автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование и разработка комбинированной электротехнологии нагрева трансформаторного масла в системах регенерации

Ачаков Константин Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ НАГРЕВА ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА В СИСТЕМАХ РЕГЕНЕРАЦИИ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Самара-2013

005541712

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предпри тай» Федерального государственного бюджетного образовательного учрежден высшего профессионального образования «Самарский государственный технич ский университет».

Научный руководитель: Зимин Лев Сергеевич, Заслуженный деятель науки Р

доктор технических наук, профессор. Официальные оппоненты: Лившиц Михаил Юрьевич, доктор технических нау

профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственны технический университет», заведующий кафедр «Управление и системный анализ в теплоэнергетике».

Сорокин Алексей Григорьевич, кандидат техническ наук, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный эк номический университет», Сызранский филиал, доце!

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технич ский университет» (г. Саратов)

Защита состоится 25 декабря. 2013 г. в 13. часов на заседании диссертационно го совета Д 212.217.04 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, ауд. 4А.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, «Самарский государственный технический университет», Главный корпус ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; тел.: (846) 242-36-90, факс (846) 278-44-00; mail:aleksbazarov@yandex.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (ул. Первомайская, 18).

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.04

доктор технических наук, доцент / A.A. Базаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена исследованию и разработке комбинированной электротехнологии нагрева трансформаторного масла в системах регенерации, основанной на сочетании двух методов электронагрева: диэлектрического и косвенного индукционного.

Актуальность проблемы: При транспортировке трансформаторного масла, его хранении, а так же при эксплуатации масла в маслонаполненном электрооборудовании, несмотря на защиты различного рода: азотная защита, термосифонные фильтры и воздухоосушители, герметизация, - влага из окружающей среды попадает в электрооборудование и соответственно в масло. Кроме того, масло увлажняется вследствие химических процессов старения и соприкосновения его с воздухом, всегда содержащего в себе влагу. Таким образом, необходимость очистки масла от воды и других примесей, является актуальной проблемой. Регенерация масла в большинстве случаев осуществляется подогревом масла до определенных температур, порог которых зависит от метода, глубины вакуума, сочетания нескольких методов в одном технологическом процессе. Как правило, на нагрев тратится от 90% до 95% активной мощности установки регенерации масла. Поэтому решается данная проблема на основе применения энергосберегающих технологий. В установках регенерации, существующих на сегодняшний день, нагрев осуществляется элементами сопротивления в виде трубчатых электронагревателей (ТЭН) или ленточных нагревателей. Нагрев происходит косвенно, путем передачи энергии теплопроводностью и конвекцией.

С целью снижения энергии затрачиваемой на нагрев трансформаторного масла и повышения качества процесса в представленной работе предложена новая комбинированная электротехнология нагрева трансформаторного масла в системах регенерации, основанная на сочетании диэлектрического и индукционного нагрева.

Целью работы является создание новой более эффективной с точки зрения затрат энергии и качества процесса комбинированной электротехнологии нагрева трансформаторного масла в системах регенерации.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:

- Исследование и анализ физических параметров трансформаторного масла

- Исследование и анализ существующих методов нагрева трансформаторного масла при регенерации;

- Разработка математических моделей электромагнитных и тепловых процессов нагрева трансформаторного масла;

- Исследование электромагнитных и тепловых полей комбинированной системы электронагрева трансформаторного масла;

- Разработка конструкции нагревателя и расчет основных параметров комбинированной системы диэлектрического и индукционного нагрева трансформаторного масла в системах регенерации.

Методы исследования. Применительно к проблематике диссертации для исследования электромагнитных, температурных полей и интегральных параметров системы комбинированного нагрева использованы методы математической физики и вычислительной математики, численные методы решения (МКЭ), методы компьютерного моделирования. Достоверность полученных результатов определена сравнением расчетных результатов с экспериментальными данными.

Научная новизна.

В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

- определены границы применения диэлектрического и индукционного косвенного нагрева трансформаторного масла в системах регенерации в зависимости от его физических параметров;

- разработана математическая модель электромагнитных и тепловых процессов при комбинированном диэлектрическом и индукционном нагреве трансформаторного масла;

- разработан алгоритм проектирования комбинированного электрического нагрева трансформаторного масла для систем регенерации;

Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

- разработана не имеющая аналогов и обеспечивающая наиболее эффективное использование энергетических ресурсов, а так же повышающая качество процесса комбинированная электротехнология нагрева трансформаторного масла в системах регенерации, в основе которой положено сочетание двух методов электронагрева - диэлектрического и индукционного;

- экспериментально определены и изучены зависимости tg8 от температуры при нагреве трансформаторного масла в высокочастотном электрическом поле;

- разработана конструкция нагревателя, и рассчитаны параметры комбинированной системы диэлектрического и индукционного нагрева трансформаторного масла в системах регенерации.

Результаты исследований внедрены:

на ОАО «Сызранский нефтеперерабатывающий завод» в виде рекомендаций использования полученных результатов при ремонте силовых трансформаторов, и другого маслонаполненного оборудования, а также восстановлении трансформаторных масел.

- в учебном процессе Самарского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности 140 605 «Электротехнологические установки и системы», а также бакалавров и магистров по направлению 140 400 «Электроэнергетика и электротехника».

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции студентов, магистров, аспирантов «Энергоэффективностъ и энергобезопасность производственных

процессов» (г. Тольятти 2009); VI-Международной молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань - 2011); Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи (с международным участием) «Фёдоровские чтения - 2011». (г. Москва 2011); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ( г. Новосибирск 2011); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Томск 2011); Международной научной технической конференции студентов и аспирантов (г. Москва 2011)

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, из которых 2 в изданиях перечня ВАК.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 112 страницах машинописного текста; содержит 25 рисунков и 11 таблиц, список использованных источников, включающих 119 наименований.

