CC BY
74
Невретдинов Юрий Масумович,
Ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл.почта: ymnevr@mail.ru
Бурцев Антон Владимирович,
Младший научный сотрудник лаборатории высоковольтной энергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН,
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: tonyburt@rambler.ru
Фастий Галина Прохоровна,
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера Учреждения Российской академии наук Кольского научного центра РАН.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл.почта: fastiy@ien.kolasc.net.ru
Смирнов Андрей Анатольевич,
ведущий инженер отдел буро-взрывных работ Управления АО «Апатит»,
Россия, 184250, Мурманская область, г.Кировск, ул.Ленинградская, д.1 Эл. почта: smirnov1104@yandex.ru
УДК 621.374
А. Ф. Усов, А. С. Потокин, Д. В. Ильин
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ИМПУЛЬСНОГО ТРАНСФОРМАТОРА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО РАЗРУШЕНИЯ
Аннотация
Проведено экспериментальное исследование нагревания импульсного трансформатора в технологическом режиме работы. Предложены решения проблем теплового нагрева.
Ключевые слова:
электроимпульсное разрушение, импульсный трансформатор, магнитопровод, энергопередача, тепловые потери.
A. F. Usov, A. S. Potokin, D. V. Ilin
THE STUDY OF THE THERMAL REGIME OF PULSE TRANSFORMER IN PRODUCTION MODE OF ELECTRIC PULSE DESTRUCTION
Abstract
The experimental study of the heating of pulse transformer in the technological mode of operation was carried out. The solving of the problem is presented.
Keywords
electric pulse destruction, pulse transformer, magnetic circuit, energy transfer, heat losses.
47
Введение
В работе [1] исследовалась эффективность передачи импульсного напряжения и энергии к породоразрушающему устройству в схеме с импульсным трансформатором (ИТ), дополненном контуром обострения фронта высоковольтных импульсов согласно схеме (рис.1).
а б в
Рис.1. Переходный процесс в генераторе импульсов с импульсным трансформатором:
а - схема генератора; б - осциллограмма напряжения на обостряющей емкости в режиме холостого хода; в - осциллограмма напряжения на нагрузке
В экспериментальном исследовании варьировались значения емкостей первичного (C1) и вторичного (C2) контуров импульсного трансформатора, осуществлялась регистрация напряжения заряда накопительной емкости U1 и импульсного напряжения с первичной и вторичной сторон импульсного трансформатора, и непосредственно на нагрузке. При определении передачи энергии из основного накопителя (C1) в обостряющую емкость (C2) нагрузка не подключалась. Энергия накопителя определялась как W1=(C1U12)/2, энергия обостряющей ёмкости (W2) оценивалась по амплитуде U2 первой полуволны
напряжения на вторичной стороне_________ИТ W2=(C2U22)/2, (рис.1б), кпд
энергопередачи рассчитывался как n=W2/W1. Осциллограммы напряжения с низкой и высокой сторон ИТ при изменении емкости С2 приведены на рис.2.
При аналитическом расчете переходного процесса использована эквивалентная схема замещения ИТ, показанная на рис.3.
Представленные на рис.4 экспериментальные зависимости W2/W1 = fC2n2/Ci) дополнены аналитическим расчетом (пунктирные линии) переходного процесса в ИТ в приближении, допускающем отсутствие потерь (оценка сверху). Пренебрегая потерями энергии в коммутаторе и токопроводниках (R1=0) и принимая Lm >>Ls1 и Ls2, расчет переходного процесса можно свести к расчету перезаряда емкостей С1 и С2 через Ls1 и Ls2.
В этом случае напряжение на обострителе:
U2(t) = Uo (1-cos9t), (1)
и значения максимального напряжения на обострителе на амплитуде первой полуволны напряжения будет:
U2 =n2/(1+ к) U1, (2)
а энергия в обострителе
W2 = [4к/(1+к)2^ь (3)
где n=W2/W1 - коэффициент трансформации по соотношению витков первичной и вторичной обмоток ИТ, к = п2С2/С1 - соотношение емкостей в приведенной схеме замещения ИТ.
48
Графики W2/Wi для ИТ 15/105-350 для 2 значений С построены в координатах оси абсцисс С2п2 /Сь чтобы можно было их сопоставить с аналитическими выражениями.
Как следует из приведенных данных, в импульсном трансформаторе ИТК-15/105-350 с выходным напряжением, достаточным для технологического использования, потери энергии при оптимальном соотношении параметров (С2п2/С1 =1) не превышают 20 %, в двух других типах ИТ - потери выше.
