищення температури кожної з обмоток, певне в режимі КЗ.

Для магнітної системи досліджуваної активної частини загальне перевищення температури визначалося щодо максимального перевищення температури верхнього ярма магнітопровода (ТМК-55) по формулі ΔΘмаг=ΔΘ'маг[1+(ΔΘ''маг/+(ΔΘ'маг)1,25]0,7 (2)

де, ΔΘобм – загальне перевищення температури магнітної системи;
ΔΘ'обм – перевищення температури магнітної системи в режимі ХХ;
ΔΘ''обм – перевищення температури магнітної системи в режимі КЗ.

Висновки
  1. Перевищення температури обмоток активної частини в оболонці КТПВ-1250/6-1,2, певне по зміні їхнього опору по формулі (1) після тривалих сталих режимів ХХ і КЗ при температурі навколишнього середовища 13 °С, становить для обмотки НН – 142,4 °С і для обмотки ВН – 149,4 °С і перебуває в межах, нормованих ДСТ 16837-79 і ТУ У 31.1-00217159-034-2002 (для активної частини без оболонки ці перевищення відповідно становлять 73,5 і 84,9 °С).
  2. Найбільше перевищення температури магнітопровода активної частини в оболонці КТПВ-1250/6-1,2, визначене за формулою (2) після тривалих сталих режимів ХХ і КЗ при Токр=13 °С, становить 173 °С.
  3. Тепловий стан обмоток НН характеризується нерівномірним розподілом температури, у результаті чого максимальне її перевищення в режимі КЗ при Rном=1250 кВ·А досягає 176 °С, а повне перевищення згідно (1) – 192 °С.
  4. Зниження максимальної температури обмоток рудничних трансформаторів, як резерву для подальшого збільшення їхньої потужності, може бути досягнуте за рахунок наступних технічних рішень:
    • дослідження та вибір оптимальних параметрів і геометричних розмірів охолодних каналів обмотки;
    • дослідження та вибір оптимальних параметрів оболонки активної частини, що було досить повно обґрунтоване в [3] при дослідженні температурного поля оболонок КТП потужністю 1000 і 1250 кВ·А;
    • застосування системи примусового повітряного охолодження активної частини трансформаторів та КТП;
    • за розрахунковий режим роботи КТП підвищеної потужності варто прийняти повторно-короткочасний (ДСТ 18311-80) с ПВ=60 %;
    • застосування сучасних технічних засобів – «надпровідників тепла» або теплових труб, які вбудовуються в охолодні канали обмоток.
Список літератури
  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.
Головна : : Статті : : Теплові дослідження активної частини трансформаторної...
Україна, м. Донецьк,
вул. 50-й Гвардійської дивізії, 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