автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Совершенствование методик теплового расчета силовых масляных трансформаторов

На правах рукописи

Трякин Александр Олегович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИК ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА СИЛОВЫХ МАСЛЯНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

17 МАП

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара-2015

005569364

005569364

Работа выполнена на кафедре «Электромеханика и автомобильное электрооборудование» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет (СамГТУ)».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Заслуженный работник высшей школы РФ, кандидат технических наук, доктор педагогических наук, профессор кафедры «Электромеханика и автомобильное электрооборудование» ФГБОУ ВПО СамГТУ Николай Петрович Бахарев доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет» Владимир Павлович Псвчев

Ведущая организация:

Кандидат технических наук,

начальник ОРЗА №1

ЗАО "ГК "Электрощит"-ТМ Самара"

Сергей Александрович Тарашев

ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный

технический университет», г. Ульяновск

Защита состоится «17» июня 2015 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: 443100, г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, ауд. №4.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», ученому секретарю диссертационного совета Д212.217.04, факс (846) 278-44-00, e-mail: a-ezhova@yandex.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ (443100, г. Самара, ул. Первомайская, д. 18) и на сайте диссертационного совета Д212.217.04 http://d21221704.satngtu.ru.

Автореферат разослан » О у 2015 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д212.217.04 кандидат технических наук

Е.В. Стрижакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Силовые масляные трансформаторы являются важнейшими элементами электротехнических установок, от качества и надёжности функционирования которых зависит качество распределяемой электрической энергии. Выход из строя трансформатора приводит к высоким техническим и экономическим затратам в процессе эксплуатации.

Одним из важнейших факторов, влияющих на качество и надёжность работы силовых масляных трансформаторов, является их эффективное охлаждение. Самым распространенным способом эффективного охлаждения трансформатора является применение систем типов М (естественная конвекция масла и воздуха), Д (естественная конвекция масла и принудительная циркуляция воздуха) и НДЦ (принудительная направленная циркуляция масла), а для снижения температуры наиболее нагретой точки обмоток в них применяются дополнительные осевые каналы и барьеры для направления потоков масла.

Среди российских и зарубежных ученых, которые внесли значительный вклад в исследование тепловых процессов в трансформаторах и охлаждения электрических машин можно отметить Киша JI., 'Гарле Г. Е., Голунова А. М., Готтера Г., Бородулина Ю.Б., Бунина А.Г., Конторовича Л.Н., Бутовского В.М., Попова Г.В., Комкова Е.Ю., Дулькина И.Н., Montsinger, Oliver A. J., Seitlinger Walter и Других. В работах этих авторов решаются задачи теплового расчета масляных трансформаторов.

Анализ научных работ показал, что вопросы теплового расчета силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения типов М, Д и НДЦ с конструкцией обмоток сложной формы с дополнительными осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла, недостаточно изучены.

Методы теплового расчета, основанные на использовании усреднённых экспериментальных данных или на использовании принципа термогидравлических цепей, применяют из-за простоты и удобства расчета, но они имеют ряд недостатков. Существенным ограничением в их применении является то, что для трансформаторов с использованием конструкции обмоток сложной формы с дополнительными осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла погрешность результатов теплового расчета может достигать нескольких десятков процентов, особенно при условиях естественной конвекции масла. Дополнение и расширение методик для учета новых конструкций обмоток или систем охлаждения приводит к значительным временным, финансовым (изготовление моделей, нснытания) и трудовым затратам.

Наиболее точные теоретические методы полевого моделирования тепловых, гидростатических и гидродинамических полей, например CFD моделирования, требуют большого объёма экспериментальных данных, дорогого специализированного программного обеспечения и значительных временных затрат на расчет. Методы полевого моделирования не позволяют проводить полный анализ влияния конструктивных параметров на тепловое

состояние трансформатора. Это не позволяет широко использовать эти технологии расчета в условиях конструкторских и проектных подразделений производителей трансформаторного оборудования.

Поэтому важной научной задачей является совершенствование и развитие методик теплового расчета, учитывающих конструкцию обмоток сложной формы с дополнительными осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла, с целью повышения эксплуатационных характеристик силовых масляных трансформаторов путем модернизации конструктивных параметров систем охлаждения и обмоток.

Объект исследования - силовые масляные трансформаторы мощностью 2,5^400 МВ'А с системами охлаждения типов М, Д и НДЦ.

Предмет исследования — тепловые, гидродинамические и геплообменные процессы в силовых масляных трансформаторах.

Цель работы: повышение эксплуатационных характеристик силовых масляных трансформаторов с конструкцией обмоток сложной формы путем модернизации конструктивных параметров систем охлаждения и обмоток на основе разработки уточнённых методик теплового расчета.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Критический анализ существующих отечественных и зарубежных методов теплового расчета силовых масляных трансформаторов и перспектив их развития.

