CC BY
86
УДК 622.276
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВЫХ МАСЛЯНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПРИ ПОМОЩИ ЭЛЕГАЗА
А.Р. КАМАЛОВ, магистр кафедры электрооборудования и автоматики промышленных предприятий
А.Г. ХИСМАТУЛЛИН, магистр кафедры электрооборудования и автоматики промышленных предприятий
Д.Д. ХАЙРУЛЛИНА, студент кафедры электрооборудования и автоматики промышленных предприятий
А.С. ХИСМАТУЛЛИН, к.ф.-м.н., доцент кафедры электрооборудования и автоматики промышленных предприятий
Филиал ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет в г. Салавате (Россия, 453250, Республика Башкортостан, г. Салават, ул. Губкина, д. 22а/67). E-mail: hism5az@mail.ru
На основе представленной в работе модели увеличения коэффициентов переноса при всплытии пузырьков газа в жидкости и проведенных экспериментов по изучению этого явления предложен более действенный способ охлаждения масляных трансформаторов. Экспериментально исследовано влияние пузырьков газа на напряжение пробоя трансформаторного масла. Исследовано влияние протока масла на электрические характеристики пробоя. В качестве охлаждающего газа предлагается использовать элегаз, так как он обладает лучшими по сравнению с воздухом электрическими и тепловыми свойствами. По результатам проведенных исследований явлений переноса в жидкости со всплывающими газовыми пузырьками могут быть разработаны промышленные установки с регулируемыми коэффициентами диффузии и теплопроводности. Скорость процессов переноса вещества, а значит, и скорость теплопереноса, можно увеличить при помощи барботажа - движения через жидкость пузырьков газа. Основная идея заключается в том, что увеличение коэффициента теплообмена нагревающегося масла в трансформаторе будет осуществляться за счет циркуляции барботируемого элегаза через пространство, заполненное маслом.
Ключевые слова: трансформатор, система охлаждения, элегаз, теплопроводность, теплоотдача, трансцилляторный перенос тепла.
Введение
Трансформаторные масла применяются в электротехнике, в силовых и измерительных трансформаторах, а также в масляных выключателях.
В энергетических объектах, использующих масло, возможны крупномасштабные аварии при внутреннем коротком замыкании и развитии дугового разряда. Выделяющаяся в разряде энергия может составлять от нескольких десятых долей мегаджоуля в измерительных до нескольких десятков мегаджоулей в силовых трансформаторах. В дуговом разряде трансформаторное масло интенсивно разлагается с выделением большого объема газа, что приводит к росту давления, распространению интенсивных волн давления и возможному разрушению корпуса маслонаполнен-ного оборудования.
Важным требованием в энергообеспечении предприятий нефтегазовой отрасли является обеспечение непрерывности многих технологических процессов [1]. В связи с этим к энергетическому и электротехническому оборудованию нефтегазового комплекса предъявляются высокие требования надежности. Аварийный выход из строя масляного трансформатора может повлечь за собой остановку технологической установки во время работы, привести к аварии с большим материальным ущербом.
В настоящей работе экспериментально исследовано влияние пузырьков газа и протока масла на напряжение и электрические характеристики пробоя трансформаторного масла. Показано, что наличие пузырьков с элегазом снижает напряжение электрического пробоя.
Теоретическая часть
Для решения данной проблемы в работе предложен новый способ охлаждения масляных трансформаторов.
Существующие системы охлаждения имеют недостатки. Исходя из этого, создана теоретическая модель, принципиально различающаяся от рассмотренных систем охлаждения, существующих в настоящее время. Данная модель представляет собой систему охлаждения силового масляного трансформатора с помощью подачи пузырьков элегаза для поддержания определенной температуры масла в рабочей области.
При исследовании технических характеристик химических веществ установлено, что для охлаждения масляного трансформатора подходит элегаз. Он обладает высокими электроизолирующими и дугогасящими свойствами, высоким напряжением пробоя, при этом практически инертен - инертность выше, чем у азота, и немного не дотягивает до инертности гелия, при этом гораздо дешевле. Характерным для него является очень большой коэффициент теплового расширения и высокая плотность. Это важно для энергетических установок, в которых проводится охлаждение каких-либо частей устройства, так как при большом коэффициенте теплового расширения легко образуется конвективный поток, уносящий тепло.
