Моделирование переходных процессов в электромеханической системе охлаждения трансформатора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

номном режиме независимо друг от друга того же блока накопителя. Помимо всего прочего, существует возможность подпитывания соседней аналогичной системы приводов за счет энергии исходной системы электроприводов.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить экономию электроэнергии, и она же может использоваться внутри системы с минимальным потреблением от сети либо использоваться вообще без потребления от сети в автономном режиме, а также возвращать энергию обратно в сеть.

S. Kuzmina, V. Stepanov

System recovery multi handling mechanisms and machines

The application recuperation is proved, areas application of systems recuperation is enumeration, and also one of technical decisions of economy of energy with use of systems recuperation are listed.

Keywords: recuperation, recuperative braking, system of recuperation.

Получено 06.07.10

УДК 621.13

Ю.Н. Тимонин, зам. ген. директора, (4872) 32-77-69, tul energo@ tula elektra.ru (Россия, Тула, фил/ "Тулэнерго" ОАО "МРСК" Центра и Приволжья), В.А. Сушкин, канд. техн. наук, (4872) 35-54-50,v.a.sushkin@gmail.com (Россия, Тула, ТулГУ)

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Рассмотрены вопросы охлаждения трансформатора за счет применения регулируемого электропривода.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, регулирование частоты вращения, охладители.

Для системы охлаждения силового трансформатора предложен регулируемый электропривод, обеспечивающий работу системы охлаждения масляных насосов и системы обдува теплообменников. Привод насосов создаёт напор, необходимый для циркуляции в замкнутой системе охлаждающего трансформаторного масла. В замкнутых системах охлаждения, в которых циркулирует постоянное количество среды, имеются также теплообменники, предназначенные для охлаждения и удаления тепла во внешнюю среду.

Оптимальное сочетание количества нерегулируемого и регулируемого асинхронного привода как масляной системы, так и воздушного трак-

177

та обеспечивает минимальные потери энергии в активной части трансформатора и в системе привода. Анализ процессов электромеханической системы охлаждения обеспечивает определение оптимальных параметров системы управления электроприводом.

Увеличение температуры газа при движении по охлаждающему тракту может быть выражено через расход газа (жидкости) Q и его объемную удельную теплоемкость су, Дж/(м К):

©2-©1 =1Р /(с^),

где X Р — суммарные средние потери, удаляемые охлаждающей средой.

Активная система трансформатора, которая создает тепловую энергию, является экстремальной системой. Принимаем, что система может быть приведена к активному сопротивлению гт и переменной нагрузке гп. Напряжение и, приложенное к схеме, при изменении нагрузки не ме-

2 гт

няется. Мощность, выделяемая на нагрузке =и --—2, при значении

(гт + гп )

Щ и2(гт - Гп) 0 гт = гп имеет максимум —- =-—-3-=0.

агТ (гт + гп )3

Таким образом, при равенстве сопротивления нагрузки и гт мощность в нагрузке будет максимальной (зависимость Рг = /(гп) приведена на рис. 1).

мощности от сопротивления нагрузки

Необходимый для циркуляции среды напор создается гидравлическим насосом.

Мощность теплового потока Ря, как установлено опытным путем, пропорциональна превышению температуры тела над температурой среды и обратно пропорциональна термическому сопротивлению °С/Вт, между телом и охлаждающей средой р = А© / Я. Термическое сопротивление оболочки

Ях = 8/ SX,

где X— теплопроводность материала оболочки; S — поверхность оболочки, через которую проходит тепловой поток; 8 — толщина оболочки в направлении теплового потока.

Термическое сопротивление при переходе тепла от оболочки обмоток трансформатора к охлаждающей среде Яа =1/ а^, обратно пропорционально коэффициенту теплопередачи а, и площади охлаждаемой поверхности S. Коэффициент теплопередачи а, зависит от свойств среды (ее плотности и вязкости), скорости перемещения среды V и характера движения среды в канале, примыкающем к оболочке.

При ориентировочных тепловых расчетах коэффициент теплопередачи можно определить по формуле

а,=а(1 +

Где а — коэффициент теплопередачи, характеризующий излучение и конвекцию в спокойном воздухе (V = 0), Вт/(м • К) и зависящий от свойств

охлаждаемой поверхности.

Коэффициент интенсивности обдувания к зависит от равномерности обдувания поверхности, ее формы и т.п. Для охлаждаемых поверхностей в электрических машинах он в среднем равен 0,8.