На защиту выносятся следующие положения:

• способ комбинированной электротехнологии нагрева трансформаторного масла в системах регенерации;

• математические модели электромагнитных и тепловых процессов при комбинированном диэлектрическом и индукционном нагреве трансформаторного масла;

• алгоритм проектирования комбинированного электрического нагрева трансформаторного масла для систем регенерации;

• конструкция нагревателя и параметры комбинированной системы диэлектрического и индукционного нагрева трансформаторного масла в системах регенерации.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель и задачи, характеризуется новизна и практическая значимость полученных результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены существующие способы нагрева трансформаторного масла в системах регенерации. Проведен анализ нагреваемого вещества и особенностей процесса технологического нагрева трансформаторного масла в системах регенерации. Поставлена задача исследования и выбраны методы её решения. Как показано в таблицах 1, 2, существующие способы решения проблемы обладают существенной инерцией процесса и низкой энергоэффективностью. Предложена новая комбинированная электротехнология нагрева трансформаторного масла в системах регенерации. Идея комбинированной электротехнологии базируется на сочетании двух способов нагрева - диэлектрического и индукционного.

Применение комбинированной электротехнологии позволяет при повышенной энергоэффективности достигать высоких скоростей нагрева при более равномерном распределении температур.

Таблица 1.

Энергетические характеристики и сравнительный анализ существующих _ установок регенерации___

Наименование характеристик УВМ-12Б1 ПСМ2-4 ПМЦ-50 Трансфор-мер Ойл 1500 СММ-0,16

производительность 12 м-7ч 4А 3 м3/ч 1,5 м^/ч 0,16м3/ч

температура нагрева 85 °С 65 °С 60 иС 80 "С 60 "С

мощность установки 200 кВт 53,7 кВт 57 кВт 38,5 кВт 5,8 кВт

мощность электронагревателя 170 кВт 48 кВт 50 кВт 36 кВт 4,8 кВт

тип электронагревателя ТЭН ТЭН ТЭН ТЭН ТЭН

процент мощности на нагрев 85% 90% 88% 94% 83%

энергоэффективность кВт/м3 °С 0,166 0,185 0,278 0,14 0,5

Таблица 2.

Анализ применяемых методов электронагрева в существующих _ установках регенерации_

№ Достоинства Недостатки

1 Простота конструкции Высокая энергоёмкость

2 Надежность Высокая инерция процессов

3 Компактность Неравномерное распределение температур

4 Низкие капитальные затраты Локальные перегревы

5 Опьгг эксплуатации Разложение и газообразование масла

6 Нагрев происходит за счет теплопередачи

По предлагаемому способу теплообменный аппарат состоит из наружного и внутреннего стальных цилиндров и индукторов, намотанных вокруг внешнего цилиндра и внутри внутреннего. В кольцевом зазоре симметричных цилиндров протекает нагреваемое трансформаторное масло. Величина кольцевого зазора и количество нагревателей зависит от производительности установки и температуры нагрева масла. В данном нагревателе производится комбинированный нагрев: на первом этапе трансформаторное масло, находящееся в кольцевом зазоре цилиндров подвергается воздействию высокочастотного электрического поля, цилиндры и масло образуют собой рабочий конденсатор. При помещении трансформаторного масла в переменное электрическое поле, за счет поглощения электрической энергии высокой частоты и наведении токов смещения в диэлектрике, происходит его нагрев внутренними источниками тепла. Далее по мере удаления воды и других примесей фактор потерь будет уменьшаться, соответственно на втором этапе осуществляется переход на индукционный нагрев. На этапе нагрева индукционным методом ферромагнитные цилиндры играют роль косвенных нагревателей, в

которых тепло выделяется под действием наведенных вихревых токов. Передача тепла осуществляется через поверхность контакта сопряженных тел металлических цилиндров с трансформаторным маслом. Актуальность проблемы основана на возможности экономии энергетических ресурсов за счет более энергоэффективной технологии нагрева и повышении качества процесса нагрева.

Во второй главе представлена экспериментальная установка нагрева трансформаторного масла в высокочастотном электрическом поле. Представлены и систематизированы результаты экспериментов, выполненные на данной установке. Разработан аналитический метод расчета диэлектрического нагрева трансформаторного масла содержащего примеси. Определены границы применения диэлектрического и индукционного нагрева трансформаторного масла в системах регенерации.

Учитывая, что диэлектрический нагрев трансформаторного масла не имел применения в мировой и отечественной практике, для решения поставленной задачи, на начальном этапе в основном использованы экспериментальные методы исследования.

Один из трех рабочих конденсаторов, позволивший наиболее точно оценить результаты экспериментов и обеспечить удобство измерений, представ-

Рис. 2 Экспериментальный рабочий конденсатор В рабочем конденсаторе производился нагрев эксплуатационного масла. На основе многократных экспериментов доказано, что нагрев происходит равномерно во всех областях объема сосредоточенного между обкладками, поэтому контроль температуры осуществлялся постоянно в верхнем слое масла над обкладками с помощью.

Результаты экспериментов представлены в таблице 3. Возможность нагрева обусловлена наличием в масле полярных компонентов, повышающих тангенс угла диэлектрических потерь. Кроме кислородных, сернистых и азотистых соединений, таковыми являются ароматические углеводороды.

Таблица 3.

