Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов теплового расчета силовых масляных трансформаторов
1.1. Конструкции силовых масляных трансформаторов и основных типов систем охлаждения 1.1.1. Конструкция силового масляного трансформатора
1.1.2. Конструкция и условия теплообмена обмоток
1.1.3. Преимущества и недостатки основных видов систем охлаждения
1.2. Тепловые процессы в силовом масляном трансформаторе
1.2.1. Источники тепловых потерь
1.2.2. Особенности процесса теплопередачи
1.2.3. Нормы нагрева частей конструкции и масла
1.2.4. Влияние температуры изоляции при эксплуатации на надежность работы трансформатора 1.3. Анализ теоритических и эмпирических методов теплового расчета
силового масляного трансформатора
1.3.1. Общие сведения
1.3.2. Методы теплового расчета
1.3.3. Анализ методик теплового расчета катушечных обмоток
1.3.4. Анализ методик теплового расчета цилиндрических обмоток
1.3.5. Анализ методик теплового расчета систем внешнего охлаждения...
1.4. Выводы по главе
2. Математические модели силового масляного трансформатора с системами охлаждения м, д и ндц для теплового расчета в установившемся режиме
2.1. Математическая модель силового масляного трансформатора с системами охлаждения М и Д
2.1.1. Описание математической модели
2.1.2. Структура математической модели
2.1.3. Тепловой поток бака и радиаторов
2.1.4. Расчет гравитационного давления в обмотках
2.1.5. Расчет падения напора в радиаторах
2.1.6. Расчет коэффициента гидравлического сопротивления обмотки
2.2. Математическая модель силового масляного трансформатора с системой охлаждения НДЦ 2.3. Математическая модель обмотки силового масляного трансформатора
2.3.1. Описание модели обмотки
2.3.2. Расчет давлений и скоростей потоков масла в каналах обмотки
2.3.3. Расчет температур масла в каналах обмотки
2.3.4. Расчет температур наиболее нагретых точек катушек
2.4. Алгоритм теплового расчета силового масляного трансформатора
2.4.1. Структура теплового расчета силового масляного трансформатора
2.4.2. Рекомендации по тепловому расчету силового масляного трансформатора методом CFD
2.5. Выводы по главе
3. Теоретическое исследование влияния конструкции масляного трансформатора и уровня нагрузки на тепловое состояние в установившемся режиме
3.1. Общие сведения
3.2. Анализ влияния параметров конструкции и высоты установки радиаторов системы охлаждения на температуру слоев масла трансформатора
3.3. Исследование влияния уровня нагрузки на тепловое состояние трансформатора в установившемся режиме работы
3.4. Исследование зависимости параметров теплового состояния трансформатора от гидравлического сопротивления обмоток 3.5.
Выводы по главе 4.
Анализ результатов тепловых испытаний силовых масляных трансформаторов
4.1. Анализ результатов теплового испытания силового масляного трансформатора с системой охлаждения М с направляющими перегородками в обмотке
4.2. Анализ результатов тепловых испытаний силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения М, Д и НДЦ
4.3. Выводы по главе
Заключение
Библиографический список
- Конструкция и условия теплообмена обмоток
- Тепловой поток бака и радиаторов
- Анализ влияния параметров конструкции и высоты установки радиаторов системы охлаждения на температуру слоев масла трансформатора
- Анализ результатов тепловых испытаний силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения М, Д и НДЦ
Конструкция и условия теплообмена обмоток
Принудительная циркуляции масла и воздуха (ДЦ), [11, 53 с.19] - в этой системе для обеспечения циркуляции масла в охладителе используются масляные насосы (рис. 1.13). Для передачи охлаждающему воздуху выделяющихся в активной части мощных трансформаторов больших потерь требовались бы дорогие и имеющие большие габариты радиаторные батареи. Их не всегда можно разместить на высоте, обеспечивающей необходимый напор и определяемую этим напором скорость масла в контуре охлаждения и соответственно необходимые значения и . На рис. 1.13: – температура воздуха при входе в теплообменик; – температура воздуха при выходе из теплообменика. Вместо дорогих, требующих много места радиаторных батарей для трансформаторов большой мощности применяются более выгодные малогабаритные теплообменники, называемые охладителями. Для получения в этих охладителях большого коэффициента теплоотдачи со стороны масла необходимо увеличить скорость масла. Для увеличения скорости масла и преодоления гидравлического сопротивления охладителя в контур охлаждения включаются насосы. При этом внутри обмотки практически сохраняется естественная циркуляция масла, а скорость движения масла в обмотке определяется гравитационной подъемной силой и гидравлическим сопротивлением трению. Включение насоса влияет главным образом на работу охладителя.