2. Разработка математических моделей теплового расчета стационарных режимов работы силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения типов М, Д и НДЦ с возможностью учета конструкций обмоток сложной формы с дополнительными осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла.

3. Формирование на основании исследования математических моделей рекомендаций: по выбору конфигурации расположения радиаторов систем охлаждения типов М и Д; по определению допустимых превышений уровня нагрузки, а также, по выбору параметров конструкции обмоток, в том числе сложной формы.

4. Проведение экспериментальных исследований опытных образцов силовых масляных трансформаторов для проверки адекватности предложенных математических моделей и расчетпых зависимостей.

Методы исследования. В работе использовались методы термогидравлических цепей, классической теории гидродинамики и теплообмена. Реализация и расчет моделей осуществлялось в средах математического моделирования МаЛСас! и САПРТОН.

Научная новизна определяется тем, что в работе совершенствуются методы теплового расчета, решаются задачи их математического моделирования с целью повышения эксплуатационных характеристик силовых масляных трансформаторов.

В работе в указанном направлении получены следующие научные результаты:

1. Математические модели теплового расчета стационарных режимов работы силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения типов М, Д и НДЦ, отличающиеся тем, что непосредственно учитывают гидравлическое сопротивление обмоток и конструкции обмоток сложной формы с дополнительными осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла, позволяющие определить рациональные конструкции и их параметры.

2. Математическая модель теплового расчета обмоток, отличающаяся тем, что позволяет расчетным путем получить температуры катушек, температуру масла и скорости потоков масла в каналах обмотки, в том числе конструкций сложной формы для силовых масляных трансформаторов со всеми типами систем охлаждения с естественной и принудительной циркуляцией масла.

3. Рекомендации но рациональным конструкционным параметрам трансформаторов: конфигурации расположения радиаторов систем охлаждения М и Д; параметрам конструкции обмоток, в том числе сложной формы.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Уточненная методика теплового расчета позволила повысить точность расчета температур средних, нижних и верхних слоев масла силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения типов М, Д и НДЦ и с конструкцией обмоток сложной формы с дополнительным! осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла.

2. Математическая модель теплового расчета обмоток, в том числе с конструкциями сложной формы, позволила повысить точность расчета температуры наиболее нагретой точки и исключить недопустимый перегрев и повысить срок службы изоляции трансформаторов с различными типами систем охлаждения с естественной и принудительной циркуляцией масла.

3. На основе выявленных связей параметров конструкции обмоток, высоты установки радиаторов и уровня нагрузки с тепловыми параметрами определены рациональные конструкции трансформаторов.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, подробной оценкой и научным обоснованием принятых допущений и подтверждается результатами экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации приняты к использованию в ООО «Сервисный центр - Тольяттинский Трансформатор» г. Тольятти при проведении работ по модернизации систем охлаждения силовых масляных трансформаторов.

Положепня, выносимые на защиту:

1. Математические модели теплового расчета стационарных режимов работы силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения типов М, Д и НДЦ, учитывающие гидравлическое сопротивление обмоток и конструкции обмоток сложной формы с дополнительными осевым и каналами и барьерами для направления потоков масла.

2. Математическая модель расчета температур обмоток, позволяющая расчетным путем получить температуры катушек, температуру масла и

скорости потоков масла в каналах обмотки, в том числе с конструкцией сложной формы, для различных типов систем охлаждения силовых масляных трансформаторов с естественной и принудительной циркуляцией масла.

3. Функциональные зависимости, устанавливающие взаимосвязи параметров конструкции обмоток и радиаторов с тепловым состоянием масляного трансформатора.

Апробапия результатов диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на IV Международной научно-технической конференции: «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии»; XIX Всероссийской научно-технической конференции: «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность»; Всероссийском конкурсе научных работ студентов, магистрантов и аспирантов (г.Тольятти, 29 ноября 2011 года).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, три из которых входят в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 144 страницы, 48 рисунков, 23 таблицы. Список использованной литературы включает 95 наименований. В общее количество листов входят 2 приложения на 4 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования. Приведены новые научные результаты, полученные в работе, показана их практическая ценность, определен личный вклад соискателя, представлены сведения об апробации работы.

Первая глава диссертации посвящена обзору состояния исследуемого вопроса. Проанализированы конструкции масляных трансформаторов и основных типов систем охлаждения. Рассмотрены тепловые процессы силового масляного трансформатора и нормы допустимых температур частей конструкции и масла. Проведен критический анализ существующих методов теплового расчета трансформатора.

