Статья: Тепловые исследования активной части трансформаторной подстанции типа КТПВ-1250/6-1,2 в различных условиях нагрева и охлаждения

В современном электромашиностроении, в том числе и в рудничном трансформаторостроении, при проектировании оборудования приходится сталкиваться с необходимостью решения ряда проблем, из которых проблема нагревания и охлаждения, ввиду решающей роли тепловых ограничений, играет важнейшую роль при совершенствовании конструкции существующих электрических машин и, особенно, при разработке новых - повышенной мощности, у которых тепловые нагрузки значительно возрастают. Проблема улучшения массогабаритных показателей электрических двигателей, трансформаторов и комплектных трансформаторных подстанций (КТП), особенно рудничных взрывозащищенного исполнения с присущими им тяжелыми условиями охлаждения активной части, тесно связана с процессами нагревания. Поэтому исследование тепловых режимов взрывобезопасных трансформаторов и КТП повышенной мощности (1000, 1250 кВ·А), т.е. вопросов, составляющих специфическую и одну из наиболее сложных как в теоретическом, так и в практическом отношении проблем, определяющих технический уровень современного рудничного трансформаторостроения, приобретает особую актуальность.

В сухих взрывозащищенных трансформаторах КТП с вертикальным расположением стержней магнитопровода и концентрически установленными на них обмотками высшего и низшего напряжения (ВН и НН) охлаждение активной части обеспечивается за счет естественной конвекции внутреннего воздуха и излучения с поверхности обмоток и магнитопровода. Условия охлаждения обмоток очень тяжелые, так как они кроме непосредственного нагрева испытывают также взаимный подогрев и подогрев от магнитопровода. Данное обстоятельство потребовало всестороннего и тщательного изучения теплового состояния активной части трансформаторов типа ТСВ.

Тепловое экспериментально-теоретическое исследование макетов различных типов обмоток с целью определения оптимальных с точки зрения теплоотдачи геометрических размеров охлаждающих каналов выполнено в работе [1], в которой показаны результаты и сравнительный анализ нагрева обмоток с точки зрения эффективности их охлаждения. В работе [2] изучалось тепловое состояние активной части (силового трансформатора) шахтной комплектной трансформаторной подстанции типа КТПВ-1000-6/1,2 в различных режимах работы, что дало возможность приобрести определенный опыт исследования КТП повышенной мощности (1250 кВ·А и выше). трансформаторный тепловой подстанция

Цель статьи. Анализ распределения стационарного температурного поля в охлаждающих каналах активной части КТП мощностью 1250 кВ·А в различных режимах нагрева и охлаждения.

Результаты исследований.

Проведено экспериментально-теоретическое исследование нагревания активной части КТП типа КТПВ-1250/6-1,2, общий вид которой показан на рисунке 1.

Рисунок 1 - Общий вид трансформаторной подстанции типа КТПВ-1250/6-1,2

Данная КТП состоит из силового трансформатора (активной части), распределительного устройства высшего напряжения (РУВН), совмещенного с оболочкой силового трансформатора аналогично серии КТПВ мощностью 100...630 кВ·А, и распределительного устройства низшего напряжения (РУНН).

Особенности конструкции и технологии изготовления активной части КТП мощностью 1250 кВ·А следующие: силовой трансформатор сухого типа с естественным воздушным охлаждением выполнен на трехстержневом планарном шихтованном магнитопроводе из холоднокатаной текстурованной электротехнической стали с низкими удельными потерями. С целью снижения потерь холостого хода стыки крайних стержней и ярм изготовлены «косыми» под углом 45°.

Обмотки силового трансформатора намотаны медным проводом марки ПСДКТ-Л прямоугольного сечения с кремнийорганической изоляцией, выдерживающей нагрев до температуры 200 ·С (ГОСТ 8865-93). Обмотка НН - цилиндрическая с осевым охлаждающим каналом между слоями шириной 12 мм; обмотка ВН - непрерывная катушечная с радиальными охлаждающими каналами, намотанная на изоляционном цилиндре. На рисунке 2 схематично изображена активная часть КТПВ-1250/6-1,2 (фазы В и С) с указанием габаритных размеров вертикальных и горизонтальных охлаждающих каналов.

Исследования нагревания активной части проводились в двух принципиально различных вариантах ее теплового состояния:

· нагревание при свободном теплообмене с окружающей воздушной средой в открытом состоянии;

· нагревание в условиях, полностью ограничивающих свободный теплообмен с окружающей средой по причине расположения объекта в герметичной оболочке, служащей своеобразным теплообменником, воспринимающим тепловые потоки от обмоток и магнитопровода за счет естественной конвекции внутреннего воздуха и передающим тепло окружающей оболочку среде.

Следовательно, с технической точки зрения тепловые исследования разделены на два этапа. Первый этап - определение теплового состояния исследуемого объекта без оболочки КТП при естественном воздушном охлаждении в продолжительных рабочих режимах. Второй этап - определение теплового состояния и эффективности охлаждения активной части в качестве сборочной единицы КТП, помещенной в оболочку КТПВ-1250/6-1,2, собранную в комплекте с РУВН и РУНН. Как на первом, так и на втором этапах исследований нагрев активной части осуществлялся в двух раздельных тепловых режимах в последовательности и по методике, установленной для испытаний на нагрев сухих трансформаторов по ДСТУ 3645-97 (ГОСТ 3484.2-98) - в режиме холостого хода (ХХ) и в режиме короткого замыкания (КЗ).

Для определения температурного поля активной части в характерных точках ее конструкции было установлено 57 медь-константановых термоэлектрических термометров (ТМК), получивших благодаря своей технологичности наибольшее распространение при тепловых испытаниях и исследованиях электрических машин.