При наличии вплывающих пузырьков возникает сложное поле скоростей, в котором условно можно выделить слои, смещающиеся относительно друг друга (рис. 1). Максимальное смещение слоя происходит при его нахождении на уровне центра пузырька. Процесс теплообмена
|Рис. 1. Схема возникновения трансцилляторного переноса при всплывании пузырьков
■ 7
Й^Й N Щ
I U III IV
между слоями приводит к тому, что возникает перенос тепла вдоль оси Ох за счет трансцилляторной составляющей [2]. При определенных условиях величина трансцилляторного потока может на несколько порядков превышать значение молекулярного, поэтому исследование механизма транс-цилляторного переноса имеет важное значение.
Ранее было установлено возрастание коэффициента теплопроводности и теплообмена при всплывании пузырьков и обнаружено, что при акустическом воздействии на жидкость с пузырьками коэффициент теплопроводности возрастает по сравнению со значениями, полученными в экспериментах без звуковых волн [3]. Между конвективным и молекулярным потоками существует некоторое соответствие, или эквивалентность. На основании формул для молекулярного q = -XVT и конвективного q = cpv T потоков тепла можно сформулировать следующие положения:
- каждому молекулярному потоку можно найти эквивалентный конвективный поток, скорость которого определяется выражением
v = -X(VT> / (cpT);
- каждому конвективному потоку может быть найден эквивалентный молекулярный поток, эффективная теплопроводность которого определяется формулой
X = -cpT <v VT) / (VT)2.
Представления о трансцилляторном переносе тепла существенно расширяют и дополняют второе положение об эквивалентности конвективного и диффузионного потоков тепла. Действительно, в [2] показано, что при замкнутых ячеистых течениях осредненный конвективный поток зависит от градиента температуры по формуле, аналогичной закону Фурье.
В этом заключается одно из положений общенаучного значения представлений о трансцилляторном переносе [3]. Осредненное выражение для конвективного потока можно представить в виде
где с - удельная теплоемкость воды, Дж/(К-кг), в - функция Грина, у - конвективный поток тепла, Вт/м2, Т - температура резервуара, К, ? - время, с, V - поле скоростей в жидкости, м/с, Г - градиент температуры, К/м, X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К), р, z - цилиндрические координаты, м.
Откуда следует, что главной причиной возникновения трансцилляторного теплового потока являются
Рис. 2. Схема установки силового масляного трансформатора
с использованием элегаза в системе охлаждения: 1- аварийный сброс газа (выхлопная труба); 2 - газовое реле; 3 - ввод низкого напряжения; 4 - ввод высокого напряжения; 5 - обмотки высшего и низшего напряжений; 6 - магнитопровод; 7 - кран для слива масла; 8 - тележка с катками; 9 - бак; 10 - устройство регулирования под нагрузкой (РПН); 11 - газоосушитель; 12 - указатель уровня масла; 13 - расширитель; 14 - соединительная трубка; 15 - компрессор; 16 - радиатор; 17 - направление элегаза; 18 - трубка, по которой проходит элегаз
и корреляции между скоростью движения и температурой.
На основе проведенных исследований явлений теплопе-реноса в жидкости со всплывающими газовыми пузырьками могут быть разработаны промышленные установки с регулируемыми коэффициентами теплопроводности, например более эффективная система охлаждения трансформаторного масла с помощью всплывающих пузырьков элегаза (рис. 2) [4-5].
В случае когда в системе охлаждения применяется элегаз, охлаждение более эффективно вследствие того, что он, попадая в бак трансформатора, начинает понижать температуру непосредственно масла. При этом площадь контакта, от которой зависит тепловой поток, во много раз больше площади внешних стальных стенок [6].
Компрессор осуществляет перекачивание газа из системы охлаждения обратно в бак, содержащий масло [7]. Таким образом происходит забор элегаза из расширительного бака. Процессы, происходящие в системе охлаждения газа, будут происходить при помощи специализированных холодильных установок, предназначенных непосредственно для этих целей.