Силовой масляный трансформатор класса напряжения 35^750 кВ и мощностью 2500^400000 кВ-А - сложное электротехническое устройство, состоящее из большого числа узлов, деталей и металлоконструкций. Основными частями трансформатора являются магнитная система (мапштопровод), обмотки и бак, в который погружена активная часть, на бак могут быть прикреплены радиаторы или охладители.

Системы охлаждения типов М и Д распространены, как наиболее эффективные для трансформаторов низких и средних мощностей и простые по конструктивному исполнению. Система охлаждения типа НДЦ широко

применяется для охлаждения мощных трансформаторов, но имеет относительно сложную конструкцию и высокую стоимость.

Для снижения температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора широко применяют следующие конструктивные решения: применение барьеров для направления потоков масла в обмотке и применение дополнительных осевых каналов.

Согласно требованиям ГОСТ ] 1677—65 установлены нормы допустимых перегревов для отдельных частей и узлов силовых масляных трансформаторов относительно температуры охлаждающей среды, а также эквивалентной средней температуры внешней среды.

Для всех переходных режимов при нагрузке не выше номинальной, превышение температуры над окружающей средой будет ниже, чем при номинальной нагрузке. Поэтому тепловой расчет проводится для установившегося режима работы трансформатора при номинальной нагрузке.

Критический анализ известных методов теплового расчета силового масляного трансформатора показал, что их возможно условно классифицировать на следующие четыре группы:

1. Эмпирический метод «перегревов», основанный на использовании усреднённых по вертикальной и горизонтальной поверхностях катушек эмпирических коэффициентов теплоотдачи с упрощённым учётом температур масла в месте расположения катушек по высоте обмоток и на суммировании превышений температур поверхности проводников катушек над маслом, перепада температуры по толщине изоляции элементарных проводников и общей изоляции провода.

2. Расчётный метод «перегревов», при котором коэффициенты теплоотдачи определяются расчётным путем.

3. Метод термогидравлических цепей, как внутри обмоток, так и для общей теплогидравлической цепи трансформатора, включая систему охлаждения.

4. Методы полевого моделирования тепловых, гидростатических и гидродинамических полей обмоток, основанные на численном решении полной системы уравнений Навье-Стокса при различных дополнительных упрощениях в постановке и решении задачи.

Выполнен аналитический обзор технической литературы в выбранном направлении решения поставленной задачи, на основе которого сделан вывод о необходимости совершенствования методов теплового расчета стационарных режимов работы силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения типов М, Д и НДЦ, учитывающих конструкции обмоток сложной формы. Анализ известных методов определения тепловых параметров позволил выявить недостатки и преимущества экспериментальных, аналитических и численных методов с тем, чтобы эффективно использовать их при решении поставленной задачи.

По результатам главы сформулированы выводы и поставлены задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены и разработаны: математические модели теплового расчета стационарных режимов работы силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения типов М, Д и НДЦ; математическая модель теплового расчета обмоток, в том числе с конструкцией сложной формы; алгоритм теплового расчета силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения типов М, Д и НДЦ.

Представлена математическая модель силового масляного трансформатора с системами охлаждения типов М и Д, которая описана уравнениями:

- отводимых потерь при стационарном процессе

Р = сД{Ю , (1)

где б - массовый расход масла элемента, кг/с; Дт? = 1?ЕЫХ — $ех - превышение температуры, °С; 19вх, 19вых - температура масла, которое входит или выходит из охлаждаемого элемента, "С; Р - суммарные потери элемента, Вт; с - удельная теплоемкость трансформаторного масла, Дж/(кг*°С);

- нагревания тела

Р <И = С(?<й9 + аЗМг , (2)

где Р - количество тепла, генерируемое трансформатором в единицу времени; С

- время; й - вес трансформатора; ¡9 - превышение температуры трансформатора над температурой окружающей среды; а - коэффициент теплопередачи; 5 -охлаждающая поверхность тела.

- циркуляции масла в замкнутой системе трансформатора при естественной конвекции

Рг = ФзрСЮЛН , (3)

где рг- гравитационное давление в контуре циркуляции масла; д - нормальное ускорение свободного падения; р(Я)-плотность масла; Н - высота контура циркуляции масла.