На рис. 1.13 изображены принципиальная схема охлаждения при принудительной циркуляции масла и диаграмма распределения температур (диаграмма распределения температур относится к случаю, когда наружная обмотка закрыта снаружи теплоизолирующим цилиндром), из которой видно, что включение насоса мало влияет на процесс теплоотдачи в обмотке. Для этого вида охлаждения характерным является то, что нагретое в обмотке и движущееся по пути а масло перемешивается с маслом, движущимся по параллельному пути b вдоль высоты бака. Из-за перемешивания непосредственное измерение температуры выходящего из обмотки нагретого масла затруднено и термодатчиками, размещенными под крышкой, измеряется температура перемешанного масла.
В реальных конструкциях трансформаторов в общем случае как при естественной, так и при принудительной циркуляции масла температура масла на выходе из вертикальных охлаждающих каналов стержней магнитопровода, отдельных обмоток (точка В на рис. 1.13) и из пространства между наружной обмоткой и стенкой бака может быть различной. И поэтому на вход в теплообменник всегда будет поступать смешанное масло, характеризующееся средневзвешенной температурой. В общем случае нельзя более или менее достоверно судить о температуре масла на выходе из охлаждающих каналов отдельных тепловыделяющих элементов активной части по температуре, измеренной термодатчиком, расположенным под крышкой бака [62]. а б Рисунок 1.13 - Принципиальная схема охлаждения трансформатора при принудительной циркуляции масла и воздуха. а) Схема циркуляции потока масла в трансформаторе; б) Диаграмма распределения температур по высоте трансформатора.
Из-за перемешивания в охладители поступает уже несколько охлажденное масло и, таким образом, температура масла на входе в охладитель меньше, чем наибольшая температура масла в обмотке. Перемешивание масла приводит также к тому, что при одних и тех же потерях насосом приходится перекачивать больше масла с пониженной температурой, чем это требовалось бы при отсутствии перемешивания. Поскольку скорость масла в обмотке мало отличается от скорости при естественной циркуляции, поверхностная плотность теплового потока обмотки не должна быть большей, чем при естественной циркуляции. Преимуществом применения охладителей с принудительной циркуляцией масла является то, что они занимают мало места, имеют меньшую удельную стоимость и могут быть размещены на любой высоте [51, 52].
Для трансформаторов мощностью 10000 кВА и более применяется система ДЦ. Охладители системы охлаждения типа ДЦ нашли самое широкое применение в трансформаторостроении [2, 3, 4]. Их конструкции отличаются друг от друга типом теплообменной поверхности.
Система с направленной циркуляцией масла в обмотке (НДЦ), [56, 57, 53 с.20]. Если через активную часть трансформатора пропускать все циркулирующее в системе охлаждения масло, т. е. ликвидировать параллельный путь b, показанный на рис. 1.13, то придем к системе охлаждения с направленной циркуляцией масла (рис. 1.14). В этом случае насосы перекачивают не только масло, нагревающееся потерями активной части, но и масло, утекающее через неплотности контура направленной циркуляции.
Принципиальная схема охлаждения трансформатора при направленной циркуляции масла. а) Схема циркуляции потока масла в трансформаторе. б) Диаграмма распределения температур по высоте трансформатора. При правильном расчете в охладитель поступает масло с температурой, практически равной наибольшей температуре масла в активной части, и благодаря увеличению логарифмической разности температур потребуются при одинаковых потерях охладители, имеющие меньший рабочий объем, чем для системы охлаждения по рисунку 1.13. У поверхностей теплоотдачи элементов активной части скорость масла увеличится, в связи с чем возрастет их коэффициент теплоотдачи и уменьшится перепад температуры между поверхностью и маслом, что позволяет увеличить поверхностную плотность теплового потока, не переходя допустимого значения для превышения средней температуры обмотки. Безусловно, увеличение поверхностной плотности теплового потока можно производить до предела, определяемого техническими возможностями и соображениями экономической целесообразности. Эффективность направленной циркуляции масла по сравнению с принудительной проявляется не только в увеличении коэффициента теплоотдачи обмотки, но и в снижении осевого перепада температуры масла в обмотке, что при одинаковом превышении средней температуры обмотки позволяет уменьшить температуру ее наиболее нагретой точки. Влияние этого фактора видно также из сравнения диаграмм распределении температур на рис. 1.13 и 1.14, если принять, что в обоих случаях температура масла у входа в обмотку (в точке А) одинакова.
Система с принудительной циркуляцией масла и воды (Ц) [53 с.21]- в этой системе охлаждение масла в охладителях осуществляется не воздухом, а водой, следовательно, выше коэффициент теплоотдачи и тепловой поток охладителя. Применяется также циркуляция масла и воды с направленным движением масла в обмотках (система НЦ).