Термопары ТМК №№ 1-14 и 15-26 собраны блоками и помещены в осевых каналах обмоток НН фаз С и В соответственно; блоки ТМК №№ 27-40 и 41-54 находились в осевых каналах, образованных магнитопроводом и обмоткой НН, и измеряли распределение температуры охлаждающего воздуха в каналах по высоте обмоток НН; ТМК №№ 55,56 и 57 находились на поверхности верхнего ярма магнитопровода (см. рисунок 2).

Тепловые исследования активной части КТПВ-1250/6-1,2 проводились на специализированном испытательном стенде и контролировались по показаниям ТМК №№ 1-57 с помощью высокоточной измерительной аппаратуры, в комплект которой входил цифровой вольтметр типа В7-23 и переключающее устройство.

Рисунок 2 - Расположение термопар в осевых охлаждающих каналах и на магнитопроводе активной части трансформаторной подстанции типа КТПВ 1250/6-1,2

Теплофизический процесс нагревания продолжался до установившегося теплового состояния исследуемого объекта, т.е. до достижения Инн.max=const , после чего силовой трансформатор отключался от сети и измерялось среднее электрическое сопротивление постоянному току обмоток ВН и НН с помощью универсальной мостовой установки типа У-303 высокого класса точности (Rx=10-6...106 Ом).

Графо-аналитический метод расчета сопротивления обмоток в момент их отключения от сети позволил определить их среднее превышение температуры по формуле:

Инн.вн=((R0-Rхол)/Rхол)·(К+Тхол)+ Тхол- Токр

где R0 - электрическое сопротивление обмоток постоянному току в момент отключения;

Rхол - то же в холодном состоянии;

Тхол - окружающая температура при измерении Rхол;

Токр - то же при измерении R0

К - коэффициент, равный 235 для обмоток из меди.

Непосредственно перед измерением сопротивления обмоток согласно тепловой измерительной схеме (см. рисунок 2) проводились измерения локальных превышений температуры активной части с целью определения стабильности ее стационарного температурного поля.

Экспериментальные значения превышения температуры в установившихся режимах ХХ и КЗ обоих этапов исследования после соответствующей обработки сведены в таблицы 1 и 2, а экспериментально-расчетные значения среднего превышения температуры обмоток ВН и НН в таблицу 3.

Сравнительный анализ раздельных тепловых режимов при номинальных потерях ХХ и КЗ активной части без оболочки и в оболочке КТП показывает определенное различие в распределении температуры в осевых каналах по высоте обмотки НН, что наглядно следует также из характера графических зависимостей вида Инн.max=ѓ(Hобм) (рисунки 3,4), построенных по данным таблиц 1 и 2. Температурные кривые показывают распределение данного параметра в каналах средней фазы В, как наиболее нагреваемой из-за более тяжелых условий ее охлаждения по сравнению с крайними фазами А и С.

Анализ температурного поля в вертикальных каналах активной части в режиме ХХ, несмотря на значительный опыт проведения тепловых испытаний взрывозащищенных трансформаторов и КТП [2,3], представляет повышенный интерес ввиду недостаточной изученности данного вопроса.

Вначале процесс нагревания теплоносителя в каналах (как при свободном, так и при ограниченном теплообмене объекта с окружающей средой) идет почти по линейному закону (рисунок 3) в отличие от нагрева в нагрузочных режимах трансформатора [2], при которых температура увеличивается по возрастающему закону степенной функции и в зоне 3/4Hобм (горизонтальная заштрихованная область на рисунке 3) достигает максимальных значений. Наблюдается особенность температурного распределения и по термолиниям нагрева 24-25-26 и 52-53-54 (номера ТМК), т.е. в верхней части каналов. Здесь выше максимальной зоны нагревания происходит определенный спад интенсивности теплообмена, что характеризуется изгибом кривой Инн=ѓ(Hобм)в сторону снижения температуры и следующими отрицательными градиентами температуры (см.рисунок 3): активная часть без оболочки - ДИнн-нн=6 °C; ДИнн-маг=4,5 °C; активная часть в оболочке - ДИнн-нн=4 °C; ДИнн-нн=2,5 °C. Фактическое распределение температурного поля в каналах по высоте Hобм для второго этапа исследований следующее. Превышение температуры воздуха на входе в осевые охлаждающие каналы составляет: канал НН-НН - 45 °С, канал НН-магнитопровод - 60 °С; на выходе из них - 74 и 87 °C соответственно, т.е. осевые температурные градиенты по длине каналов равны ДИнн-нн=29 °C; ДИнн-маг=26 °C

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Таким образом, для рассматриваемого режима характерно:

· более равномерное распределение температурного поля в осевых каналах активной части, особенно в канале НН-магнитопровод, из-за близости стержня магнитопровода (см. рисунки 2,3);

· наличие зоны максимальной температуры на уровне 3/4 высоты обмоток НН аналогично тепловому полю обмоток при нагреве их номинальным током (для канала НН-магнитопровод эта зона будет несколько расширена по причине очень малого перепада в 2,5 °С - кривая 4 на рисунке 3);

· превышение температуры верхнего ярма магнитопровода при свободном теплообмене трансформатора со средой находится в пределах 80...105 °С (ТМК-55), а и при замкнутом теплообмене (активная часть заключена в оболочке КТП) превышение температуры по оси фазы В составило 120,5 °С, а по оси фазы С - 110 °С.

Рисунок 3 - Распределение превышения температуры в осевых каналах по высоте обмотки НН фазы «В» активной части в режиме холостого хода -- каналы активной части без оболочки КТП (1 - канал НН-НН; 2 - канал НН-магнитопровод -- -- каналы активной части в оболочке КТП (3 - канал НН-НН; 4 - канал НН-магнитопровод)