Общее термическое сопротивление между нагретым телом и охлаждающей средой суммируется из сопротивления оболочки Яд и сопротивления при переходе тепла от оболочки к охлаждающей среде Яа:

Я = Яа.

Тепловая энергия, выделяющаяся в теле за время & и равная Р& частично аккумулируется в теле при повышении его температуры на & 0, частично передается охлаждающей среде через термическое сопротивление Я.

Если тело имеет массу т и удельную теплоемкость с, то для его нагревания на & 0 требуется тепло тс&0. При превышении температуры тела над охлаждающей средой 0 этой среде передается за время & тепло. Записав условие сохранения энергии, получим дифференциальное уравнение нагревания тела

Рйг = тс&0 + 0 / Яйг. Найдем сначала установившееся превышение температуры 0 = 0^,

при котором все тепло, выделяющееся в теле, передается через сопротивление Я и дальнейшее повышение температуры тела прекращается &0 = 0 . При этих условиях получим 0^ = РЯ . Умножим обе части на Я и

используя преобразования получим

= Т&0 + 0&.

Предполагаются известными потери, выделяющиеся в активных элементах трансформатора, термические сопротивления на путях передачи

179

этих потерь, расход охлаждающей среды Q, скорости движения охлаждающей среды около охлаждаемых поверхностей и, соответствующие коэффициенты теплопередачи ау. Должна быть также задана температура

охлаждающей среды на входе в систему охлаждения ©1= 40 °С.

Термическое сопротивление Я является электрическим сопротивлением, мощность тепловых потоков Р — электрическими токами, установившееся превышение температуры — напряжением. Тепловой потенциал ее средней линии равен средней температуре охлаждающей среды

©0 = ®1±®2 = ©1 + Ж.

0 2 1 2СуО

Для правильного функционирования системы охлаждения требуется достаточно интенсивная циркуляция охлаждающей среды. Иными словами, необходимо иметь такой общий расход среды б и такие скорости ее перемещения в каналах и, при которых превышение температуры активных частей не будет превышать допустимых значений.

Основная задача гидравлического расчета системы охлаждения состоит с определении гидравлического напора ^который обеспечивает необходимый расход и скоростии в отдельных ветвях системы. Второй задачей гидравлического расчета является определение размеров напорных элементов насосов (вентиляторов), которые обеспечивают необходимую циркуляцию.

Охлаждающая среда, а также форма, расположение и размеры каналов, по которым она перемещается, выбираются при проектировании машины. Выбор оптимальной охлаждающей среды и размеров каналов входит в общую задачу оптимизации машины в целом по суммарной стоимости ее изготовления и эксплуатации в течение заданного срока. В большинстве машин более рационально применение косвенного охлаждения обмоток, при котором охлаждающая среда омывает наружную поверхность покрытых корпусной изоляцией катушек обмоток.

В качестве охлаждающих сред при непосредственном охлаждении используется трансформаторное масло, которое циркулирует в каналах внутри катушек и омывает непосредственно их проводники. Во избежание засорения каналов внутри проводников обмоток при непосредственном охлаждении применяется особо чистые жидкости многократно очищенное от примесей трансформаторное масло.

Выбрав охлаждающую среду, нужно определить ее расход, исходя из известных потерь в трансформаторе 2р>, рекомендуемого увеличения температуры среды при движении по гидравлическому тракту ©1 - ©2 =

20-30 °С и ее объемной удельной теплоемкости0"

X Р1

Q =

Су (©1©2)

Для получения приемлемых тепловых сопротивлений нужно иметь достаточно большую скорость движения среды в каналах v- = Q-/q-, что достигается выбором подходящих сечений каналов q-.

При этом нужно иметь в виду, что обычно гидравлическая цепь машины содержит несколько параллельно включенных каналов (ветвей) и расход среды в '-м канале (ветви) & составляет часть общего расхода Ö .