Коэффициент гидравлического сопротивления каналов обмотки рассчитан из уравнений (4) и (5)

А Рку = \ К{а/Ъ)0иуц ски (4)

и

АРкО' = ^о^^ки - (5)

где ДрК1-;- - потери давления в /-м канале /-Й обмотки, Па; О0у - гидравлический диаметр у'-го канала /-й обмотки, м; А0ц - площадь поперечного сечения тока масла ]-го канала /-й обмотки , м2; р0 - плотность масла при 70 °С, кг/м3; СК1;- -массовый расход масла черезу-й канал 1-й обмотки, кг/с; ЛГ(а/Ь)017 = 56.91 + 40,31(е"35а/й - 0.0302) - конструкционный коэффициент, где а и 6- параметры, учитывающие геометрию конструкции у'-го канала тока масла обмотки; уу - средняя кинематическая вязкость масла в у'-м канале 1-й обмотки при 70 °С, м2/с; й0;у- коэффициент гидравлического сопротивления вертикального канала I обмотки, образованного соседними прокладками, расположенными между катушками (рис. 1), Па-с/кг.

Общий коэффициент гидравлического сопротивления обмогки /?()( найден по формуле

1

«о 1 =

Яы]

где к- количество вертикальных и осевых каналов в обмотке, шт.; ппр — количество столбов прокладок в обмотке, шт.; — коэффициент гидравлического сопротивления ! обмотки, Па с/кг.

Катушка аВмотки /

Вертикальные канат /обмотки с гидраблическин диаметрон и площадью А& \

Рисунок 1 - Эскиз сектора катушек между межкатушечными прокладками i и (i-1) обмоток с

осевым каналом.

При условии стационарного режима работы трансформатора с системами охлаждения типов М и Д из уравнений (1), (2) и (3) получена система, состоящая из уравнений:

- отводимых потерь в обмотках

Co^^oi^oi = Рог c0At902G02 = Pq2 ;

c0Afi0iG0i = P0i; c0^0nGon ~ P<]n i

- отводимых потерь бака

C0Al90G6aK — Pбак ; 9

- отводимых потерь в радиаторах

Со^о^охл = Рохл

- отводимых потерь металлоконструкций

с0Дб0СДр — Ядр ;

- гидравлического равновесия при естественной конвекции

й01с01 + Ар охл — Рг1 '

#02^02 + Арохл = рг2 ;

+ Дрохл = Рп;

«опСоп + Арохл = Рш;

- теплового и энергетического баланса

п

^ ' Л>£ ^др = Рохл "Ь Рбак > 1=1

Д0о(Со1+Со2+...+Со;+...+Со„) = = Д^01С01 + Дй02С02+... +Дт90£С0£+. .. +Д190пС0п, где С01, ...,Сог>-ч^оп " массовый расход масла через соответствующую обмотку, кг/с; Сохл- массовый расход масла системы охлаждения трансформатора, кг/с; С6ак-массовый расход масла, создаваемый в результате теплоотдачи через стенки бака, кг/с; Сдр - массовый расход масла магнитопровода, элементов металлоконструкций конструкции и бака, кг/с; Дд01> ...,ДО0п~ осевой перепад температуры масла в соответствующей

обмотке, °С; Ад0 - осевой перепад температуры в радиаторах, °С; Р01, ...,Р01, ...,Р0п - полные потери в соответствующей обмотке, Вт; Р№-суммарные потери в элементах трансформатора (магнитопровод, эл. металлоконструкций конструкции, бак), Вт; Рохл- суммарный тепловой поток радиаторов (охладителей), отдаваемый во внешнюю охлаждающую среду, Вт; Рдак - тепловой поток бака трансформатора, отдаваемый во внешнюю охлаждающую среду, Вт; Я01, ..., Д0;,..., Я0п - коэффициенты гидравлического сопротивления в обмотках, Па*с/кг; рг, - гравитационное давление в обмотке ¡, Па; Дрохл - падения напора в радиаторах (охладителях), Па; с0 - удельная теплоемкость трансформаторного масла, Дж/(кг*°С); п - количество рассчитываемых обмоток, шт.

Превышение средней температуры масла в баке над температурой охлаждающей среды

Мссы = Мвсм - 0.5ДЙО , где Дйссм- превышение температуры средних слоев масла в баке над температурой охлаждающей среды, °С; Дг9вси- превьппение температуры верхних слоев масла в баке над температурой охлаждающей среды, °С;

Превышения температуры верхних слоев масла в отдельных обмотках над температурой охлаждающей среды

Л19всмог = АгЗвсм - Ад0 + Дт9ог, где Д1?всм0г превышение температуры верхних слоев масла в обмотке / над температурой охлаждающей среды, °С;

Представлена математическая модель силового масляного трансформатора с системой охлаждения НДЦ, которая описана уравнением (2). Из (2) получено уравнение теплового баланса, для определения превышения температуры средних слоев масла относительно охлаждающей среды Дг9ссм

^ Р01 + Сбак + Рдр) = Р&ак + тР0ХЛ(Дг9ссм) ,

где Рохл(ЛАсм) - тепловой поток охладителя, Вт; т - количество охладителей трансформатора, шт.

