CC BY
9
УДК 621.313.126 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-342-346
АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ И УСЛОВИЙ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
В.М. Степанов, А.Ю. Тимонин
Система охлаждения - важная часть силового трансформатора, от ее эффективности зависит надежность и срок службы всей подстанции. Приведен анализ конструктивных схем электромеханических систем охлаждения и условий их эксплуатации.
Ключевые слова: система охлаждения, силовой трансформатор, устройство для использования избыточного воздушного теплового потока.
Наиболее эффективным принудительным охлаждением силовых трансформаторов является воздух-масло с устройством рециркуляции воздушного потока. Схема проектирования систем такова (рис. 1) [1].
теплового потока через силовой трансформатор
Охлаждение происходит по схеме на рис. 1. Устройство интегрировано в конструкцию воздушно - масляного охлаждения для использования избыточного тепла воздуха потока от силового трансформатора, что позволяет формировать воздух теплоноситель для нагрева здания, трансформаторные подстанции и электрические станции для собственных нужд.
Высокотемпературное масло с трех выходов трансформатора подается в ответвление с трех входов второго маслопровода 12, от выхода второй трубы масляного контура 12 высокотемпературное масло поступает на вход охладителя 9 каждой из групп воздухоохладителей, поэтому высокотемпературное масло, поступающее в радиатор 9, нагревает воздух, выходящий из выпускного отверстия вентилятора 10, который одновременно соединен с впускной воронкой воздушного охлаждения в каждом воздухоохладителе, и затем нагретый воздух из выхода радиатора охладителей 9 поступает
342
на вход картера для образования воздуха хладагента 8 в каждом воздухоохладителе, кроме того, низкотемпературное масло также подается от выхода охлаждающего радиатора 9 к входу первой трубы циркуляции масла 11, затем из выхода первой трубы циркуляции масла 11 низкотемпературное масло поступает в систему охлаждения впуск масла насоса 13, От выхода насоса 13 охлаждения масла низкотемпературное масло поступает на вход силового трансформатора 14 через ответвление первой линии 11 циркуляции масла, посредством чего силовой трансформатор охлаждается, и через каждую линию 11 и 12 циркуляции масла, все охладители радиаторов 9 каждой группы воздухоохладителей соединены между собой, и далее из выхода из корпуса 8, образующего воздушный теплоноситель в каждом воздухоохладителе, нагретый воздух поступает на вход обратного клапана 7, необходимого для ограничения движения воздуха в обратную сторону, управляемого системой автоматического регулирования (CAP) и изолированного теплоизоляцией трубопровода воздушного теплоносителя 5 посредством ответвления третьего общего трубопровода воздушного теплоносителя 6, который изолирован теплоизоляциейтрубопровода воздушного теплоносителя 5 в каждом воздушном охладителе, от выхода обратного клапана 7, необходимого для ограничения движения воздуха в обратном направлении, контролируемого системой автоматического управления (CAP) и изолированной воздушной трубкой 5, нагретый воздух поступает на вход всасывающего вентиляторного устройства, необходимого для создания перепада давления, обеспечивающего надежную работу обратных клапанов 7, через отводы третьего патрубка 6 общего воздушного теплоносителя, которые изолированы тепловым изоляция трубопровода 5 воздушного хладагента третьего общего трубопровода 4 воздушного хладагента, который также изолирован теплоизоляцией трубопровода воздушного теплоносителя 5, где нагретый воздух поступает через входное отверстие корпуса 3 всасывающего устройства, одновременно подключенное к насадке всасывающего устройства, затем через выходное отверстие корпуса 3 всасывающего устройства, одновременно соединенное с насадкой всасывающего вентиляторного устройства, нагретый воздух поступает во вход 2 вытяжного вентилятора устройства вытяжного вентилятора, одновременно подключенный к воронке устройства вытяжного вентилятора, а затем нагретый воздух из выхода 2 вытяжного вентилятора устройства вытяжного вентилятора, одновременно подключенный к воронке вытяжного вентилятора поступает во вход вспомогательных устройств воздушным теплоносителем 1.
Однако тепловой поток не используется для выработки электроэнергии, и потери тепловой энергии увеличиваются. В результате получается не энергоэффективная установка, использующая избыточное тепло от силового трансформатора, а ее сложность делает процесс строительства более длительным, дорогостоящим в обслуживании и ремонте.