Лабораторная установка с импульсным трансформатором ИТК-15/105-350 и глицериновым конденсатором в 3 нФ (рис. 5) нами используется для проведения электрофизических исследований, включая процессы дезинтеграции материалов и бурения горных пород, в том числе для выполнения исследований по совместному проекту с Университетом науки и технологии Хуажонг (HUST), КНР. В ходе совместной работы в 2013 г., проводившейся на установке в Апатитах, было продемонстрировано вскрытие гранатов месторождения Кейвы (Россия, Мурманская область) и бурение на образцах силикатного кирпича [2].
Высоковольтная
сторона ИТ 50/350. С2-9.9 нФ (п=4.8)
С2-3.3 нФ (п=1.6)
С2-12.67нФ (n=6.2)
Низковольтная
сторона ИТ 50/350. С2-9.9 нФ (n=4.8) С2-12.67нФ (n=6.2)
С2-3.3 нФ (n=1.6)
Рис. 2. Динамика изменения параметров Ut при С2=0.1 мкФ
49
Рис.3. Эквивалентная схема замещения импульсного трансформатора
Рис.4 Зависимость коэффициента энергопередачи энергии в контур обострения от соотношения емкостей на первичной и вторичной стороне импульсного трансформатора:
1 - ИТК-15/105-350 Ci=0.1 мкФ; 2 - ИТК-15/105-350; С = 0.5 мкФ;
3 - ИТ 10/52-50 при С1= 0.5 мкФ; 4 - ИТК-12/72-50 при Q=0.5 мкФ
Результаты опытов по технологическому использованию лабораторной установки подтвердили правильность исходных положений относительно схемы генерирования высоковольтных импульсов импульсным трансформатором с контуром обострения, показали возможность достижения в этой схеме приемлемого технологического эффекта. Можно считать доказанным, что использование современных технических решений в создании зарядных устройств и средств генерирования высоковольтных импульсов позволяет значительно улучшить массогабаритные и энергетические характеристики электротехнологических комплексов электроимпульсного разрушения геоматериалов, и это открывает открывает реальную возможность для производственного освоения электроимпульсных технологий в горнодобывающей и других отраслях промышленности.
Тепловой режим импульсного трансформатора при технологическом использовании
50
Вместе с тем, было отмечено, что при технологическом использовании ИТ потери энергии в проводниках катушек и магнитопроводе приводят к его нагреву. Значимость этого фактора можно проиллюстрировать результатами специального исследования теплового режима ИТ. В исследовании параметры схемы были следующими: Q=0.8 мкФ, U0 = 40 кВ (W0=640 кДж), C2=3 нФ. При соотношении С2п2/С1=0.18 W2/W1=0.51, т.е. потери энергии ожидались не менее 49 %. В опыте регистрировалось изменение температуры масла в ИТ по мере увеличения числа поданных импульсов (N). Измерение температуры масла производилось как с внешней стороны низковольтной катушки (а), так и внутри сердечника (б), в разнесенных по высоте трех уровнях: внизу (1), в середине (2) и вверху (3) (рис.5).
а б
Рис.5. Точки измерения температуры в импульсном трансформаторе: а - с внешней стороны, б - внутри сердечника
Тепловая энергия потерь импульсного трансформатора Q рассчитана по усредненной температуре нагрева и теплоемкостям составных элементов ИТ (табл.1).
Таблица 1
Тепловой режим импульсного трансформатора
Начальная температура масла, T°C Кол-во имп., N Температура, T°C
внизу внешнее (1а) внизу внутри (1б) центр внешнее (2а) центр внутри (2б) верх внешнее (3а) верх внутри (3б)
21 100 22 22 24 24 24 24
200 22 23 24 25 24 27
300 26 24 27 27 28 31
При общей затраченной энергии W1=192 кДж, тепловые потери оценены в Q=98 кДж, или 51 %, что соответствует ожидаемой величине согласно аналитической оценке.
Нами рассматриваются способы решения проблемы теплового нагрева ИТ в процессе работы при технологическом использовании - ограничение
51
потерь за счет энергетической оптимизации схемы генерирования высоковольтных импульсов и применения отвода тепла (охлаждение ИТ).
Предложения по нормализации теплового режима импульсных трансформаторов
Естественное масляное охлаждение. К импульсным трансформаторам для электроимпульсного разрушения могут быть применены методы расчета и способы охлаждения, используемые для естественного масляного охлаждения силовых трансформаторов с помощью радиаторов охлаждения. В силовых трансформаторах с естественным масляным охлаждением магнитопровод с обмотками погружают в бак, наполненный трансформаторным маслом. Трансформаторное масло обладает более высокой теплопроводностью, чем воздух, и значительно снижает теплоту обмоток и магнитопровода трансформатора. В таких трансформаторах тепло, выделяемое в обмотках и магнитопроводе, передается окружающему маслу, которое циркулирует по баку и трубкам радиатора, передавая его окружающему воздуху.
