Особенности процесса теплопереноса системы охлаждения трансформаторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕНОСА СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Магистрант Лаврентьев С.В.

ФГБОУ ВО СПбГАУ

Санкт-Петербург, Россия

электрическая сеть трубчатый бак трансформатор

Параметры трансформаторов задаются параметрами электрической сети, для работы в которой они предназначены. Основным параметром электрической сети является напряжение электрического тока, чем большая передаваемая мощность и расстояние на которое требуется передать ее, тем более высокое напряжение электропередачи используется.

Передача мощности от одной обмотки к другим происходит электромагнитным путем, т. е. посредством намагничивания активной стали при прохождении тока по обмоткам трансформатора и создания магнитного поля взаимоиндукции между обмотками. При этом часть мощности, поступающей к трансформатору из питающей электросети, расходуется на преодоление магнитного сопротивления сердечника и сопротивления провода обмоток протекающему току.

В реальном трансформаторе часть мощности рассеивается в виде теплоты. Мощность, теряемая в трансформаторе, представляет собой потери, величина которых зависит от конструкции трансформатора. Так называемые потери в стали, происходящие в сердечнике, являются результатом быстрого изменения направления магнитного поля, изза перестройки микроскопических частиц, их магнитного момента в направлении поля (или потока), вызывая трение на микроскопическом уровне и, следовательно, рассеивание энергии, которое проявляется в нагреве материала [1,2]. Часть потерь мощности происходят в проводнике обмотки из-за электрического сопротивления и называется потерями в меди.

При передаче мощности через трансформатор напряжение на вторичных обмотках изменяется при изменении нагрузки за счет падения напряжения в трансформаторе, которое определяется величиной реактивного сопротивления трансформатора B_Т -- напряжением короткого замыкания.

При подключении трансформатора к сети переменного тока через первичную обмотку, через нее проходит ток холостого хода. Определение потерь мощности холостого хода не зависит от типа трансформатора.

Потери мощности в активной G_Т и реактивной B_Т проводимостях трансформатора определяются по уравнениям [3, 4] через подведенные напряжения

, (1)

(2)

В двухобмоточном трансформаторе, где обе обмотки представляются одним сопротивлением, потери активной мощности в активном сопротивлении R_Т определяют по выражению

, (3)

а реактивной мощности в реактивном сопротивлении X_Т

. (4)

В соответствии с ГОСТ 401-41 «Трансформаторы силовые масляные» установлено, что номинальной рабочей температурой обмотки является температура 75°С. Эта температура принимается эквивалентной действительной температуре обмотки, которая непрерывно изменяется при работе трансформатора при номинальной нагрузке от номинальных условий охлаждающей среды.

Номинальными условиями охлаждающей среды являются:

- естественно изменяющаяся температура охлаждающего воздуха в местностях, где ее максимальное значение равно +35°С при воздушном охлаждении трансформатора;

- естественно изменяющаяся температура охлаждающей воды с максимальным значением, не превышающим + 25°С, при водо-масляном охлаждении трансформатора.

Наибольшие превышения температуры частей трансформатора над температурой охлаждающей среды не должны превосходить: для обмотки с изоляцией 70°С; для магнитопровода на поверхности 75° С; для масла в верхних слоях 60°С. В эксплуатационных условиях в периоды максимальной температуры охлаждающего воздуха + 35°С и при нагрузке трансформатора номинальным вторичным током допускается увеличение превышений температуры обмоток на 5--7° С. В соответствии с Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) при номинальной нагрузке трансформатора температура масла в верхних, наиболее нагретых слоях не должна превышать +95°С.

Указанные условия установлены ГОСТ с таким расчетом, чтобы предельная средняя температура обмотки в наиболее жаркое время года не превосходила 105-- 110°С. При соблюдении этих условий изоляция трансформаторов подвергается такому старению, что она может надежно работать в течение примерно 15--20 лет [6, 7].

С ростом мощности трансформаторов возникает необходимость увеличения поверхности охлаждения. Только трансформаторы небольших мощностей, до 30 кВА, с естественным масляным охлаждением изготовляются с гладкими поверхностями бака и не требуют дополнительной охлаждающей поверхности.