Источник

ГЗ-ЗЗ йпах, Гц ивх, В Шых, В Бмакс, ВА

200000 220 60 5

Конденсатор

материал ячейки АБС

материал электродов Си

количество электродов 2

межэлектродный зазор, мм 0,5

напряжение и, В 58

напряженность поля, В/мм 116

Емкость конденсатора С, рБ 907

Сопротивление конденсатора. К, ГОм >100

Частота, кГц 199,428

параметры окружающей среды

температура 22 Влажность 64 % °С давление 749 мм.рт.ст.

параметры трансформаторного масла

^нач» С . 0С время, мин. Епр, кВ/мм tg8 при 20°С при 90°С

22 24 13,44 28,4 0,0013 0,00393

расчетные параметры

Полная мощность в, ВА 0,415

Активная мощность Р, Вт. 0,000498

Коэффициент мощности, собф 0,0012

угол между активной и полной мощностью, Ф 89,93

Относительная диэлектрическая проницаемость, б 4,66

Ток, А 0,007

С учетом проведенного анализа определена область параметров, при достижении которых, целесообразно применение диэлектрического нагрева трансформаторных масел в системах регенерации.

Определяющими факторами являются и частота со и , который определяет степень загрязнения масла примесями и продуктами старения. На величину со накладываются ограничения по частоте и мощности существующих генераторов. Сложность заключается в нелинейном, индивидуальном характере изменения /£ОВ зависимости от температуры масла и концентрации примесей. Для решения данной проблемы на основе многократных экспериментов построена температурная зависимость 2^5, изображенная на рис. 3. Провал на участке графика соответствует началу газообразования и, как следствие, резкому падению tg5 при температуре более 80° С. Зависимость выделения газов и газопоглощения от напряженности электрического поля носят экспоненциальный характер. Установлено что, во избежание ускорения

процессов старения масла от воздействия электрического поля необходимо применять напряженности менее 1000 В/мм. Удельная объемная мощность обеспечивающая нагрев трансформаторного масла находящегося под воздействием электрического поля будет равна:

Руд = соее^ЗЕ2 (кВт/м3) (1)

Полезная мощность, необходимая для нагрева трансформаторного масла:

Рпол=ОсМ (2)

температура, с

Рис.3. Зависимость ¡¿Ь от температуры На основе проведенного математического анализа и полученных результатов экспериментов разработан алгоритм (Рис.4), позволяющий определить область применения диэлектрического и индукционного нагрева трансформаторного масла в системах регенерации (Рис.5).

Построение температурной зависимости трансформаторного масла

I

Определение допустимой напряженности электрического поля

--I

Определение средней мощности необходимой для

нагрева масла при заданной производительности

| ' ~

Построение кривых ожидаемой мощности от воздействия электрического поля

Построение области применения диэлектрического нагрева трансорматорного масла в системах регенерации

Рис. 4. Алгоритм определения области применения диэлектрического и индукционного нагрева

Рис. 5. Область применения диэлектрического и индукционного нагрева трансформаторного масла в системах регенерации (при производительности 2 м3/ч,

Дг = 60° С и частоте 13,56МГц).

Третья глава посвящена математическому моделированию электромагнитных и термических процессов в комбинированном нагревателе трансформаторного масла.

Процесс комбинированного нагрева описывается нелинейной, взаимосвязанной системой уравнений Максвелла для электромагнитного поля и Фурье для теплового поля с соответствующими краевыми условиями.

го/{/7}= ст{Ж}+ е0ег ; го({Ё}= 5 Лу{в} = 0 ; (1п\Ё}= 0;

На этапе индукционного нагрева исходная постановка нелинейной электромагнитной задачи выражена через векторный потенциал общим уравнением Пуассона в двумерной области.

го<

-го1А

На

дН *

+ у-= /0; ЛуЛ = 0 (3)

81

Решение уравнения найдено путем минимизации нелинейного функционала, выражающего энергию электромагнитного поля:

2

'О

дА | 8 ( 1 ")д(гЛ) & (Зг^цН Эг

¿/•¿г + 1 Цушу Л сЫг + ^ |ро /! (4)

е е

Математическая модель процесса нагрева жидкости на этапе индукционного нагрева учитывает наличие двух металлических труб, нагреваемых внутренними источниками, от которых тепло передается в поток движущейся жидкости 2:

Рис. 6 Расчетная схема движущегося потока жидкости между двумя трубами 1,3- внутренняя и внешняя трубы, 2 - жидкость.

Ы

~~еГ~=а2

= а\

д2Тх(г,х,1) [ 1 8 Ц(г,2,{) | а27](г,г,0 дг2 г дг &2

+ (5) С\У\

г<=[г\,г2\2&]р,1\ д2Т2(г,г,0 | 1 5Т2(г,2,1) | д2Т2{г,14)

дг'

дг

(6)

дг

ге[г2,г3}2е[0,£}

аГ3(г,г,р =д д%(г,2,0 [ 1 5Г3(г,г,0 | о2Г3(г,7,0

аг 1 5г2 г Зг &2

ге[г3,г4}ге[оД

+ (7) сзГз

Граничные условия для первого и второго уравнений системы (внешняя и внутренняя труба) задаются в виде комбинации условий третьего и четвертого рода:

ог иг

хдТ2^Ь,г)=0; игА() = То;

02

^ещ^Ц^ег.1(Гз1г>()=№>2>,)

Эг дг

Начальные условия принимаются в виде

Г1(г,2,0) = Г0; Т2(г,г,0) = Т0; Щг,х,0) = Г0;

(9) (10) (И) (12)

(13)

(14)

(15)

Распределение скоростей в жидкости по сечению зависит о многих факторов. С учетом малого расстояния между стенками труб и практически неизменного значения вязкости в рассматриваемом диапазоне температур на основе численных экспериментов получена параболическая форма распределения. Для учета распределения скорости вдоль радиальной координаты в численную модель теплового процесса вводится аналитическая аппроксимация в виде параболической функции

\'(г) = у0-(г-гср)2; ге[г2,г3], здесь гср=(г2+г2)11.

