CC BY
87
ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 621.365
К.А. Ачаков, Л.С. Зимин КОМБИНИРОВАННАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ НАГРЕВА И РЕГЕНЕРАЦИИ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА
Рассмотрена проблема регенерации трансформаторных масел с применением электрического нагрева; разработана новая энергосберегающая технология нагрева трансформаторного масла, основанная на комбинации двух методов нагрева: индукционного и диэлектрического.
Диэлектрический, индукционный, регенерация, нагрев, трансформаторное масло K.A. Achakov, L.S. Zimin
COMBINED HEAT AND REGENERATION ELECTROTECHNOLOGY FOR TRANSFORMER OIL
The article deals with the problem of transformer oil regeneration by means of electric heating technology. The new energy efficient technology was developed for transformer oil heating. The given technology is based on the combination of two methods used for induction and dielectric heating.
Dielectric, induction, regeneration, heating of the, transformer oil
В процессе эксплуатации трансформаторное масло увлажняется и стареет под действием внешней среды и протекающих в нем химических процессов. Нагрев трансформаторного масла с целью его очистки от воды и других примесей является актуальной проблемой. Регенерация масла в большинстве случаев осуществляется подогревом масла до определенных температур [1, 2]. Нагрев осуществляется с целью реализации теплообменных процессов, которые применяются для удаления из масла продуктов окисления, воды и легко кипящих фракций. В настоящее время нагрев осуществляют методом сопротивления с помощью ленточных или трубчатых электронагревателей.
Разработана новая эффективная технология, основанная на комбинации двух методов нагрева: диэлектрического и индукционного. Теплообменный аппарат состоит из наружного и внутреннего стальных цилиндров и индукторов, намотанных вокруг внешнего цилиндра и внутри внутреннего. В кольцевом зазоре симметричных цилиндров находится трансформаторное масло. Величина кольцевого зазора и количество нагревателей зависят от производительности установки. Технология комбинированного нагрева в описанном выше аппарате разделена на два этапа: на первом этапе к цилиндрам подводится разность потенциалов, для образования рабочего конденсатора. При помещении трансформаторного масла в переменное электрическое поле конденсатора за счет поглощения электрической энергии высокой частоты и наведении токов смещения в диэлектрике происходит его нагрев внутренними источниками тепла. Далее по мере удаления воды и других примесей фактор потерь tgde будет уменьшаться, соответственно на втором этапе осуществляется переход на индукционный нагрев. На этапе нагрева индукционным методом ферромагнитные цилиндры играют роль косвенных нагревателей, в которых тепло выделяется под действием наведенных вихревых токов. Передача тепла трансформаторному маслу осуществляется через поверхность металлических цилиндров.
В общем случае процесс нагрева описывается нелинейной, взаимосвязанной системой уравнений Максвелла для электромагнитного поля и Фурье для теплового поля с соответствующими краевыми условиями.
При индукционном нагреве исходная постановка нелинейной электромагнитной задачи выражается через векторный потенциал общим уравнением Пуассона в двумерной области:
(
тої
1
—тої А
V т а
Л д н
+ У-—
дї
= Jо ; тої А = В ; йіу А = 0
(1)
/
Решение уравнения найдено путем минимизации нелинейного функционала, выражающего энергию электромагнитного поля:
д Г 1 | д А + д Г 1 | д(т А) дх V т ) дх дт V ЦТ ) дт
йтйх +1И уюу А йтйх + +1 11J о А йтйх
(2)
2
Я
я
Р0, Вт/м2
р'пов.
Рис. 1. Зависимость магнитной проницаемости от поверхностной мощности
В результате решения поставленной задачи получена (рис. 1) уточненная зависимость магнитной проницаемости от поверхностной мощности комбинированного нагревателя.
При диэлектрическом нагреве решение уравнений Максвелла достигается минимизацией энергетического функционала относительно напряженности электрического поля:
Я
г . , Л
д д Е д + — дт 1 д(т Е)
дх дх т дт
V _ _ _ _ )
■ Е йтйх - —11 уютуЕ йтйх -
Я
- —11 ю2теЕ drdz +1113 Еdrdz (3)
2 Я 2 Я
За основу принято допущение - считать гармонические электромагнитные процессы как процессы в «диэлектрике» с комплексной диэлектрической проницаемостью [3]:
■ У
ек= е-= е ю
У е , с-
уе , но отношение = — есть не что иное как tgЪ .
юе е
откуда проводимость у = tgdwe , мощность внутренних источников тепла, характеризующих нагрев диэлектриков при воздействии переменного электрического поля, вычисляется для каждого элемента:
” * Л . (__* Л
= 2 1 tg5юe^
Е ■ Е
йУ = 2,78 10
411
Е ■ Е
йУ .
(4)
Расчет нелинейной задачи диэлектрического нагрева трансформаторного масла произведен путем корректировки tgd на каждом этапе итераций на основе проведенных экспериментальных и аналитических исследований зависимости tg8 от температуры, содержания воды и других примесей (рис. 2).
температурная зависимость tg6
0,025 0,02 0,015
ю го
~ 0,01 0,005 0
Рис. 2. Температурная зависимость tgd эксплуатационного трансформаторного масла
Таким образом, в качестве внутренних источников тепла, в первую очередь, служат примеси воды и коллоидные частицы, которые и будут нагреваться. После испарения воды и удаления примесей, нагрев осуществляется индукционным нагревателем, и масло окончательно доводится до требуемых параметров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Липштейн В.А. Трансформаторное масло / В.А. Липштейн, М.И. Шахнович. М.: Энергия, 1987. 330 с.
2. Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов / С.Н. Колесов, И.С. Колесов. М.: Высш. шк., 2004. 519 с.
3. Гольдштейн Л. Д. Электромагнитные поля и волны / Л. Д. Гольдштейн, Н.В. Зернов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Сов. радио, 1971. 664 с.
Зимин Лев Сергеевич -
Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» Самарского государственного технического университета
Ачаков Константин Анатольевич -
аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Самарского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 17.08.13, принята к опубликованию
Lev S. Zimin -
Honored Scientist of the Russian Federation Dr. Sc., Professor
Head: Department of Industrial Power Systems Samara State Technical University
Konstantin A. Achakov -
Postgraduate
Department of Industrial Power Systems Samara State Technical University
град. С