В процессе гидравлического и тепловою расчетов размеры параллельно включенных каналов подбираются таким образом, чтобы расходы^'в каналах были пропорциональны потерям, передаваемым охлаждающей среде в данном канале, а сумма расходов равнялась бы общему

расходу ^ . Напор ^-необходимый для перемещения агента по гидравлической цепи машины, равен сумме потерь напора на последовательно включенных участках каналов. В большинстве случаев движение охлаждающих сред в каналах электрической машины носит турбулентный характер. При этом потери напора, Па, оказываются пропорциональными квадрату расхода Q и могут быть рассчитаны так:

¿12 = ¿12 б'

В этой формуле размерный коэффициент zi 2, кг/м7, носит название местного гидравлического сопротивления при переходе от участка к участку 2:

zi2 = Y (2q2^

где y плотность охлаждающей среды; - площадь сечения канала после местного сопротивления или (при^= в зоне местного сопротивления (для случая выхода из канала в свободное пространство, когда >>Я\ (<?2= °°)>в формулу вводится вместо значениям значение сечения канала до местного сопротивления, т.е.?l); с - коэффициент местного гидравлического сопротивления

Потери напора последовательно включенных местных сопротивлений складываются, поэтому гидравлическое сопротивление цепи из нескольких таких сопротивлений равно сумме этих сопротивлений

Имея в виду, что потери напора на параллельно включенных ветвях одинаковы, а полный расход Q равен сумме расходов параллельных ветвей = Öi + 0ц + Qiw можно заключить, что гидравлическое сопротивление

параллельно включенных ветвей связано с этими сопротивлениями сле-

z

дующим образом '* 111

Z/, 11,111 = ( - , - , .

in

Полное сопротивление гидравлической цепи: Z = Z12 + ZI,Ii,Iii + Z67 + Z7, 181

где =£у/(2^7) = у/ (2д2) - сопротивление выхода из гидравлической цепи.

Гидравлический напор, Па, необходимый для получения требуемого расхода:

А = 7д2.

Потеря напора на параллельно включенных ветвях

И1 = Ип = Иш = 21, II, III02

Расходы параллельных ветвей:

01 -Щ'0"=ш; 0111 -Щ;-

Для более сложной гидравлической цепи составляется система уравнений напоров контуров цепи и уравнений расходов узлов цепи. Для гидравлической системы по рис. 2 записывается следующая система из четырех уравнений:

- 2п0и - 0;

- 2ш0ш - 0;

(212 + 267 + 27)02 + 20 - И;

01 + 0п + 0ш - 0.

^в1

'Ьй1

I п

¡Ььь

Л) "кц

Рис. 2. Гидравлическая цепь моделирования системы охлаждения

трансформатора

Решая эту систему уравнений, определяют напор И и расходы

01,011, Ош.

Мощность Рь, которая необходима для приведения в действие вентилятора или другого напорного элемента, создающего циркуляцию охлаждающей среды в гидравлической цепи, определяют с учетом КПД этого элемента р, - 0И / Пъ, где щ = 0,5-0,6

Список литературы

1. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Т.2. М: Издательский дом МЭИ, 2006. 525 с.

Y. Timonin, V. Sushkin

Modeling of transient process in electromechanijal system of transformer cooling The questions of cooling of transformer are considered due to application of managed elektroprivod.

Keywords: asynchronous engine, adjusting offrequency of rotation, coolers.

Получено 06.07.10

УДК 621.333

Ю.Н. Тимонин, зам. ген. директора, (4872) 32-77-69, tul energo@ tula elektra.ru (Россия, Тула, фил. «Тулэнерго» ОАО «МРСК Центра и Приволжья»), С.В. Савельев, зав. лаб. (4872)35-37-35, eists@ rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА, МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Предложены план эксперимента и методика исследования электрогидравли-чес-кой системы охлаждения силового трансформатора.

Ключевые слова: силовой трансформатор, параметрическая модель.

1.Планирование эксперимента и методика исследования

Планирование эксперимента и предлагаемая методика соответствуют проведению исследований в лабораторных и производственных условиях. Экспериментальные исследования электрогидравлической систе-мы(ЭГС) ох-лаждения силового трансформатора проводились на действующем силовом трансформаторе ТДЦГ-250000/220У1 в условиях производственного подразделения Щёкинская ГРЭС. В связи с возникшей сложностью эксплуатации силового трансформатора при высокой температуре окружающей среды назрела необходимость в проведении ниже описываемых мероприятий. Проводимые работы и испытания основаны на минимуме расходуемых ресурсов числа испытаний, обеспечивающих получение требуемых показаний надёжности путём исследования функциональной избыточности. В качестве показателя функциональной избыточности в параметрической модели отказов ЭГС охлаждения силового трансформатора принят коэффициент запаса (надёжности) Кн