Распределение температуры по сечению на любом участке, кроме начального, также близко к параболическому (рис. 7).

На этапе диэлектрического нагрева исходная постановка задачи выражена решением системы уравнений Максвелла относительно вектора напряженности электрического поля, решение достигнуто минимизацией энергетического функционала относительно напряженности электрического поля:

.2

(16)

г # • \

д дЕ 8 1 д(гЕ)

дг & дг г дг

\ „ У

• Ес1гйг -Ц/(оца.Е йгйг + " й

+ -||СО2ЦЕ£ ¿ЛЬ + - §1Мгйг. (17)

в О.

Допущение, позволяющее определить мощность внутренних источников тепла, базируется на возможности условно рассматривать электромагнит-

ные процессы в любой среде, как процессы в «диэлектрике» с комплексной

Е'

диэлектрической проницаемостью: е = е'- ]г" - е'(1- , где е' = — - дей-

ео

ствительная часть относительной диэлектрической проницаемости;

• Еа а

£ =--н-- мнимая часть относительной дизлектрическои проницаемого юео

ста; Ед, Ед - действительная и мнимая части абсолютной диэлектрической проницаемости среды; а - удельная проводимость среды; ю - круговая частота; е0 =8,8542 х 10"12(Ф/м) - диэлектрическая постоянная;

в" г" а г" ст

= — = +—— = ———I---тангенс угла диэлектрических потерь.

е ед шса ее0 соее0

расстояние между внешней и внутренней трубами, мм Рис.7 Распределение температуры по сечению канала на выходе индукционного

нагревателя

При данном подходе токи, обусловленные проводимостью и поляризацией, не отличаются друг от друга, и проводимость в законе Джоуля - Ленца заменена на «эквивалент суммарной проводимости» включающий в себя как природу диэлектрика, так и проводника. Введенное понятие «эквивалент суммарной проводимости» выражено зависимостью: ^бше'ед = е"ао+а, где правая часть, при конечно-элементном моделировании, устанавливает связь между напряженностью электрического поля и плотностью токов.

Таким образом, мощность внутренних источников тепла, характеризующих нагрев трансформаторного масла в электромагнитном поле, для каждого элемента определена:

/>(')=! |^5юе'Е0|Е-Е

2 V

сIV. (18)

Математическая модель процесса нагрева жидкости на этапе диэлектрического нагрева составляется аналогично задаче индукционного нагрева согласно расчетной схеме на рисунке 6. Отличием является отсутствие внутренних источников в средах 1 и 3, а также наличие источника тепла в среде 2. В отличие от индукционного в высокочастотном нагревателе области 1 и 3 являются теплоизоляторами (хотя в действительности, их основная функция -это электроизоляция). Особенностью функции распределения источника в среде 2 является зависимость от частоты. При невысоких частотах (сто мегагерц) функция распределения близка к прямой линии, при более высоких частотах функция может быть аппроксимирована параболой.

Ч\Г(г,2,0 = С + Я-(г-гср)2, (19)

Где гср - радиальная координата средней точки в жидкости между двумя поверхностями труб.

В установившемся режиме распределение температуры по сечению канала повторяет функцию распределения мощности и является более равномерным. Перепад температур в процентном отношении в несколько раз меньше по сравнению с индукционным (для графиков на рис. 7 и 8 кратность больше трех). Учитывая общее теплосодержание, высокочастотный нагрев является более эффективным, так как меньшее время нагрева способствует снижению потерь в окружающую среду.

Таким образом, снижение интенсивности нагрева в местах удаленных от источника тепла при применении индукционного и диэлектрического нагрева минимизировано, (рис. 7, 8). Интенсивность нагрева масла в кольцевом зазоре в направлении оси симметрии носит преимущественно параболический характер и приближаясь к оси симметрии возрастает (рис. 7). Кроме того, диэлектрический нагрев, применяемый на первом этапе, при высоких значениях в большей степени обусловленных наличием примеси воды, позволяет осуществлять осушку масел, так как наибольшее количество энергии поглощается водой содержащейся в масле, как в растворенном виде, так и капельном. Другими словами, в качестве внутренних источников тепла, в первую очередь, служат коллоидные частицы и примеси воды, которые и будут нагреваться. После испарения воды и удаления примесей, нагрев осуществляется индукционным нагревателем, и масло окончательно доводится до требуемых параметров.

Рис.8. Температурное поле по сечению канала на выходе нагревателя при диэлектрическом нагреве.

Четвертая глава посвящена разработке конструкции и проектированию параметров комбинированной системы электронагрева с использованием выявленных экспериментальных закономерностей и численного решения связанной электромагнитной и тепловой задач.

Рис. 9 Система комбинированного нагрева для сушки трансформаторного масла

1 - высокочастотный нагреватель; 2 - ламповый генератор; 3, 9 -с насос; 4-7 - задвижка; 8 - индукционный нагреватель; 10, 11 - емкость с системой вакуумирования

Разработка нагревательного комплекса осуществлена с учетом положительных сторон двух видов нагрева: высокочастотный нагреватель обеспечивает равномерность прогрева прокачиваемой жидкости за минимальное время; индукционный подогреватель имеет неизменные энергетические характеристики при различном содержании влаги. Кроме того, в индукционной системе меньше проблем с измерением температуры. Так как процесс сушки масла длительный, то использование более простой и дешевой системы индукционного нагрева в целом делает систему менее затратной. Для ускорения процесса установка снабжена системой вакуумирования.