Разработана математическая модель для одномерного термогидравлического расчета обмотки (рис. 2) , учитывающая наличие осевых охлаждающих каналов или барьеров для направления циркуляции масла, с целью расчета температуры наиболее нагретой точки.

Физическая модель движения жидкости в каналах обмотки представлена в виде струек (слоев), которые не перемешиваются в ламинарной зоне вертикальных каналов обмоток.

Переменные параметры модели:

- количество катушек и число витков в катушке;

- толщина изоляции катушки;

- Размеры горизонтальных каналов в обмотке;

Температура на поверхности катушки (частей катушки, разделенных осевым каналом) предполагается одинаковой.

Рисунок 2 - Модель катушек обмотки, а) С обозначениями гидравлических диаметров и площадей сечения каналов тока масла, б) Стрелками обозначены направления потока масла.

4 Щ тшл

- 1:

В модели обмотки учитываются:

- потери давления, обусловленные гидравлическим сопротивлением на вязкое трение масла в каналах, по формуле Дарси — Вейсбаха

1 . к ,

где ДР-гр/ - потери давления, обусловленные гидравлическим сопротивлением на вязкое трение масла в канале 1, Па; р - плотность жидкости (для температуры средних слоев масла), Ц- длина ¡-го канала, м, Ог гидравлический диаметр ¡-го канала, м, v,- - скорость масла в ¡-м канале, м/с, - коэффициент гидравлического сопротивления, ускорение свободного падения, м/с2.

- Потери давления, обусловленные местными гидравлическими сопротивлениями

=

где ДР„г потери давления, обусловленные местными гидравлическими сопротивлениями, Па; коэффициент местных гидравлических

сопротивлений взят из справочной литературы.

- Подъемная сила, действующая из-за разности плотностей между соседними узлами модели

ДР„; = 3(Р( - Р/+1)(Ь„р + К), где р{, р!+1 - средняя плотность ¡-го узла и последующего узла (¡+1) по направлению движения жидкости в вертикальном канале, кг/м3; Лпр - высота межкатушечного канала, м; кг- высота катушки, м.

- Дополнительное сопротивление вертикального канала за счет регулярной шероховатости, образованной выступами прокладок:

Ц 01?;2

лр . — з

тр!,выст — ЛВЫСТ 2 '

где

АРтрг.выст " сопротивление вертикального канала за счет регулярной шероховатости, образованной выступами прокладок, Па; /выст - средняя длина выступа прокладки в вертикальный канал, м; (£>г)м - гидравлический диаметр турбулентной зоны у выступов прокладок, с учетом загромождения площади сечения вертикального канала выступом, м.

Для расчета скоростей потоков масла в модели обмотки применен закон сохранения массы, который имеет вид

= О,

где А - площадь поперечного сечения потока масла, м2; V — скорость потока масла, входящих или выходящих из узла, м/с.

Для расчета температур масла в каналах модели использовано уравнение (1). Составлены уравнения для всех узлов и участков модели обмотки.

В итоге расчета модели обмотки получены: -средняя температура масла в каналах; -средняя скорость потоков масла в каналах.

Лвыст = 17500

[КА

Ч^выст/

+ 25

Для расчета температур катушек использована известная методика:

- рассчитываются коэффициенты теплоотдачи от рассматриваемой катушки (части катушки) к маслу в канале.

- Рассчитываются усредненные коэффициенты теплопередачи для каждой катушки обмотки.

- Рассчитываются превышения температуры наиболее нагретой точки обмотки над прилегающим к ней маслом.

Алгоритм теплового расчета силового масляного трансформатора условно разбит на 3 последовательных этапа:

1. расчет коэффициентов гидравлического сопротивления каждой обмотки для систем охлаждения типов М и Д, гидравлический расчет - для НДЦ.

2. Общий балансовый расчет трансформатора с системой охлаждения типов М, Ди НДЦ для определения распределения температур масла, а также массовых расходов масла через каждую обмотку и каждый элемент конструкции трансформатора для систем охлаждения типов М и Д.

3. Расчет обмоток для определения температур наиболее нагретых точек и распределения температуры масла по высоте обмотки.

В третьей главе представлены основные результаты теоретического исследования математических моделей: по выбору конфигурации расположения радиаторов систем охлаждения типов М и Д; по определению допустимых превышений уровня нагрузки, а также, по выбору параметров конструкции обмоток, в том числе сложной формы;

В качестве объекта теоретического исследования принята модель масляного трансформатора ТДН-40000/110 с системой охлаждения типа Д.

, ¿&всм, вс

1зе ,йвсм=ЯМ11. Г

;.... Ч - «5- 1 11

Ь1 Л -120--- ----- 1 ----

и.....

