CC BY
72
Lavrov Igor Vladimirovich, general director of "EAC PROMEXPERT", prom_exp@mail. ru, Russia, Tula.
УДК 536.24.083
РАСШИРЕНИЕ МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ СИЛОВЫХ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ПОВЫШЕНИЯ НАГРУЗКИ
В.И. Солдатов, И.В. Зайчиков, И.В. Лавров
Описано развитие метода прогнозирования теплового состояния силовых маслонаполненных трансформаторов в предельных режимах эксплуатации по двум тепловизионным обследованиям с целью определения предельной допустимой нагрузки. Дана оценка точности прогнозируемых величин.
Ключевые слова: силовой трансформатор, тепловизионный контроль, прогнозирование теплового состояния, система охлаждения, рассеиваемая мощность, режим эксплуатации.
В статье [1] на примере двух силовых трансформаторов были рассмотрены возможности метода прогнозирования теплового состояния при постоянной нагрузке по двум тепловизионным обследованиям, а так же обозначены условия применяемости с оценкой точности прогнозируемых величин. Были сделаны выводы о повышенных потерях активной части трансформатора Т1 и необходимости ограничить его нагрузочную способность, если повышение нагрузки ожидается в дальнейшем. Используя данные тепловизионных обследований, результаты прогнозирования температурных показателей двух трансформаторов при сохранении нагрузки и введенные обозначения, покажем дальнейшее развитие метода прогнозирования теплового состояния трансформатора в предельных режимах эксплуатации с целью определения предельной допустимой нагрузки.
Под предельными режимами эксплуатации здесь понимается работа трансформатора в условиях высокой температуры окружающего воздуха в летний период Токрз= 35 °С и увеличении нагрузки до максимально допустимого значения.
Рассмотрим тепловое состояние при изменении нагрузки трансформатора. Чтобы оценить, как измениться максимальный нагрев с увеличением нагрузки, рассмотрим установившийся тепловой режим трансформатора, при котором средняя температура поверхности бака остается постоянной. Процесс изменения температуры трансформатора сильно инер-
165
ционный, в силу его массивной конструкции. При резких изменениях температуры окружающего воздуха и нагрузки средняя температура трансформатора будет меняться плавно. Например, при включении трансформатора в работу установившийся тепловой режим наступает спустя 3-6 часов. По этой причине, за время выполнения ТК, которое составляет около 10-15 минут, будем считать режим теплового обмена с окружающей средой установившимся, где скорость притока теплоты от обмоток трансформатора равна скорости отвода теплоты системой охлаждения.
Скорость притока тепла можно описать уравнением:
где:ц- КПД трансформатора, /вн - ток в обмотке высшего напряжения (далее ВН), ивн - напряжение обмотки ВН. Из (1) видно, что скорость притока энергии пропорциональна току и равна рассеиваемой мощности трансформатора.
Скорость оттока тепла выразим из закона охлаждения Ньютона [2,
где 1 - коэффициент теплопередачи, А - площадь поверхности трансформатора, участвующей в охлаждении, Тср - среднее значение температуры поверхности бака трансформатора, Гокр - температура окружающей
среды. Коэффициент теплопередачи 1 характеризует скорость процесса теплопередачи с участием всех трех видов переноса теплоты (теплопроводность, конвекция, излучение) и зависит от геометрии объекта, состояния поверхности, режима теплопередачи и других факторов.
Из уравнений (1) и (2) получаем условие установившегося теплообмена:
Запишем условие (3) для текущей нагрузки трансформатора /вн1 и выбранной более высокой нагрузки / вн2 :
где: Т'Ср - ожидаемая средняя температура поверхности бака при повышенной нагрузке I вн2 •
Из системы уравнений (4) выразим Т с р:
(1)
3]:
(2)
(1 -ц) • иВН • /ВН - 1А • (Тср - Токр ) .