Тепловой поток бака и радиаторов
Для многослойной обмотки расчет каждого слоя производится как для отдельной обмотки. Превышение температуры наиболее нагретой точки над температурой охлаждающей среды определяется для каждого слоя. Для всей обмотки принимается наибольшее из полученных значений.
Анализ методик теплового расчета систем внешнего охлаждения. В современной практике расчета системы наружного охлаждения применяется методика, которая основана на эмпирическом методе “перегревов”. Удельная тепловая нагрузка находится по формуле где P- суммарные потери в трансформаторе для данной нагрузки; эффективная охлаждающая поверхность системы наружного охлаждения. Среднее превышение температуры масла находится из формулы, полученной эмпирически Превышение температуры верхних слоев масла определяется по формуле поправка на относительное смещение по высоте центра потерь и центра охлаждения, С, которая определяется из графиков, полученных экспериментально [60 с.135-140];
Метод расчета системы внешнего охлаждения основан на эмпирических и опытных данных, что позволяет получать достоверные и точные результаты, но возникает ощутимая зависимость от производителя системы охладителя и его опытных данных по ее испытанию.
Подводя итоги анализа литературных данных по методам тепловых расчетов силовых масляных трансформаторов, их конструктивных особенностей и особенностям тепловых процессов, можно сделать следующие выводы. 1. Широко распространены системы охлаждения типов М и Д, как наиболее эффективные для трансформаторов низких и средних мощностей и простые по конструктивному исполнению. Система охлаждения типа НДЦ широко применяется при охлаждении мощных трансформаторов, но имеет относительно сложную конструкцию и высокую стоимость. Системы охлаждения типов ДЦ и Ц в данной работе не рассматриваются. 2. Для понижения температуры наиболее нагретой точки обмотки силового масляного трансформатора применяют следующие два конструктивных решения: - применение барьеров для направления потоков масла в обмотке; - применение дополнительных осевых каналов в обмотке. 3. Ряд методов теплового расчета трансформатора, основанных на использовании усреднённых эмпирических данных, применяют из-за простоты и удобства, но они имеют ряд недостатков. Существенным ограничением в применении методик расчета такого типа в том, что для силовых трансформаторов с использованием обмоток сложной формы с дополнительными осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла, погрешность результатов теплового расчета может достигать десятков процентов относительной погрешности, особенно при условиях естественной конвекции масла. Дополнение и расширение методик для учета новых особенностей конструкций обмоток или систем охлаждения приводит к значительным временным, финансовым (изготовление моделей, испытания) и трудовым затратам.
Наиболее точные теоретические методы полевого моделирования тепловых, гидростатических и гидродинамических полей, например CFD моделирования, требуют дорогого специализированного программного обеспечения, значительных временных затрат на расчет и большого объёма исходных экспериментальных данных. Методы полевого моделирования не позволяют проводить полный анализ влияния конструктивных параметров на тепловое состояние трансформатора. Что не позволяет широко использовать эти технологии расчета в условиях конструкторских и проектных подразделений производителей трансформаторного оборудования.
Учитывая широкое распространения определенных систем охлаждения и конструкций вновь разрабатываемых обмоток, актуальной задачей является разработка теплового расчета силового масляного трансформатора с системами охлаждения М, Д и НДЦ, который учитывает обмотки сложной формы с дополнительными осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла, в том числе и при естественной циркуляции.
Анализ влияния параметров конструкции и высоты установки радиаторов системы охлаждения на температуру слоев масла трансформатора
Из ряда зависимостей, представленных на рис. 3.2, 3.3 и 3.4, следует, что высота установки радиаторов относительно центра обмоток оказывает существенное влияние на превышения температур верхних слоев масла и температур осевого перепада в радиаторах. Температура средних слоев масла постоянна, независимо от высоты установки радиатора, и в данной модели равна 85,8 С.
Установка радиаторов на высоту 0,250,75 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. При установке ниже середины высот обмоток приводит к сильным перегревам масла, что крайне нежелательно, а при установке выше определенного значения (0,75 м) выигрыш в охлаждающей способности системы охлаждения незначителен.
Данные, полученные в литературе [37] по исследованию влияния высоты установки радиаторов или охладителей системы охлаждения на тепловое состояние масляного трансформатора, и данные, полученные в настоящей работе, показывают некоторый диапазон высот установки радиаторов для наиболее эффективной охлаждающей способности радиаторов при естественной циркуляции.
Зависимость превышения температуры верхних и средних слоев масла над температурой охлаждающей среды от теплового потока охладителей (модель трансформатора ТДН-40000/110(38,5)) При применении системы охлаждения типа НДЦ, с принудительной циркуляцией, высота установки радиаторов или охладителей не оказывает влияния на тепловое состояние трансформатора.
Тепловой поток охладителей находится по методике компании Convett по формуле где количество радиаторов; количество панелей в радиаторе; площадь панели радиатора, м2; усреднённый опытный коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К).