9<Л

—85-- - ----\----- --

1----|----- ..... -75-- ---- — .....

IV

-0,75 -0,5 -0,25 О 0.25 0.5 0.75 1 1,15 1,5

Рисунок 3 - Зависимость превышения температуры верхних слоев масла над температурой охлаждающей среды Д$всн от высоты установки радиатора Я/ относительно середины средних высот обмоток (модель трансформатора ТДН-40000/110).

Установка радиаторов для систем охлаждения типов М и Д на высоту 0.25-0.75 м выше середины высот обмоток дает наиболее низкие значения

температур масла, как превышений верхних слоев масла над охлаждающей средой, так и осевых падений температур в обмотках и радиаторах (рис. 2). Установка радиаторов ниже середины высот обмоток приводит к сильным перегревам масла, что крайне нежелательно. При установке выше определенного значения (0,75 м) выигрыш в охлаждающей способности системы охлаждения незначителен.

При применении системы охлаждения типа НДЦ, с принудительной циркуляцией, высота установки радиаторов или охладителей не оказывает значительного влития на тепловое состояние трансформатора.

Увеличение теплового потока радиаторов благоприятно сказывается на тепловых параметрах работы трансформатора, так как происходит более интенсивный отвод тепла в охлаждающую среду.

Уровень нагрузки характеризуется коэффициентом нагрузки, и с его увеличением происходит увеличение потерь в активной части трансформатора, что ведет к увеличению температур масла и других частей трансформатора (рис.3). Рекомендуемое значение коэффициента нагрузки необходимо принимать в пределах 0,9^1,3, так как при таких значениях температуры наиболее нагретых точек трансформатора не превышают допустимых.

ййвсм/ссм, °С

Рисунок 4 - Зависимость превышения температур верхних и средних слоев масла Авпсы/ссм над температурой охлаждающей среды от значения коэффициента нагрузки Кн (модель трансформатора ТДН-40000/110).

Для обеспечения приемлемых условий охлаждения необходим определенный уровень объемного расхода масла, протекающего через обмотки. В случае с направленной циркуляцией в обмотке, количество барьеров для регулировки направлений пути потоков масла подбирается таким образом,

чтобы обеспечить рациональное значение гидравлического сопротивления, а следовательно и требуемый уровень расхода масла.

При большом значении коэффициента гидравлического сопротивления наблюдается повышение температур верхних слоев масла и, следовательно, ухудшения условий охлаждения соответствующих обмоток (рис. 5).

Ввод осевых каналов по всей высоте катушечной обмотки способствует значительному уменьшению коэффициента гидравлического сопротивления и улучшению условий охлаждения катушек. Ширину осевого канала необходимо выбирать порядка 4^6 мм, что примерно равно двойному конвекционному слою потока масла при температуре 75 °С, а их количество принимать в пределах 1^3 в зависимости от радиального размера катушки.

денн, [°с]

27,5-----

11

27,25 .........

27-----

; 26,75 -----

! 26,5--

;

; 26,25 ------

26--

! 25,75 ----

25,5--

25,25 ----

25---

24,75 ........

24,5--

10

Рисунок 5 - Зависимость осевого падения температуры масла в обмотке от ее гидравлического сопротивления й„„.

Ввод барьеров в катушечную обмотку трансформатора с системой охлаждения НДЦ для направления потока масла ведет к увеличению коэффициента гидравлического сопротивления, но также увеличивается объем масла, проходящего через обмотки, что приводит к понижению температуры наиболее нагретой точки обмотки.

В четвертой главе представлены основные результаты проведение экспериментальных исследований опытных образцов силовых масляных трансформаторов для проверки корректности предложенных математических моделей и расчетных зависимостей.

В ходе экспериментальной работы проведены специальные тепловые испытания трансформатора ТМН-6300/35-УХЛ1. В обмотку НН испытуемого трансформатора были помещены 5 направляющих перегородок. Обмотки ВН и РО никаким изменениям не подвергались. Температура наиболее нагретых точек катушек измерялась при помощи 10 оптических датчиков температуры.

ДФнн=^Янн)

Янн, ¡Па с/кг]

Схемы установки направляющих перегородок и оптических датчиков температуры в обмотках НН и ВН приведены на рис. 6.

В процессе испытаний исследовано изменение температур трансформатора ТМН-6300/35-УХЛ1 в зависимости от изменения высоты центра системы охлаждения относительно центра обмоток.

Т8

т

Т18

а о

Рисунок 6 - Схема расположения перегородок и оптических датчиков температуры Т„

в обмотках, а) В обмотке НН; б) в обмотке ВН.