В настоящее время значительная часть эксплуатируемых в России мощных трансформаторов напряжением 110 кВ и выше имеют нормативный срок службы 25-30 лет и более, установленный заводами-изготовителями. Экономическая ситуация, а также общее количество оборудования с длительным сроком службы не позволяют в ближайшие годы заменить большую часть этих трансформаторов. Поэтому поддержание необходимой эксплуатационной надежности трансформаторов - одна из наиболее актуальных задач электроэнергетики на современном этапе.
Поддержание надлежащего уровня изоляции обмоток трансформатора является наиболее важным для обеспечения его надежной работы. Продолжительное воздействие влаги, тепла, воздуха вызывает старение изоляционных материалов трансформатора, что, в свою очередь, вызывает необратимое изменение его физико-химических, механических и структурных свойств во время эксплуатации, а это может привести к разрыву изоляции замыкание, из-за которого выходит из строя трансформатор.
Во время работы трансформатора происходит процесс старения изоляции его обмоток, который определяется степенью полимеризации целлюлозы, вызванной действием тепла, выделяемого обмотками, и накоплением влаги в изоляции. В межгосу-
дарственном стандарте ГОСТ 14209-97 приведены зависимости скорости старения изоляции в зависимости от температуры наиболее нагретой точки обмоток трансформатора, основанные на коэффициентах Монтсингера. При этом в работе было отмечено, что при нормальной работе трансформатора в бумажной основе изоляции обмотки накапливается влага (влажность увеличивается не менее чем на 0,1% в год). Игнорирование этого фактора приводит к тому, что эксплуатация трансформатора, проводимая на основании рекомендаций ГОСТ 14209-97, приводит к преждевременному старению изоляции (резкому снижению степени полимеризации целлюлозы). Рис. 2.
Один из способов снизить влажность изоляции обмотки трансформатора - просушить ее. Процесс вакуумного распыления масла часто используется для трансформаторов с длительным сроком службы. Следует отметить, что практически все методы сушки твердых изоляционных материалов связаны с повышенными температурами и, при вакуумировании, дополнительно с макромеханическим воздействием на целлюлозу при удалении влаги. Типичное резкое снижение степени полимеризации вызвано высыханием изоляции во время ремонтных работ (в данном примере через 20 и 40 лет эксплуатации). В результате после последнего ремонта степень полимеризации бумажной изоляции трансформатора падает ниже критического значения 250 единиц, и дальнейшая эксплуатация трансформатора связана со значительным риском.
Поэтому наиболее приемлемый способ продлить срок службы трансформатора - поддерживать низкую температуру самой горячей точки его обмоток. Идентификация приемлемых способов снижения температуры наиболее нагретых точек в данной работе осуществляется на основе построения подходящей математической модели системы охлаждения силового трансформатора.
Рис. 2. Зависимость срока нормальной эксплуатации от температуры наиболее нагретой точки его обмоток и влажности изоляции
В процессе эксплуатации силовых трансформаторов с принудительным воздушно-масляным охлаждением из-за низкой функциональной надежности работы системы автоматического включения и отключения электроприводов циркуляционного насоса и вентиляторных установок происходят частые их включения и отключения с допустимой наибольшей длительностью до 30 мин. на допустимой температуре верхних слоёв масла 40°С. Средняя величина частоты включения и отключения электродвигателей электромеханических систем при охлаждении силовых трансформаторов составляет f = 48 (рис. 3).
Частое включение и выключение электродвигателя электромеханических систем при охлаждении силовых трансформаторов снижает надежность их работы до 30%, а потери электрической энергии из-за пусковых токов достигают 30.. .41%.
Для снижения потерь электрической энергии при эксплуатации электромеханических систем при охлаждении силовых трансформаторов необходимо применить реактивно-вентильный электродвигатель и групповое управление электродвигателями в симбиозе с накопителем электрической энергии.
Срак службы трансформатора, год
50
Рис. 3. Гистограмма и плотность распределения частоты включения и отключения электромеханических систем
Поэтому конструктивная схема электромеханической системы при охлаждении силовых трансформаторов должна эффективно обеспечивать процесс ее охлаждения с учетом особенностей условий эксплуатации трансформаторов. Кроме того, его следует напрямую совмещать с устройством рекуперации тепла и выработкой электроэнергии, выделяемой силовым трансформатором и использующей электроэнергию для собственных нужд, что характеризует одно из проектных направлений энергосбережения.