В системе предусмотрены несколько задвижек, позволяющих после этапа нагрева масла в высокочастотном нагревателе перекачать масло в индукционный нагреватель и обеспечить многократную циркуляцию через емкость и индуктор. Это позволяет защитить первую ступень от перепада давлений и поддерживать нужную температуру в течение заданного времени. Для повышения теплового КПД вся система снабжена эффективной теплоизоляцией.

Распределение удельной объемной мощности по толщине потока масла на этапе диэлектрического нагрева носит равномерный характер, значение которой составляет 16000 Вт/м3.

Расчет параметров диэлектрической системы осуществлен с помощью компьютерного моделирования. В качестве инструмента использован пакет программ ЕЕМЬАВ для решения тепловой задачи и Е1стй для решения задачи электрического поля . Мощность диэлектрического нагрева определена по формуле (18). Расчет параметров индукционной системы осуществлен по методу общего потока, значения сопротивлений в расчете приведены к одновит-ковому индуктору.

Максимальная мощность диэлектрической системы, с точностью аппроксимации температурной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь равной Я2 = 0,966, составила 9,2 кВт. Объем трансформаторного масла в рабочем конденсаторе 0,0057 м3. Скорость движения трансформаторного масла 0,05 м/с.

Тепловой КПД комбинированной системы определен:

Ркомб ~ .

Лм =-

Рцомб 2пИ(Тк-Тиз)

т 1

J-Jn_.IL

^ Рщ ~ ^д (Рвнеш.инд внутр.инд + ^внешМэл + ?внутр.диэл)

кд - коэффициент не учтенных потерь принят от 1,1 до 1,2. Результаты расчета параметров комбинированного электронагревателя представлены в таблице 2.

Таблица 2

Параметры комбинированного нагревателя_

Индукционная система

Параметры Внутренний Внешний

Ринд, кВт 1,5 1,5

Б, кВА 2,4 2,2

и, В 220 220

С Гц 50 50

I, А 11 10

С05Ц> 0,62 0,67

Лэл 0,95 0,95

Бинд, м 0,16 од

Ьинд, м 1 1

V/, вит 1248 1127

индекс энергоёмкости, кВт/м'^С 0,05

Диэлектрическая система

Параметры Значение

Р,кВт 9,2

и, В 400

1 МГц 13,56

¡тах» А. 23

>0,02

индекс энергоемкости, кВт/м3*°С 0,15

Параметры комбинированной системы

Объем масла в индукционном нагревателе V, м3 0,0057

Объем масла в диэлектрическом нагревателе V, м3 0,0057

V, м/с 0,05

Птепл 0,77

Побм 0,73

индекс энергоёмкости кВт/м3*°С 0,1

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Изучены существующие способы нагрева трансформаторного масла в системах регенерации. Проведен анализ нагреваемого вещества и особенностей процесса нагрева трансформаторного масла в системах регенерации. Показано что существующие способы решения проблемы обладают существенной инерцией процесса, и низкой энергоэффективностью. Предложена новая комбинированная электротехнология нагрева трансформаторного масла в системах регенерации, идея которой базируется на сочетании двух методов нагрева диэлектрического и индукционного.

2. Разработана экспериментальная установка нагрева трансформаторного масла в высокочастотном электромагнитном поле. Представлены и систематизированы результаты экспериментов, выполненные на данной установке. Изложены аналитические расчеты диэлектрического нагрева трансформа-

торного масла содержащего примеси, подтвержденные результатами экспериментов. Определена область применения диэлектрического и индукционного нагрева трансформаторного масла в системах регенерации в зависимости от свойств трансформаторного масла и параметров электромагнитного поля.

3.Разработана математическая модель электромагнитных и тепловых процессов при непрерывном нагреве трансформаторного масла в комбинированном нагревателе, основанном на сочетании двух методов нагрева, непосредственно диэлектрическом на начальном этапе и индукционном, на втором этапе процесса.

4. Определена аппроксимирующая зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры.

5. По результатам исследований разработана конструкция нагревателя и параметры комбинированной системы нагрева трансформаторного масла в системах регенерации, обеспечивающие высокий показатель энергоэффек-тивностии и качество процесса.

6. Разработан алгоритм проектирования параметров комбинированного электронагрева трансформаторного масла в системах регенерации.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: Публикации, входящие в перечень ВАК:

1. Ачаков К.А. Анализ способов электронагрева в системах очистки трансформаторных масел. [Текст] /К.А. Ачаков, Л.С. Зимин// Вестник СамГТУ, серия «Технические науки», 2008. - Выпуск №2 (22), с. 219-222.

2. Ачаков К.А. Исследование и разработка процессов индукционного нагрева трансформаторного масла в системах регенерации. [Текст] /К.А. Ачаков, Л.С. Зимин// Вестник СамГТУ, серия «Технические науки», 2012. -Выпуск№2 (34), с. 210-213.

Другие публикации:

3. Ачаков К.А. Энергоэффективная технология очистки трансформаторного масла. [Текст] /К.А. Ачаков, Л.С. Зимин// Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов. Сборник трудов Международной научно-технической конференции студентов, магистров, аспирантов ТГУ, Тольятти, 2009, с. 9 - 11.