Основным способом увеличения охлаждающей поверхности является применение трубчатых баков. Такие баки имеют один, два или три ряда труб в зависимости от мощности трансформатора. Увеличение числа рядов труб больше трех заметного эффекта не дает. Находят применение баки с волнистой поверхностью стенок, однако они имеют малую механическую прочность и меньшую теплоотдачу, чем у трансформаторов с трубчатыми баками.

Для охлаждения трансформаторов большой мощности необходимо такое количество радиаторов, которое невозможно разместить на баке и используются выносные батареи радиаторов, которые занимают большие площади на подстанциях.

Широкое применение за рубежом нашли трансформаторы со штампованными радиаторами, технология изготовления таких радиаторов проста; секция радиатора собирается из двух штампованных равных частей, соединяемых посредством роликовой сварки.

Применяются различные способы увеличения отвода теплоты от трансформатора - одновременное увеличение скорости масла и воздуха, применение водо-масляных охладителей [7].

Одновременное увеличение скорости масла и воздуха организуется с помощью насоса, который обеспечивает движение масла в трубках с большой скоростью, а в промежутках между трубками вентилятор прогоняет воздух.

В водо-масляных охладителях в трубках движется вода, а в пространстве между трубами навстречу воде под действием насоса движется масло. При этом виде охлаждения теплота, выделяющаяся в активной части и элементах металлоконструкции трансформатора, передается путем естественной конвекции маслу, которое, в свою очередь, отдает его в окружающий воздух также путем естественной конвекции и излучения.

В системе охлаждения (М) с принудительной циркуляцией воздуха и естественной циркуляции масла (10--63МВА) применяется обдув радиаторов вентиляторами, тем самым увеличивается в 1,5--2 раза коэффициент теплопередачи и соответственно теплосъем радиаторов. При снижении температуры верхних слоев масла до 50 ⁰С, и при значении тока нагрузки меньше номинального, вентиляторы отключаются. Пуск и останов вентиляторов осуществляется автоматически в зависимости от нагрузки и температуры нагрева масла, а также независимо от нагрузки при отрицательных температурах окружающего воздуха и температуре масла не выше 45°С (ПТЭ). В Системе охлаждения (Д) с принудительной циркуляцией воздуха и масла (трансформаторы мощностью около 100 MBА и более) применяются специальные масляно-воздушные охладители, обдуваемые вентиляторами и оснащенные насосами для принудительной циркуляции масла. Охладители имеют сильно развитую ребристую наружную поверхность. Благодаря принудительной циркуляции масла достигается более равномерное распределение температуры масла по высоте бака. В случае отключения системы охлаждения трансформаторы могут оставаться включенными очень непродолжительное время, так как теплоотдающей поверхности бака недостаточно даже для отвода потерь холостого хода. Недостатком такой системы охлаждения является то, что теплоотдача от обмоток к маслу остается практически такой же, как и при естественной конвекции, так как принудительная циркуляция масла происходит только в зоне между наружной обмоткой и стенкой бака трансформатора.

В системе охлаждения (ДЦ) с принудительной циркуляцией воды и естественной циркуляцией масла (трансформаторы мощностью 150МВА) для охлаждения масла используется вода, циркулирующая в трубах, размещенных в верхней части бака, в зоне наиболее горячего масла. Вода прогоняется по трубам с помощью насосов.

Система охлаждения (НДЦ) с принудительной циркуляцией воды и масла (трансформации мощностью 250М) применяется при наличии достаточного количества воды (гидростанции, очень мощные тепловые станции). Эта система охлаждения основана на применении масляно-водяных охладителей с гладкими или оребренными трубами и движением воды по трубам, а масла -- в межтрубном пространстве. Благодаря конструктивным мероприятиям обеспечивается зигзагообразное движение масла в охладителе с поперечным обтеканием трубок. Большой теплосъем (до 1000 кВт и более) и малые габаритные размеры масляно-водяных охладителей достигаются благодаря увеличению коэффициента теплоотдачи от стенки трубы при охлаждении ее водой. При отключении этой системы охлаждения трансформаторы могут оставаться в работе очень ограниченное время. Недостаток этой: системы охлаждения в части интенсивности охлаждения обмоток тот же, что и в предыдущей системе.