Опыт работы с ИТ-350 показал, что применительно даже к трансформатору с неметаллическим корпусом на тепловом режиме ИТ очень положительно сказывается такое простейшее решение, как организация циркуляции масла в корпусе ИТ с помощью диэлектрической трубки на крышке ИТ (рис. 6).
Рис.6. Импульсный трансформатор с естественной циркуляцией масла
Под действием нагревания и теплового расширения трансформаторное масло увеличивается в объеме и начинает циркулировать через трубку, расположенную в верхней части импульсного трансформатора, отводя тепло к корпусу ИТ. В конструкциях ИТ с внешним расположением первичной обмотки при диэлектрической крышке корпус ИТ вполне возможно выполнить металлическим с трубками охлаждения, естественно, при некотором увеличении диаметра и веса ИТ.
Принудительное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла. Масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла применяется для мощных силовых трансформаторов. В этом случаи применяют систему из тонких ребристых труб или радиаторных труб, обдуваемых вентилятором. Вентилятор засасывает воздух снизу и обдувает нагретую верхнюю часть труб. Форсированный обдув тонких ребристых трубок или радиатор ных труб
52
улучшает условия охлаждения масла, а следовательно, обмоток и магнитопровода трансформатора. Запуск и остановка вентилятора может осуществляться автоматически в зависимости от нагрузки и температуры нагреваемого масла. Радиаторы охлаждения в ИТ могут быть выполнены на металлическом корпусе ИТ, а при диэлектрическом корпусе - отдельным блоком с охлаждением потоком воздуха или проточной жидкостью (рис.7).
Рис.7. Система охлаждения импульсного трансформатора с внешним теплоотводящим радиатором (принципиальная схема)
На рисунке 8 приведена принципиальная схема масляного охлаждения с внешним теплоотводящим радиатором и принудительной циркуляцией масла.
1эссрбю4
Рис.8. Система масляного охлаждения с принудительной циркуляцией масла и внешним теплоотводящим радиатором
Проблему нагрева ИТ можно решать с помощью его охлаждения, но до этого необходимо реализовать все возможности снизить потери в ИТ за счет энергетической оптимизации процесса.
Энергетическая оптимизация передачи энергии в импульсном трансформаторе, прежде всего, требует выполнения условия оптимального соотношения параметров ИТ для обеспечения минимума потерь энергии первичного накопителя - C2n2/Ci=1. Вторым условием оптимизации является максимально возможное ограничение уровня энергии контура обострения фронта высоковольтных импульсов, но достаточного для обеспечения пробоя и формирования канала разряда в твердом теле. Это положение приводится в соответствие с общим принципом энергетической оптимизации процесса электроимпульсного разрушения, представляемого двумя последовательными
53
стадиями. На стадии формирования пробоя твердого тела параметры импульсного напряжения определяют вероятность внедрения и глубину внедрения разряда в поверхностный слой твердого тела, т. е потенциальный объем разрушения. На стадии формирования в твердом теле поля напряжений и распространения трещин параметры энерговыделения в канале разряда (количество и мощность) определяют степень разрушения материала, кпд преобразования энергии канала разряда в работу разрушения, энергию новой поверхности. При этом критерии оптимизации параметров энерговыделения должны учитывать физико-механические свойства материалов и условия пробоя [3]. Для хрупких материалов при малой глубине внедрения разряда, при пробое фрагментов породы небольшой крупности энергию следует выделять достаточно быстро за время, ограниченное условиями разгрузки канала разряда через устья внедрения и выходящие на свободную поверхность трещины. Для пластичных материалов при значительном расстоянии от канала разряда до свободной поверхности энерговыделение следует затянуть во времени, обеспечивая максимально продолжительное время распространения трещин. В одноконтурной схеме генерирования импульсов (генератор Маркса) невозможно задать параметры генератора, чтобы они отвечали условиям оптимальности для обеих стадий процесса. Чтобы обеспечить оптимизацию процесса электроимпульсного разрушения на обеих стадиях процесса, необходимо применять комбинированные схемы генератора импульсов с двумя источниками разного уровня напряжения и энергии [4], когда энергией одного источника с высоким уровнем напряжения обеспечивают электрический пробой породы, а энергией второго источника с более низким уровнем напряжения обеспечивают непосредственное разрушение породы.
В этом случае с большей энергетической эффективностью имеется возможность независимо оптимизировать формирование импульса напряжения на нагрузке для эффективного пробоя (с максимальной вероятностью и глубиной внедрения) и режим энерговклада в канал разряда после пробоя, обеспечивая максимальный разрушающий эффект и энергетическую эффективность процесса электроимпульсного разрушения в целом. Примеры таких схем приведены на рис.9 [4].