4. Ачаков К.А. Новый способ регенерации трансформаторного масла. [Текст] /К.А. Ачаков, Л.С. Зимин// Электроснабжение. Сборник трудов VI - Международной молодежной научной конференции (Тинчуринские чтения), Казань, 2011,с.122-123.

5. Ачаков К.А. Технология энергосбережения в системах регенерации. [Текст] /К.А. Ачаков, Л.С. Зимин// Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи с международным участием (Федоровские чтения), МЭИ, Москва, 2011, с. 71-73.

6. Ачаков К.А. Элеюротехнология комбинированного нагрева трансформаторного масла в системах регенерации. [Текст] /К.А. Ачаков, Л.С.

Зимин// Сборник трудов Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Новосибирск, 2011, часть 2 с. 41 - 43.

7. Ачаков К.А. Новый способ регенерации трансформаторного масла. [Текст] /К.А. Ачаков, Л.С. Зимин// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Труды Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 2011, Том 1, с. 166 - 168.

8. Ачаков К.А. Электронагрев при регенерации трансформаторных масел. [Текст] /К.А. Ачаков, Л.С. Зимин// Труды Международной научной технической конференции студентов и аспирантов, МЭИ, Москва, 2011, Том 2, с. 180-181.

Личный вклад автора. В работах [1,3,4] написанных в соавторстве, автору принадлежит - анализ технологий регенерации и нагрева трансформаторных масел. В работе [2] - математическая модель электромагнитного поля в комбинированном нагревателе масла. В работе [6] - результаты численных экспериментов комбинированного нагрева трансформаторного масла в системах регенерации. В работах [5, 7, 8] - описание конструкции комбинированного нагревателя трансформаторного масла в системах регенерации, основанного на сочетании диэлектрического и индукционного методов нагрева, применение при конечно-элементном моделировании аппроксимирующей зависимости, выражающей мощность внутренних источников тепла при нагреве трансформаторного масла в высокочастотном электромагнитном поле в зависимости от его физических свойств и параметров поля.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.04 ФБГОУ ВПО Самарский государственный технический университет (протокол № 37 от 12 ноября 2013 г.)

Заказ № 1034 Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе. ФБГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» Отдел типографии и оперативной печати 443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет

На правах рук {лиси

04201 -+549^.9 Ачаков Константин Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ НАГРЕВА ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА В СИСТЕМАХ РЕГЕНЕРАЦИИ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель -

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

Л.С. Зимин

Самара 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................:........................................3

1. Анализ, обзор существующих способов нагрева трансформаторного масла при регенерации, постановка задачи............7

1.1 Анализ нагреваемого вещества................................................7

1.2 Анализ существующих способов нагрева трансформаторного масла при регенерации........................................................................14

1.3 Постановка задачи и выбор метода решения..............................19

2. Аналитическая модель диэлектрического нагрева...................24

2.1 Разработка экспериментальной установки для диэлектрического нагрева трансформаторного масла.....................................................24

2.2 Алгоритм для определения области применения диэлектрического нагрева трансформаторных масел в системах регенерации.......................42

3. Математическое моделирование электромагнитных и термических процессов при комбинированном диэлектрическом и индукционном нагреве трансформаторного масла в системах регенерации................................................................................44

3.1. Математическая модель электромагнитных процессов................44

3.2 Математическая модель тепломассопереноса в системе

" металлические цилиндры — трансформаторное масло" комбинированного нагревателя.........................................................58

3.3 Алгоритм расчета температурных полей..................................76

4. Расчет параметров комбинированного нагревателя трансформаторного масла в системах регенерации, основанного на сочетании индукционных и диэлектрических систем нагрев...............81

Заключение...........................................................................99

Библиографический список...................................................100

Приложения.........................................................................112

Введение

При транспортировке трансформаторного масла, его хранении, а так же при эксплуатации масла в маслонаполненном электрооборудовании, несмотря, на защиты различного рода: азотная защита, термосифонные фильтры и воздухоосушители, герметизация, - влага из окружающей среды попадает в электрооборудование и соответственно в масло [1-3]. Кроме того, масло может увлажняться вследствие химических процессов старения и возможного соприкосновения его с воздухом, всегда содержащего в себе влагу. Химические процессы старения вызывают, деструкцию молекул масла и образование низкомолекулярных ионогенных продуктов (перекисей, органических кислот, воды), увеличивающих ионную проводимость масла. Имеют место и процессы структурирования («осмоления») окисленных молекул с образованием коллоидных частиц и более высокомолекулярных продуктов - шлама. Коллоидные частицы обуславливают электрофоретическую проводимость и совместно с ионогенной примесью снижают удельное объемное сопротивление и увеличивают диэлектрические потери. Коллоидные частицы, имея более низкую подвижность в сравнении с ионами, образуют объемные заряды и увеличивают тем самым неоднородность электрического поля; в результате диэлектрическая прочность масла снижается. Шлам и другие, нерастворенные в масле продукты старения, а так же частицы примесей, внесенные в него извне (например, эмульсионная вода, частицы волокон, металла), образуют мелкодисперсную фазу. Она увеличивает неоднородность электрического поля в масле и существенно снижает его напряжение пробоя [Епр), а так же

увеличивает тангенс диэлектрических потерь (/#8). Особенно опасными являются примеси с размером от 2 до 10 мкм. Даже небольшие количества влаги снижают электрическую прочность и являются причиной высоких

диэлектрических потерь, а в худшем случае даже аварий и выхода из строя электрооборудования [4].

Необходимость очистки масла от воды и других примесей, является актуальной проблемой. Регенерация с целью сохранения ценного сырья, является экономически выгодной, а также решает проблемы экологии, так как позволяет использовать масло повторно и не требует решения вопроса по его утилизации. За год на территории бывшего Советского Союза собирается около 1,7 млн. тонн масел, а перерабатывается до 0,25 млн. тонн, т.е. 15%.