Максимальное абсолютное расхождение результатов теплового расчета и экспериментальных данных трансформатора ТМН-6300/35-УХЛ1 составляет не более Д=5,7 °С, что соответствует относительному значению 3=10 %. Относительное отклонение расчета и экспериментальных данных составляет:

- превышение температуры верхних слоев масла над температурой охлаждающей среды 5= 4,8%;

- превышение температуры средних слоев масла над температурой охлаждающей среды 8= 5%;

- превышение максимальной температуры наиболее нагретой точки над температурой охлаждающей среды 5= 10 %;

Из сравнения экспериментальных и расчетных значений температур наиболее нагретой точки обмоток трансформатора ТМН-6300/35-УХЛ1, в большинстве случаев полученные расчетные значения оказались больше, чем экспериментальные.

Проведены тепловые испытания согласно ГОСТ 3484.2-88 ряда силовых масляных трансформаторов:

- с системой охлаждения типа М: ТМНС 6300/10-У 1, ТРДН 25000/110-У1, ТДТН 40000/110-УХЛ1, ТДТН 40000/110-У 1, ТДН 80000/110-У 1.

- с системой охлаждения типа Д: ТРДН 25000/110-У1, ТДТН 40000/110-УХЛ1, ТДТН 40000/110-У 1, ТДН 80000/110-У 1.

- с системой охлаждения типа НДЦ: ТДЦ-100000/110-УХЛ1.

Испытания проводились при номинальной нагрузке, температура

внешней охлаждающей среды равна 20 °С.

Максимальное абсолютное расхождение результатов теплового расчета и эксперимента для масляшлх трансформаторов с системой охлаждения М составляет не более Л=5,6 °С. Максимальное относительное отклонение расчета и экспериментальных данных составляет:

- превышение температуры верхних слоев масла над температурой охлаждающей среды 5= 14,5%;

- превышение температуры средних слоев масла над температурой охлаждающей среды 5= 9,8%.

Максимальное абсолютное расхождение результатов теплового расчета и эксперимента для масляных трансформаторов с системой охлаждения Д составляет не более Д=4°С. Максимальное относительное отклонение расчета и экспериментальных данных составляет:

- превышение температуры верхних слоев масла над температурой охлаждающей среды 5= 8%;

- превышение температуры средних слоев масла над температурой охлаждающей среды 5= 0,5%.

Максимальное абсолютное расхождение результатов теплового расчета и эксперимента для масляных трансформаторов с системой охлаждения типа НДЦ составляет не более Д=3°С. Максимальное относительное отклонение расчета и экспериментальных данных составляет:

- для температуры нижних слоев масла 5=5 %;

- превышение температуры верхних слоев масла над температурой охлаждающей среды 5=3 %;

- превышение температуры средних слоев масла над температурой охлаждающей среды 5=3 %.

Максимальное абсолютное расхождение результатов теплового расчета и эксперимента для масляных трансформаторов с системами охлаждения типа М, Д, НДЦ составляет не более Д=5,б °С, что доказывает адекватность разработанных математических моделей теплового расчета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам диссертационной работы можно сделать следующие выводы.

1. Проведен анализ методов теплового расчета силовых масляных трансформаторов. Проанализирована конструкция масляных трансформаторов и основных типов систем охлаждения, выявлены их недостатки и преимущества. Рассмотрены тепловые процессы в силовом масляном трансформаторе, необходимые для разработки математических моделей теплового расчета.

2. Разработаны математические модели для теплового расчета силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения типов М, Д и НДЦ. Модели отличаются от существующих тем, что непосредственно учитывают гидравлическое сопротивление обмоток трансформатора, кроме того, непосредственно учтены конструктивные особенности обмоток: барьеры для направления потоков масла в обмотке и дополнительные осевые каналы разданного вида. Тепловой расчет позволяет получить основпыс тепловые параметры: температуры слоев масла трансформатора; среднюю скорость потока масла через каждую обмотку; температуру наиболее нагретой точки обмоток.

3. На основе анализа теоретических зависимостей массового расхода масла через обмотки, распределения температур масла по высоте обмотки и температуры слоев масла трансформатора от высоты устаповки радиаторов и от гидродинамического сопротивления обмоток даны рекомендации по повышению эксплуатационных характеристик силовых масляных трансформаторов, которые позволяют снизить температуры активных материалов, изоляции и масла.

4. Наибольшую погрешность при тепловом расчете системы охлаждения вносят неточности определения удельного теплового потока радиаторов. Особенно остро данная проблема стоит для систем охлаждения типов Д и НДЦ, для которых температуры масла достаточно точно можно получить только по данным испытаний трансформатора с подобной конфигурацией радиаторов и вентиляторов. Данные о значении удельного теплового потока радиаторов для системы охлаждения М, предоставляемые различными производителями, имеют существенное различие, поэтому расчет количества радиаторов и числа панелей рекомендуется выполнять с учетом данных производителя.