Экспериментальные результаты
В работе [8] были проведены эксперименты по охлаждению трансформаторного масла для проверки разработанной системы. Измерения проводились следующим образом. Для эксперимента использовали трансформаторный бак диаметром 40 см, глубиной 35 см. В бак залит слой трансформаторного масла глубиной 10 см. Масло нагрели до температуры 70 °С. Во время остывания каждые 5 минут фиксировалась температура с помощью тепловизора. Температура масла снизилась до уровня комнатной температуры 30 °С за время, которое составило 60 минут.
1 • 2017
55
Рис. 3. Экспериментальные графики зависимости остывания трансформаторного масла: 1 - без барботажа, 3 - при барботаже, 2 и 4 - соответствующие линии аппроксимации
По данным был составлен график остывания масла в зависимости от времени (рис. 3).
Во втором эксперименте для охлаждения был использован компрессор. После нагревания масла до температуры 70 °С включен компрессор, который подает пузырьки воздуха в бак с маслом. В результате эксперимента
выявлено, что охлаждение масла с помощью пузырьков более эффективно.
Выводы
Предложена новая система охлаждения трансформаторного масла в силовых промышленных трансформаторах с помощью элегазовых пузырьков. В результате проведенных экспериментов выявлено, что охлаждение масла с помощью пузырьков более эффективно.
Результаты экспериментальных исследований показали, что при повторных пробоях неподвижного масла пробивное напряжение снижается из-за накопления продуктов распада масла в разрядном промежутке [9]. Наибольшее пробивное напряжение наблюдается в чистом проточном масле. Наличие пузырьков с элегазом и воздухом снижает пробивное напряжение.
Для повышения эксплуатационного ресурса трансформатора и улучшения температурного режима охлаждаемого оборудования предложен автоматический контроль температуры и давления, посредством регулировки которых возможно осуществить надлежащую работу трансформатора и продлить срок его службы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баширов М.Г., Хисматуллин А.С., Галлямов Р.У. Интегральный критерий оценки технического состояния силовых масляных трансформаторов // Энергетик. 2016. № 7. С. 24-26.
2. Нигматулин Р.И., Филиппов А. И., Хисматуллин А. С. Трансцилляторный перенос тепла в жидкости с газовыми пузырьками // Теплофизика и аэромеханика. 2012. Т. 19 № 5. С. 595-612.
3. Хисматуллин А.С.,Филиппов А.И., Минлибаев М.Р., Серебренников Н.П. Определение коэффициента трансцилляторного переноса при барботаже в жидкости // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. № 4. С. 118-120.
4. Баширов М.Г., Хисматуллин А.С., Переверзев А.И. Установка для охлаждения масляного трансформатора. Патент на полезную модель RUS 167206. Дата регистрации: 20.06.2016.
5. Хисматуллин А.С., Вахитов А.Х., Феоктистов А.А. Система охлаждения трансформаторного масла на основе трансцилляторного переноса тепла //Энергобезопасность и энергосбережение. 2016. № 4. С. 43-46.
6. Хисматуллин А.С., Вахитов А.Х., Феоктистов А.А.Исследование теплопереноса в промышленных силовых трансформаторах с элегазовым охлаждением под воздействием вибрации // Успехи современного естествознания. 2015. № 12-0. С. 173-176.
7. Хисматуллин А.С., Камалов А.Р. Повышение эффективности системы охлаждения мощных силовых трансформаторов // Фундаментальные исследования. 2015. № 6-2. С. 316-319.
8. Гаджиев М.Х., Исакаев Э.Х., Тюфтяев А.С. и др. Электрический пробой трансформаторного масла с пузырьками элегаза и воздуха // Журнал технической физики. 2015. Т. 85. № 7. С 156-158.
9. Хисматуллин А.С. Теоретическое и экспериментальное исследование теплопереноса в жидкости с газовыми пузырьками // Автореф. дис. на соиск. уч. ст. канд. физ.-мат. наук / БГУ. Уфа, 2010.