На сегодняшний день существует достаточно большое разнообразие установок регенерации трансформаторных масел. Основой технологического процесса регенерации трансформаторных масел является нагрев масла до определенных температур и, как правило, на нагрев тратится до 95% мощности установки. Кроме того, к показателям качества трансформаторного масла заливаемого в высоковольтное оборудование предъявляются очень высокие требования и поэтому нагрев масла не должен оказывать негативного влияния на его свойства. Таким образом, проблема нагрева трансформаторного масла при регенерации является актуальной, как с точки зрения качества процесса, так и применения энергосберегающих технологий. Таким образом, целью работы является создание электротехнологии нагрева трансформаторного масла в системах регенерации обладающей более высокими: энергетической эффективностью, качеством и скоростью процесса. В соответствии с заданной целью в работе решены следующие задачи:

- исследование и анализ физических свойств трансформаторного масла и существующих методов нагрева при регенерации;

- разработка математических моделей электромагнитных и тепловых полей исследуемого объекта;

- исследование электромагнитных и тепловых полей комбинированной системы электронагрева;

разработка инженерной методики расчета параметров комбинированного электронагревателя.

В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

- математическая модель взаимосвязанных электромагнитных и тепловых процессов при комбинированном диэлектрическом и индукционном нагреве трансформаторного масла;

- определены границы применения диэлектрического и индукционного нагрева трансформаторного масла в системах регенерации в зависимости от его физических параметров и параметров электромагнитного поля;

- применены аппроксимирующие зависимости, позволяющие определить мощности внутренних источников тепла при нагреве трансформаторного масла в высокочастотном электромагнитном поле в зависимости от его физических свойств и свойств электромагнитного поля и обеспечивающие возможность компьютерного моделирования комбинированного нагрева трансформаторного масла.

- разработан алгоритм расчета основных параметров комбинированного электрического нагрева трансформаторного масла;

Полученные в данной работе результаты позволяют на высоком уровне решать инженерные задачи по расчету параметров комбинированных систем диэлектрического и индукционного нагрева трансформаторного масла, обеспечивать более эффективное использование энергетических ресурсов и соответственно экологическую чистоту.

Практическая значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

- разработана не имеющая аналогов и обеспечивающая наиболее эффективное использование энергетических ресурсов комбинированная электротехнология нагрева трансформаторного масла в системах

регенерации, в основе которой положено сочетание двух методов электронагрева диэлектрического и индукционного;

- разработана инженерная методика расчета системы комбинированного технологического нагрева трансформаторного масла;

- определены и изучены экспериментальные зависимости при нагреве трансформаторного масла в высокочастотном электромагнитном поле;

разработана конструкция нагревателя и рассчитаны параметры комбинированной системы диэлектрического и индукционного нагрева трансформаторного масла в системах регенерации.

Результаты исследований внедрены:

- в ОАО «Сызранский нефтеперерабатывающий завод» в виде рекомендаций использования полученных результатов при ремонте силовых трансформаторов, и другого маслонаполненного оборудования, а также восстановлении трансформаторных масел.

- в учебном процессе Самарского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности 140 605 «Электротехнологические установки и системы», а также бакалавров и магистров по направлению 140 400 «Электроэнергетика и электротехника».

На защиту выносятся следующие положения:

1. метод комбинированной электротехнологии нагрева трансформаторного масла в системах регенерации;

2. инженерная методика расчета основных параметров комбинированной электротехнологии нагрева трансформаторного масла;

3. конструкция нагревателя и параметры комбинированной системы диэлектрического и индукционного нагрева трансформаторного масла в системах регенерации.

1. АНАЛИЗ, ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ НАГРЕВА ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА ПРИ РЕГЕНЕРАЦИИ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Анализ нагреваемого вещества

Трансформаторное масло - это продукт переработки нефти по химическому составу представляющая собой смесь различных углеводородов. Нефти различных месторождений отличаются по своим параметрам и зависимостям этих параметров от температуры. По средним фактическим данным кинематическая вязкость масла составляет

0,000017+ 0,0000185 л*^/ при 20° С и 0,0000065+ 0,0000067 при

50° С; кислотное число 0,03 + 0,1 гКОН/ .

/ КЗ

температура вспышки паров 135+ 140°С; температура застывания -45° С [7].

Электрическая прочность масла — величина чрезвычайно чувствительная к его увлажнению. Вода, газы и твердые частицы - постоянные примеси в жидком диэлектрике. Под влиянием электрического поля капельки воды -сильно полярная жидкость - поляризуются и создают между электродами цепочки повышенной проводимости, по которым и происходит пробой. Электрическая прочность чистого масла не зависит от температуры в

пределах до 80°С, когда начинается кипение легких масляных фракций и образование большого количества пузырьков пара внутри жидкости.

Подъем Епр при повышении температуры обусловлен переходом воды

из состояния эмульсии в состояние молекулярного раствора. Дальнейшее снижение электрической прочности объясняется процессами кипения жидкости. Увеличение электрической прочности при низких температурах связано с увеличением вязкости масла и меньшими значениями

диэлектрической проницаемости льда по сравнению с водой. Неочищенное

трансформаторное масло имеет = 4 = 4 к^/мм> после очистки

до

Епр = (20 4- 25)мв/м = (20 2 5)кВ/мл . Диэлектрическая проницаемость воды

8 = 80, чистого масла 8 = 2,1-7-2,5. Под действием сил электрического поля капельки эмульгированной в масле воды втягиваются в места, где напряженность поля особенно велика и где соответственно и начинается развитие пробоя. Еще более резко понижается электрическая прочность масла, если в нем, кроме воды содержатся волокнистые примеси: бумага, хлопчатобумажная пряжа. Их волокна впитывают в себя влагу из масла, при этом значительно возрастает их 8. Под действием сил поля увлажненные волокна не только втягиваются в места, где поле сильнее, но и располагаются по направлению силовых линий, что способствует пробою масла.