5. Температура масла, выходящего из обмотки с направляющими перегородками, выше температуры масла выходящего из обмотки традиционного исполнения. Этот факт отражает значение непосредственного учета гидравлического сопротивления обмотки при проведении тепловых расчетов.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рекомендованных ВАК РФ научных журналах.

1. А.О. Трякин. Методика расчета и определения наиболее нагретых точек катушечных обмоток масляных трансформаторов. Энергетик, №7, июль, 2013. Москва : Изд-во «Фолиум», 2013. - с. 31-34.

2. А.О. Трякин, A.B. Бушев. Методика расчета радиаторной системы охлаждения масляного трансформатора. Энергетик, №8, июль, 2013. Москва : Изд-во «Фолиум», 2013.-е. 45-47.

3. А.О. Трякин. Методика теплового расчета силового масляного трансформатора с системой охлаждения типа «НДЦ». Вектор науки Тольяттинского государственного университета №2(24) 2013. Тольятти : Изд-во Тольяттинского государственного университета, 2013.-е. 216-220.

В других журналах и изданиях.

4. А.О. Трякин. Анализ методов теплового расчета трансформаторов. «Компьютерные технологии и информационные системы в электротехнике»: Всероссийский конкурс научных работ студентов, магистрантов и аспирантов (Тольятти, 29 ноября 2011 года): сборник материалов/ отв. за вып. сб. A.A. Северин, М.Н. Третьякова.- Тольятти: Изд-во ТГУ, 2011. -с. 116-123: обл.

5. А.О. Трякин. Проблемы, стоящие перед производителями силовых трансформаторов. «Компьютерные технологии и информационные системы в электротехнике» : Всероссийский конкурс научных работ студентов, магистрантов и аспирантов (Тольятти, 29 ноября 2011 года) : сборник материалов/ отв. за вып. сб. A.A. Северин , М.Н. Третьякова,- Тольятти: Изд-во ТГУ, 2011.-с. 124-131.

6. A.A. Северин, А.О. Трякин. Общая методика расчета, перспективы развития и недостатки систем охлаждения силовых масляных трансформаторов. Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: IV Международная научно-техническая конференция (Тольятти, 24-25 апреля 2012 г.) : сборпик трудов : в 2 ч. / отв. За вып. A.A. Шевцов. - Тольятти : Изд-во ТГУ, 2012. - Ч. 2. -с. 106-111: обл.

7. Н.П. Бахарсв, А.О. Трякин. Особенности расчета коэффициента гидравлического сопротивления обмоток силового трансформатора. Школа университетской науки: парадигма развития, №1 (8) 2013 март. Тольятти : Изд-во ПВГУС, 2013.-с. 45-49.

8. H.H. Бахарев, А.О. Трякип. Моделирование тепловых режимов обмоток и групп катушек силовых масляных трансформаторов методом CFD. Школа университетской науки: парадигма развития, №1 (8) 2013 Тольятти: Изд-во ПВГУС, 2013.-е. 50-51.

9. А.О. Трякин. Типы конструкций обмоток масляного трансформатора в отношении тепловых режимов работы / Трякин А.О., Бахарев Н.П. Энергетика: Эффективность, надёжность, безопасность: материалы трудов XIX Всероссийской научно-технической конференции / Томский политехнический университет, Т. I - Томск: Изд-во ООО «Скан», 2013. -с. 5-7.

10. А.О. Трякин. Влияние параметров установки радиаторов на тепловое состояние в силовых масляных трансформаторах в установившемся режиме работы / Трякин А.О., Бахарев Н.П. Энергетика: Эффективность, надёжность, безопасность: материалы трудов XIX Всероссийской научно-технической конференции / Томский политехнический университет, Т. I - Томск: Изд-во ООО «Скан», 2013. -с. 7-11.

Лпчпый вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: в работе [7] - разработка алгоритма расчета коэффициента гидравлического сопротивления обмоток силового трансформатора, в работе [8] - обзор методов теплового расчета, в работе [1] - разработка теплового расчета наиболее нагретых точек катушечных обмоток с осевыми каналами, в работе [2] - разработка математической модели, постановка задачи и метода ее

решения, в работах [9, 10] - анализ зависимостей тепловых параметров работы от параметров конструкции и уровня нагрузки на математических моделях масляного трансформатора, работы [3,4, 5,6] написаны единолично.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета ДО 12.217.04 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (Протокол № 5 от 07 апреля 2015 г.) Заказ № 216. Тираж 100 экз. Формат 60x84/16. Отпечатано на ризографе.

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