Системы охлаждения с направленной циркуляцией масла в обмотках НДЦ и НЦ (400 MBА) обеспечивают более равномерное распределение температуры путем создания принудительной (направленной) циркуляции масла в охлаждающих каналах обмоток с требуемой скоростью, обеспечивающей необходимый температурный режим.

Трансформаторы, охлаждаемые негорючим жидким диэлектриком. Трансформаторы с охлаждением типов Н и НД выполняют с герметизированным баком, который заполняют негорючим жидким диэлектриком. Обычно применяют синтетические изоляционные материалы -- совтол и др., которые имеют примерно такие же электроизоляционные свойства и теплопроводность, как и трансформаторное масло. Трансформаторы с охлаждением типов Н и НД пожаробезопасны и могут устанавливаться в закрытых помещениях. Их выпускают мощностью 160--2500 кВ*А при напряжении 6 и 10 кВ [5].

Автоматическое управление принудительной системы циркуляции (АУПСЦ) применяются в зависимости от условий: - достижение значения тока нагрузки трансформатора номинального значения, - достижение температура верхних слоев масла 55°С. При снижении температуры верхних слоев масла до 50°С и значении тока нагрузки меньше номинального принудительная циркуляция отключается.

Температурным датчиком АУПСЦ служит термометрический сигнализатор типа ТС-100, который устанавливается на баке трансформатора. Включение электродвигателей вентиляторов при повышении температуры верхних слоев масла в трансформаторе осуществляется при помощи контактов термометрического сигнализатора ТС-100. Термометрический сигнализатор типа ТС-100 представляет паровой манометрический дистанционный термометр.

Защита двигателей, аппаратов и проводки от токов короткого замыкания осуществляется предохранителями, а защита двигателей от длительных перегрузок -- тепловыми реле, встроенными в магнитный пускатель.

Заключение

В сухих трансформаторах, охлаждение достигается просто путем циркуляции воздуха сквозь обмотку и вокруг сердечника, путем естественной конвекции, или с помощью принудительного потока воздуха, создаваемого вентиляторами. Сухие трансформаторы работают при более высоких температурах (выше 150°C), чем масляные.

Метод охлаждения циркуляцией воздуха ограничен низковольтным входящим напряжением трансформаторов (5 кВ и ниже) имеющих трехфазную номинальную характеристику ниже 1500 кВА. При более высоких значениях кВА, потери теплоты слишком высоки и воздушное охлаждение не эффективно. В открытых системах воздушное охлаждение приведет к загрязнению обмотки недопустимым количеством грязи и влаги. Воздух обладает меньшей электрической прочностью, чем трансформаторное масло, поэтому в сухих трансформаторах все изоляционные промежутки и вентиляционные каналы делают большими, чем в масляных.

При более высоких напряжениях изоляции обмоток необходимо применять в качестве циркулирующего теплоносителя масло. Трансформаторное масло обладает более высокой теплопроводностью, чем воздух, и хорошо отводит теплоту от обмоток и магнитопровода трансформатора к стенкам бака, имеющего большую площадь охлаждения, чем трансформатор. Погружение трансформатора в бак со специальным маслом обеспечивает также повышение электрической прочности изоляции его обмоток и предотвращает ее увлажнение и потерю изоляционных свойств под влиянием атмосферных воздействий. Хотя масло способно отводить большее количество теплоты, рабочая температура масла должна поддерживаться примерно 100°C для предотвращения ускоренного пробоя масла.

Литература

1.http://electroandi.ru/elektromagnitnye-ustrojstva/transformator-ustrojstvo-i-printsipraboty.html

2.http://www.induction.ru/library/book_001/glava2/2-4.html

3.http://velta-c.ru/catalog/ab/transformator/

4.http://www.consultelectro.ru/articles/sravnenie-razlichnykh-sistem-okhlazhdeniyatransformatorov

5.http://forca.ru/knigi/arhivy/moschnye-transformatory-12.html

6.Энергетика за рубежом, «Трансформаторы», вып. 3, под. ред. С. И. Рабиновича, Госэнергоиздат, 1980.

7.Энергетика за рубежом, «Трансформаторы», вып. 5, под ред. А. Г. Крайза, Госэнергоиздат, 1980.

Размещено на Allbest.ru