Список литературы
1. Тимонин Ю.Н. Обоснование рациональных параметров энергосберегающих электромеханических систем охлаждения силовых трансформаторов для повышения надежности их работы. 2012.
2. Тимонин Ю.Н., Горелов Ю.И. Математическое моделирование тепловых процессов в силовом трансформаторе // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2010. Вып. 3. Ч. 5. С. 86-89.
3. Тимонин Ю.Н. Моделирование переходных процессов в мощных силовых трансформаторах для обоснования оптимальных алгоритмов и структуры управления его охлаждением // Вести высших учебных заведений Черноземья, 2011, №1. С. 32-38.
4. Montsinger V.M. Loading Transformer by Temperature / V.M. Monstinfer -A.I.E.E. Trans.49:776-781?1930(in English).
5. Gradnik T. Cooling System of Large Power Transformers / T. Gdadnik, Konsan-Gradnik, М- Proc. Of 2006 IASME/WSEAS Int. Conf. in Energy and Environmental systems, Greece, May 8-10, 2006, 194-201 (in English).
6. Тимонин Ю.Н. Регулируемый электропривод системы охлаждения трансформатора // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2010. Вып. 3. Ч. 4. С. 76-80.
7. Тимонин Ю.Н., Степанов В.М. Определение остаточного ресурса силового трансформатора по температуре наиболее нагретой точки его обмотки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2010. Вып. 3. Ч. 5. С. 83-86.
8. Тимонин Ю.Н., Ершов С.В. Потери при нелинейных нагрузках и определение оптимальных режимных параметров силовых трансформаторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2010. Вып. 3. Ч. 5. С. 89-94.
Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, профессор, timonin_alexey@bk.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Тимонин Алексей Юрьевич, аспирант, timonin_alexey@bk.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF DESIGN SCHEMES OF ELECTROMECHANICAL COOLING SYSTEMS
AND THEIR OPERATING CONDITIONS
V.M. Stepanov, A.Y. Timonin
The cooling system is an important part of the power transformer, the reliability and service life of the entire substation depends on its efficiency. The analysis of the design schemes of electromechanical cooling systems and their operating conditions is given.
Key words: cooling system, power transformer, device for using excess air heat flow.
Stepanov Vladimir Mihailovich, doctor of technical sciences, professor, ti-monin_alexey@bk.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Timonin Alexey Yurievich, postgraduate, timonin_alexey@bk.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.331 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-346-354
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИЛОВЫХ
ТРАНСФОРМАТОРОВ
А.В. Костюков
Рассматриваются вопросы обеспечения безопасных условий эксплуатации силовых трансформаторов, проведён анализ причины выхода из строя силовых трансформаторов. Проанализированы тепловые режимы работы трансформаторов при различных условиях эксплуатации и воздействия температур нагрева обмоток на износ изоляции. Представлены организационно-технические мероприятия, позволяющие избежать электротравм и аварий при эксплуатации и обслуживании силовых трансформаторов.
Ключевые слова: энергетические хозяйства, силовой трансформатор, тепловые воздействия, токи короткого замыкания, изоляция обмоток, трансформаторное масло, безопасные условия эксплуатации.
Несчастные случаи и травмы на производстве возникают не только из-за несоблюдения требований «Правил устройств электроустановок», нарушений требований охраны труда при выполнении ремонтных и монтажных работ, но ещё из-за эксплуатации неисправного оборудования. Чаще всего использование неисправного высоковольтного оборудования приводит к авариям и серьезным травмам обслуживающего персонала. В энергетических хозяйствах предприятий в зону повышенного внимания попадают распределительные устройства, электрические преобразователи, силовое электрооборудование подстанций и цехов. Невозможно рассматривать организационно-технические мероприятия по снижению электротравматизма на предприятиях если нет анализа статистических данных, определения причин несчастных случаев на производстве.
Производственные процессы при использовании электрооборудования можно разделить на следующие виды работ: работы, требующие использования основного или вспомогательного электрооборудования (станки, электрокары, электроинструмент и др.); работы, непосредственно связанные с элементами устройств электроснабжения (монтаж, ремонт, обслуживание, диагностика, проведение различных операций при подключении, замене и др.); работы не связанные с электрооборудованием, но которые выполняются в зоне расположения электроустановок.
346