Как видно из формулы (3.1) тепловой поток охладителей линейно зависит от конструкционных параметров и превышения температура средних слоев масла над охлаждающей средой. Значения зависят от типа и вида радиатора и задаются производителем, поэтому изменению не подлежат, превышение температуры средних слоев масла зависит от многих факторов и высчитывается по разработанному тепловому расчету. Следовательно, для регулирования теплового потока охладителя возможно регулирование количествм радиаторов и/или количеством панелей в них. Для графика на рис. 3.5 значения количества радиаторов и панелей в радиаторе и значений теплового потока охладителей указаны в табл. 3.2.
Из графика, изображенного на рис. 3.5, следует, что чем больше тепловой поток охладителей, тем ниже температура верхних и средних слоев масла. Увеличение теплового потока радиаторов благоприятно сказывается на тепловых параметрах работы трансформатора, так как происходит более интенсивный отвод тепла в охлаждающую среду. Поэтому желательно стремиться к увеличению теплового потока радиаторов.
В случае применения системы охлаждения типа НДЦ вышеизложенные выводы также актуальны, т. к. увеличение теплового потока охладителями, а следовательно и увеличение отводимого тепла, ведет к уменьшению температуры верхних и средних слоев масла в трансформаторе.
Таблица 3.2. - Значения теплового потока охладителей компании Convett при разных количествах радиаторов и панелей в них. Тепловой поток радиаторов ТДН-40000/110(38,5)(модерн.), Вт Кол-во радиаторов кол-во панелей в радиаторе
Исследование влияния уровня нагрузки на тепловое состояние трансформатора в установившемся режиме работы
Уровень нагрузки в установившемся режиме оказывает значительное влияние на тепловое состояние трансформатора. При номинальном режиме работы, тепловые характеристики имеют определенные значения, которые должны находится в заданных допустимых пределах, обусловленных требованиями и временем эксплуатации трансформатора.
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.
Полные потери обмотки при произвольной нагрузке определяются из выражения где потери обмотки в номинальном режиме (для заданной схемы включения РО), Вт.
Исследованы зависимости основных тепловых параметров трансформатора ТДН-40000/110(38,5)(модерн.) от коэффициента нагрузки. Основные входные данные трансформатора ТДН-40000/110(38,5)(модерн.) указаны в табл. 3.1. Радиаторы установлены в нормальном положении (Н1=0), остальные параметры геометрии трансформатора изменению в ходе исследования не подвергались. На рис. 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 3.10 и 3.11 показаны зависимости, характеризующие влияние уровня нагрузки на тепловое состояние работы трансформатора. Из графика на рис. 3.6 следует, что зависимость превышения верхних и средних слоев масла над температурой охлаждающей среды от коэффициента нагрузки практически линейна.
Анализ результатов тепловых испытаний силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения М, Д и НДЦ
Температура масла выходящего из обмотки с направляющими перегородками выше температуры масла выходящего из обмотки традиционного исполнения в 1,21,6 раза. Этот факт отражает значение непосредственного учета гидравлического сопротивления обмотки при проведении тепловых расчетов. Сравнивая расчетные и опытные значения температур масла, можно сказать о достаточно хорошей сходимости теоретических и экспериментальных результатов.
Подъем центра охлаждения над центром нагрева позволяет уменьшить превышение температуры верхних слоев масла на 515 С, при неизменном превышении температуры средних слоев для систем охлаждения М и Д. В этом случае увеличивается скорость прохождения масла через обмотки и уменьшается температура наиболее нагретой точки катушки.
Превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой выходящего из нее масла меньше в 1,21,9 раз для обмоток с направляющими перегородками по сравнению с обмотками традиционного исполнения в том случае, если скорость движения масла в горизонтальном канале больше 3 мм/сек. Данный вывод основан на небольшом количестве опытных данных и требует более серьезных исследований.
В диссертационной работе решена задача повышения эксплуатационных характеристик силовых масляных трансформаторов диапазона мощностей 2,5400 МВА с системами охлаждения типов М, Д или НДЦ и с конструкциями обмоток сложной формы путем модернизации конструктивных параметров систем охлаждения и обмоток на основе разработки уточнённых методик теплового расчета.
В ходе решения поставленной задачи в диссертационной работе получены следующие основные научные и практические результаты: 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 различного вида. Тепловой расчет позволяет получить основные тепловые параметры: температуры слоев масла трансформатора; среднюю скорость потока масла через каждую обмотку; температуру наиболее нагретой точки обмоток. 3. На основе анализа теоритических зависимостей массового расхода масла через обмотки, распределения температур масла по высоте обмотки и температуры слоев масла трансформатора от высоты установки радиаторов и от гидродинамического сопротивления обмоток даны рекомендации по 130 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.