Зависимость tgЬ трансформаторных масел от температуры имеют вид, характерный для неполярных диэлектриков. Плотность трансформаторного масла у = 0,87 -г- 0,9 3 . Его температурный коэффициент объемного

расширения 0,00065 0,00066ЛГ-1. При нормальной температуре удельная теплоемкость масла примерно с = 1,5 ■> а теплопроводность порядка

А, = 0,13^^/^, при росте температуры, как удельная теплоемкость, так

и теплопроводность масла увеличивается. При работе в маслонаполненном электрооборудовании масло постепенно стареет. При старении оно становится более темным, в нем образуются загрязняющие его продукты — кислоты, смолы, которые частично растворимы в масле, а частично нерастворимы и как более тяжелые, осаждаются на дне бака и на погруженных в масле деталях в виде слоя ила, значительно ухудшающего отведение тепла от нагревающихся деталей электрооборудования. Образующиеся в масле низкомолекулярные кислоты разрушают изоляцию

обмоток и вызывают коррозию соприкасающихся с маслом металлов. При старении увеличивается вязкость и кислотное число масла, ухудшаются его электроизоляционные свойства. Температура вспышки паров масла в эксплуатации постепенно повышается в следствие испарение углеводородов с малой молекулярной массой, однако, при местных перегревах масла в трансформаторах или разрыве дуги в масляном выключателе, может произойти крекинг (разрыв молекул с образованием углеводородов пониженной молекулярной массы), что приводит к понижению температуры вспышки.

Скорость старения масла возрастает:

- при доступе воздуха, так как старение масла в значительной степени связано с его окислением кислородом, особенно интенсивно идет старение при соприкосновении масла с озоном.

- при повышении температуры (обычно наивысшей рабочей температурой масла считают + 95° С )

- при соприкосновении масла с металлами (медь, железо, свинец и т.п.)

- при воздействии света

- при воздействии электрического поля.

При старении в электрическом поле некоторые сорта масла выделяют газы; пузырьки, которых могут стать очагами ионизации. Газостойкие масла способны не выделять газов при старении в электрическом поле или даже поглощать ранее выделившиеся [7].

Нефтяные электроизоляционные масла являются неполярными диэлектриками и обладают в основном только электронной поляризацией. Поэтому они имеют невысокие значения диэлектрической проницаемости 6 = 2,1 + 2,5 [4].

Как известно электронная поляризация заключается в упругом смещении (деформации) электронных оболочек атомов (ионов) относительно ядра и имеет место во всех диэлектриках. Время установления

этой поляризации поэтому она наблюдается на всех

частотах, включая оптические т = 10"12 + 1015Гг/. Электронная поляризуемость аэ не зависит от температуры диэлектрика и частоты приложенного напряжения, а с увеличением размера атома (иона) возрастает; аэ =г , где г- радиус атома (иона). Итак, 8 неполярных диэлектриков не зависит от частоты во всем диапазоне частот. При нагревании £ монотонно снижается, так как уменьшается концентрация п поляризуемых молекул в результате теплового расширения диэлектрика. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКг

1 дг 1 ({> — 8 1 определяется ТКг = - х — среднее значение ТКг = - х -Ц

8 дТ 8 (72-71)

Диэлектрические потери в трансформаторном масле обусловлены только током сквозной проводимости и имеют небольшие значения tg = 0,0001, которые мало зависят от частоты и температуры, но существенно зависят от природы и концентрации примесей. Наличие ионогенной примеси (например, воды, свободных органических кислот, что свойственно загрязненному эксплуатационному маслу) приводит к существенному увеличению электропроводности, следовательно, диэлектрических потерь. С увеличением температуры tg5 чистого и сухого трансформаторного масла возрастает незначительно. Потери возрастают, так как увеличивается ток сквозной проводимости. У масла эксплуатационного с предельно

допустимым значением кислотного числа {км. = 0,25мг КОН/^^) очень

высокое содержание ионогенной примеси - органических кислот, воды. С повышением температуры степень диссоциации молекул кислот, воды и другой ионогенной примеси возрастает, следовательно, возрастает ионная проводимость в трансформаторном масле и, как следствие, увеличиваются диэлектрические потери.

Масло способно поглощать 0,1% воды при температуре 20°С, 0,2% при

температуре 60°С. При дальнейшем добавлении, вода осаждается на дно сосуда. При содержании 0,05% нерастворенной воды электрическая прочность масла снижается более чем на 20%. Масло может увлажняться как при транспортировке и хранении, так и в процессе эксплуатации вследствие химических процессов старения и возможного соприкосновения его с воздухом, всегда содержащего в себе влагу.

В трансформаторном масле постоянно происходят химические процессы старения, которые вызывают, с одной стороны, деструкцию молекул масла и образование низкомолекулярных ионогенных продуктов (перекисей, органических кислот, воды), увеличивающих ионную проводимость, масла, с другой процессы структуирования («осмоления») окисленных молекул с образованием коллоидных частиц и более высокомолекулярных продуктов — шлама. Коллоидные частицы обуславливают электрофоретическую проводимость и совместно с ионогенной приме