В комбинированной схеме с двумя источниками для формирования пробоя используются импульсный трансформатор с контуром обострения. Необходимая для формирования пробоя энергия может быть ограничена величиной 100-150 Дж (необходимо учитывать потери энергии с растеканием тока в электропроводящей среде); при этом острота проблемы теплового режима ИТ существенно снизится, и ее можно будет достаточно просто решить применением естественного или принудительного охлаждения ИТ. В диэлектрической среде эта энергия может быть ограничена всего несколькими десятками джоулей.
а б
Рис.9. Схема с парралелльной работой двух источников энергии:
54
а - схема синхронизации с индукционным дросселем (для электроимпульсного метода); б- схема синхронизации с помощью импульсного трансформатора
Заключение
Экспериментально подтверждено, что в электротехнологических установках электроимпульсного разрушения геоматериалов генерирование импульсов по схеме с импульсным трансформатором вместо генераторов Маркса при существенном уменьшении массогабаритных параметров установок способно также обеспечить оптимальные режимы энерговыделения в канале разряда для энергетически эффективного разрушения материалов в технологических процессах. В результате доказана возможность существенного улучшения удельных массогабаритных и энергетических характеристик электротехнологических комплексов электроимпульсного разрушения геоматериалов. Это открывает путь к практической реализации обладающего высокой энергетической эффективностью и уникальными технологическими особенностями способа в технологиях добычи и переработки минерального сырья, горнотехнического и инженерного строительства, переработки и утилизации технических материалов и техногенных твердых отходов. Дальнейшими исследованиями необходимо доработать и проверить предложенные в данной работе решения по оптимизации теплового режима импульсных трансформаторов в режимах, свойственных их технологическому использованию
В проведении экспериментальных исследований участвовали инженер А. И.Гагаринов и студент А.Бушков.
Литература
1. Усов А. Ф., Потокин А. С. Импульсное трансформирование напряжения и энергии для электроимпульсного разрушения материалов // Труды Кольского научного центра РАН. Вып. 9. 2014. 107 с.
2. Импульс российско-китайскому научно-техническому
сотрудничеству. // Вестник Кольского научного центра РАН, 2014. № 3. С. 113116.
3. Сёмкин Б. В., Усов А. Ф., Курец В. И. Принцип электроимпульсного разрушения материалов. Апатиты: Кольский научный центр РАН, 1995. 276 с.
4. Усов А. Ф., Сёмкин Б. В., Зиновьев Н. Т. Переходные процессы в установках электроимпульсной технологии. Л.: ЛО Наука, 1987. 189 с.; 2-е изд. 2000. 160 с.
Сведения об авторах
Усов Анатолий Федорович,
начальник научно-организационного отдела КНЦ РАН, старший научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
184209, г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 14.
тел. (81555) 79226, эл. почта: usov@admksc.apatity.ru
Потокин Александр Сергеевич,
младший научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН
184209, г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 14.
55
тел. (81555) 79516, эл. почта: student_noo@admkas.apatity.ru Ильин Даниил Владимирович,
инженер-исследователь лаборатории № 33 Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН
184209, г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 14.
тел. (81555) 79272, эл. почта: twizanx2@yandex.ru
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ
СОВМЕСТИМОСТЬ
УДК 622.311.1: 658.26
И. С. Шиханов, А. С. Карпов, В. В. Ярошевич, Г. П. Фастий, Е. А. Токарева
ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЕРТИФИЦИРОВАННЫХ РЕГИСТРАТОРОВ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Аннотация
Представлен анализ сертифицированных регистраторов показателей качества электроэнергии (ПКЭ) при синхронной регистрации на подстанции 10 кВ городской сети, обладающей большим количеством потребителей с различным характером нагрузки. По результатам измерения каждого прибора дана оценка качества электроэнергии и результаты были сопоставлены.
Ключевые слова:
электромагнитная совместимость, сертифицированные измерительные приборы, качество электроэнергии, подстанции, действующая высоковольтная сеть.
I. S. Shikhanov, A. S. Karpov, V. V. Yaroshevich, G. P. Fastiy, E. A. Tokareva
ASSESSMENT OF CERTIFIED LOGGERS USE OF THE ELECTRIC POWER MERIT FIGURES
Abstract
In article the analysis of the certified loggers of the electric power merit figures (EPMF) in case of the synchronous registration on city network 10 kV substations, possessing a large number of customers with different character of loading is provided. By results of each instrument measurement the assessment of electric power quality is given and results were compared.
Keywords:
еlectromagnetic compatibility, the certified measuring instruments, quality of the electric power, substation, operating high-voltage network.
Использование сертифицированных приборов для оценки качества электроэнергии в сети является необходимой и обязательной мерой для обеспечения электромагнитной совместимости потребителей [1-5]. Исследования качества электроэнергии выполняются ЦФТПЭС с 2004 г. и описываются в работах [7-17]. Такой контроль позволит обеспечить всех потребителей электроэнергией надлежащего качества. Однако при синхронной
56