(3)
(1 -Ц) • иВН • /ВН1 - 1А • (Тср - Токр ) (1 -Ц) • ивн • /ВН2 - 1 • (Тср - Токр )
(4)
1ВН2 _ 1 ср 1 окр __ т' _ с (т — Т )+ Т
т ~ т т ^ 1 ср _ ^ ' Т ср 1 окр 1 окр
1ВН1 1 ср 1 окр (5)
1ВН2 _п2
С _
1ВН1 п1
или, с учетом линеиного закона изменения средней температуры от температуры воздуха [1, уравнение (5)]:
г С ■ (кх + к2) _ с +Л . т + С ' (Ь1 + Ь2)
• окр 2
Т' _ 1 ср
V 2
■ Токр + ^ . (6)
Прямая с', соответствующая зависимости ожидаемой средней температуры поверхности бака при повышенной нагрузке трансформатора от температуры окружающего воздуха (6), показана на рисунке.
Коэффициент С характеризует относительное изменение нагрузки трансформатора, выраженный через отношение токов или отношение нагрузок, записанных в процентах относительно номинальной нагрузки.
Известно, что с ростом средней температуры поверхности бака трансформатора уменьшается перепад температуры по высоте (разница Тв и Тн). Выразив температуру воздуха Токр из зависимости изменения
средней температуры поверхности бака от температуры воздуха [1, уравнение (5)] и подставив ее в выражение, определяющее изменение перепада температуры по высоте бака от температуры окружающего воздуха [1, уравнение (4)], найдем зависимость перепада температуры по высоте от средней температуры поверхности:
АТИ = 2 ■(к1 -к2) ■ т + 2 ■ (Ь1к2 -Ь2к1>. (7)
к1 + к 2 р к1 + к 2
Тогда ожидаемое значение перепада температуры по высоте АТ/, получается подстановкой Т с р в (7):
С ■ (к1 + к2 - 2) ■ (к1 - к2 ) + 2 ■ (к1 - к2 ) к1 + к2
а гт> _С ЧЛ1-г к 2~2)'(К1~ к 2)^2'(к1_ к 2) гт ,
^1 к 1.1 ' ^окр +
+
. (8)
С ■ (к1 - к2 ) ■ (Ь1 + Ь2 ) + 2 ■ (Ь1к2 - Ь2к1) к1 + к2
Зная Тср (6) и АТ/ (8), получаем ожидаемые значения температур
верхней и нижней поверхностей трансформатора (прямые а' и Ь на рисунке):
тв= тср +; тн= тср-^. (9)
Согласно (6), (8) и (9), при средней максимальной летней температуре Токрз = 35 °С, нагрузке 40 % от номинальной и отключенном принудительном охлаждении, ожидаемые средние значения температур поверх-
ностей баков трансформаторов Т1 и Т2, будут составлять 105,9 °С и 88,7 °С соответственно, а максимальные значения температур верхних поверхностей бака - 115,5 °С и 93,7 °С (точки Т^рз и Твз на рисунке).
Линейные зависимости температуры поверхности бака от температуры окружающей среды при различных нагрузках трансформатора: а - Т1; б - Т2
Погрешность ожидаемых значений максимальных температур Тв'з можно оценить по следующей формуле:
- Т_„ )
(10)
А2 _ 2С ^ (Тв1 — Тв2) ■д1,
Т в1 — Тв 2 + Т н1 — Т н2 где А\ - погрешность прогнозируемых значений Твз при постоянной нагрузке [1, выражение (6)].
Из (10) видно, что погрешность прогнозируемых величин растет с увеличением нагрузки, для которой проводиться прогноз теплового состояния объекта. В связи с этим, изменение нагрузки (коэффициент С) следует выбирать не очень большим.