IMPROVING THE EFFICIENCY OF THE COOLING POWER TRANSFORMERS WITH OIL SULFUR HEXAFLUORIDE
KAMALOV A.P., master of the Department Electrical Equipment and Automation of Industrial Enterprises HISMATULLIN A.G., master of the Department Electrical Equipment and Automation of Industrial Enterprises HAIRULLINA D.D., student of the Department Electrical Equipment and Automation of Industrial Enterprises
HISMATULLIN A.S., Cand. Sci. (Ph.-m.), Assoc. Prof. of the Department Electrical Equipment and Automation of Industrial Enterprises Branch Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (22А/67, Gubkin St., 453250, Salavat, Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: hism5az@mail.ru. ABSTRACT
Presented in the model increase transfer coefficients for the ascent of the gas bubbles in the liquid and carried out experiments to study this phenomenon offered a more effective way of cooling oil transformers. The influence of gas bubbles on the breakdown voltage of transformer oil. The effect of the flow of oil on the electrical characteristics of the breakdown. It is proposed to use as a cooling gas sulfur hexafluoride, since it is superior compared with the air electrical and thermal properties. The results of the studies transport phenomena in the liquid with gas bubbles pop industrial systems with controlled diffusion coefficients and thermal conductivity could be developed. The speed of the transport processes of matter and, consequently, the heat transfer rate can be increased by using "bubbling" - the movement of gas bubbles through the liquid.
The basic idea is that an increase in heat transfer coefficient of heating oil in the transformer will be carried out at the expense of circulation bubbling sulfur hexafluoride through a space filled with oil.
Keywords: transformer, cooling system, sulfur hexafluoride, heat conductivity, thermolysis, transcillatory heat transfer.
REFERENCES
1. Bashirov M. G., Khismatullin A. S., Gallyamov R.U. Integral criterion for assessing the technical condition of power oil transformers. Energetik, 2016, no. 7, pp. 24-26 (In Russian).
2. Nigmatullin R. I., Filippov A. I., Khismatullin A. S., Dominating heat transport in liquid with gas bubbles. Teplofizika i aeromekhanika, 2012, vol. 19, no. 5, pp. 595-612 (In Russian).
3. Khismatullin A. S., Filippov A. I., Minlibayev M. R., Serebrennikov N. P. Determination of coefficient of dominating transfer when bubbling in liquid. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2010, vol. 6, no. 4, pp. 118-120 (In Russian).
4. Bashirov M. G., Khismatullin A. S., Pereverzev A. I. Ustanovka dlya okhlazhdeniya maslyanogo transformatora [Device for cooling of the oily transformer. Patent RF, no. 167206, 2016.
5. Khismatullin A. S., Vakhitov A. H., Feoktistov A. A. The cooling system of transformer oil on the basis of heat transport. Energobezopas-nost' i energosberezheniye, 2016, no. 4, pp. 43-46 In Russian).
6. Khismatullin A. S., Vakhitov A. H., Feoktistov A.A. The study of heat transfer in industrial high-voltage transformers with sulfur hexafluoride cooling under the influence of vibration. Uspekhi sovremennogo yestestvoznaniya, 2015, no. 12-0, pp. 173-176 (In Russian).
7. Khismatullin A. S., Kamalov A.R. Improving the efficiency of the cooling system of power transformers. Fundamental'nyye issledovani-ya, 2015, no. 6-2, pp. 316-319 (In Russian).
8. Gadzhiyev M. H., Isakayev E. H., Tyuftyaev A. S., Akimov P. L., Yusupov D. I., Kulikov Yu. M., Panov V.A. Electrical breakdown of transformer oil with sulfur hexafluoride and air bubbles. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki, 2015, vol. 85, no. 7, pp. 156-158 (In Russian).
9. Khismatullin A.S. Teoreticheskoye i eksperimental'noye issledovaniye teploperenosa vzhidkosti s gazovymi puzyr'kami. Diss. kand. fiz.-mat. nauk [Theoretical and experimental study of heat transfer in a liquid with gas bubbles. Cand. phys. And math. Sci. diss.]. Ufa, 2010.