С учетом погрешностей, вычисленных по формуле (10), ожидаемые максимальные значения температур поверхностей баков трансформаторов Т1 и Т2 можно записать:
Твз Т1 = 115,5 ± 14,3 °С, Твз Т2 = 93,7 ± 13,1°С. (11)
Таким образом на основании полученных значений (11), текущего состояния поверхности и технического состояния системы охлаждения, нагрузку трансформатора Т1 следует ограничить 40 % от номинальной нагрузки, т.к. прогнозируемая температура верхних слоёв масла превысит 95 °С при неисправном (неполном) принудительном охлаждении, а нагрузку трансформатора Т2 можно не ограничивать.
Заключение
На примере двух силовых трансформаторов было показано дальнейшее развитие метода прогнозирования теплового состояния трансформатора в предельных режимах эксплуатации с целью ограничения текущей максимальной эксплуатационной нагрузки. Дана оценка точности прогнозируемых величин.
Список литературы
1. В.И. Солдатов, И.В. Зайчиков, И.В. Лавров "Метод прогнозирования теплового состояния силовых маслонаполненных трансформаторов в зависимости от температуры окружающей среды при постоянной эксплуатационной нагрузке" // Тульские известия №8 Технические науки, Тула, 2013.
2. Гавра Г. Г., Михайлов П. М., Рис В. В. Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов компрессорных установок. Учебное пособие. Л., ЛПИ, 1982, 72 с.
3. Виноградов С.Н. и др. Выбор и расчет теплообменников. Учебное пособие. Пенза., ПГУ, 2001, 100 с.
Солдатов Владимир Иванович, соискатель кафедры газовой динамики, wise_v@bk.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Зайчиков Игорь Вячеславович, канд. техн. наук, доцент, zigorwm@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Лавров Игорь Владимирович, генеральный директор
ООО «ИАЦ ПРОМЭКСПЕРТ», _prom_exp@mail.ru, Россия, Тула.
EXTENSION OF THE METHOD OF PREDICTION OF THE THERMAL STATE OF THE
OIL-FILLED POWER TRANSFORMERS, DEPENDING ON THE AMBIENT TEMPERA TURE AND LOAD INCREASE.
V.I. Soldatov, I. V. Zaychikov, I. V. Lavrov 169
Describes the development of a method of forecasting the thermal state of oil-filled power transformers in extreme operating conditions for two thermal imaging surveys to determine the maximum allowable load. The estimation of the accuracy of predicted values.
Key words: power transformer, thermal control, forecasting thermal condition, cooling system, power dissipation, operating mode.
Soldatov Vladimir Ivanovich, competitor of the department gas dynamics, wise_v@bk.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Zaychikov Igor Vyachislavovich, candidate of technical science, docent, zi-gorwm@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Lavrov Igor Vladimirovich, general director of "EAC PROMEXPERT",
prom_exp@,mail. ru, Russia, Tula.
УДК 62-552.7:001.891.55
СПОСОБЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ ПНЕВМОАРМАТУРЫ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ
С.К. Тусюк, Е.М. Халатов
Рассматриваются способы экспериментального определения силы сухого трения на подвижных звеньях регулирующей пневмоарматуры. Приводятся схемы и методики измерений, дается сравнительный анализ и результаты экспериментов по измерению сил трения конкретных образцов изделий.
Ключевые слова: регулирующая пневмоарматура, сила сухого трения, способ и методика эксперимента.
Одним из наиболее важных обобщенных параметров, входящих в математическое описание функционирования и условия работоспособности изделий регулирующей пневмоарматуры и оказывающих влияние на их статистические и динамические характеристики, является сила «сухого трения» на подвижных звеньях. Значение силы «сухого трения» зависит от множества параметров: геометрических размеров, шероховатости и физико-механических свойств контактирующих поверхностей, наличия или отсутствия смазки и ее свойств, температуры, скорости движения, давления, времени «выстоя», наработки (времени работы) и т.п.
Установление аналитических зависимостей силы «сухого трения» от перечисленных параметров и факторов представляет значительные трудности. Один из путей получения модели силы «сухого трения» - про-
