Совершенствование методик теплового расчета силовых масляных трансформаторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат наук Трякин, Александр Олегович

• Трякин, Александр Олегович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Трякин, Александр Олегович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА СИЛОВЫХ МАСЛЯНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

1.1. Конструкции силовых масляных трансформаторов и основных типов систем охлаждения

1.1.1. Конструкция силового масляного трансформатора

1.1.2. Конструкция и условия теплообмена обмоток

1.1.3. Преимущества и недостатки основных видов систем охлаждения

1.2. Тепловые процессы в силовом масляном трансформаторе

1.2.1. Источники тепловых потерь

1.2.2. Особенности процесса теплопередачи

1.2.3. Нормы нагрева частей конструкции и масла

1.2.4. Влияние температуры изоляции при эксплуатации на надежность работы трансформатора

1.3. Анализ теоритических и эмпирических методов теплового расчета силового масляного трансформатора

1.3.1. Общие сведения

1.3.2. Методы теплового расчета

1.3.3. Анализ методик теплового расчета катушечных обмоток

1.3.4. Анализ методик теплового расчета цилиндрических обмоток

1.3.5. Анализ методик теплового расчета систем внешнего охлаждения

1.4. Выводы по главе

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИЛОВОГО МАСЛЯНОГО ТРАНСФОРМАТОРА С СИСТЕМАМИ ОХЛАЖДЕНИЯ М, Д И НДЦ ДЛЯ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ

2.1. Математическая модель силового масляного трансформатора с

системами охлаждения М и Д

2.1.1. Описание математической модели

2.1.2. Структура математической модели

2.1.3. Тепловой поток бака и радиаторов

2.1.4. Расчет гравитационного давления в обмотках

2.1.5. Расчет падения напора в радиаторах

2.1.6. Расчет коэффициента гидравлического сопротивления обмотки

2.2. Математическая модель силового масляного трансформатора с системой охлаждения НДЦ

2.3. Математическая модель обмотки силового масляного трансформатора

2.3.1. Описание модели обмотки

2.3.2. Расчет давлений и скоростей потоков масла в каналах обмотки

2.3.3. Расчет температур масла в каналах обмотки

2.3.4. Расчет температур наиболее нагретых точек катушек

2.4. Алгоритм теплового расчета силового масляного трансформатора

2.4.1. Структура теплового расчета силового масляного трансформатора

2.4.2. Рекомендации по тепловому расчету силового масляного трансформатора методом СРБ

2.5. Выводы по главе

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ

МАСЛЯНОГО ТРАНСФОРМАТОРА И УРОВНЯ НАГРУЗКИ НА

ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ В УСТАНОВИВШЕМСЯ

РЕЖИМЕ

3.1. Общие сведения

3.2. Анализ влияния параметров конструкции и высоты установки радиаторов системы охлаждения на температуру слоев масла трансформатора

3.3. Исследование влияния уровня нагрузки на тепловое состояние трансформатора в установившемся режиме работы

3.4. Исследование зависимости параметров теплового состояния

трансформатора от гидравлического сопротивления обмоток

3.5. Выводы по главе

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕПЛОВЫХ ИСПЫТАНИЙ СИЛОВЫХ

МАСЛЯНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

4.1. Анализ результатов теплового испытания силового масляного трансформатора с системой охлаждения М с направляющими перегородками в обмотке

4.2. Анализ результатов тепловых испытаний силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения М, Д и НДЦ

4.3. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методик теплового расчета силовых масляных трансформаторов»

ВВЕДЕНИЕ

Силовые масляные трансформаторы являются важнейшими элементами электротехнических установок, от качества и надёжности функционирования которых зависит качество распределяемой электрической энергии. Выход из строя трансформатора приводит к высоким техническим и экономическим затратам в процессе эксплуатации.

Одним из важнейших факторов, влияющих на качество и надёжность работы силовых масляных трансформаторов, является их эффективное охлаждение. Самым распространенным способом эффективного охлаждения трансформатора является применение систем типов М (естественная конвекция масла и воздуха), Д (естественная конвекция масла и принудительная циркуляция воздуха) и НДЦ (принудительная направленная циркуляция масла), а для снижения температуры наиболее нагретой точки обмоток в них применяются дополнительные осевые каналы и барьеры для направления потоков масла.

Среди российских и зарубежных ученых, которые внесли значительный вклад в исследование тепловых процессов в трансформаторах и охлаждения электрических машин можно отметить Киша JL, Тарле Г. Е., Годунова А. М., Готтера Г., Бородулина Ю.Б., Бунина А.Г., Конторовича JI.H., Бутовского В.М., Попова Г.В., Комкова Е.Ю., Дулькина И.Н., Montsinger, Oliver A. J., Seitlinger Walter и других. В работах этих авторов решаются задачи теплового расчета масляных трансформаторов.

Анализ научных работ показал, что вопросы теплового расчета силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения типов М, Д и НДЦ с конструкцией обмоток сложной формы с дополнительными осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла, недостаточно изучены.

Методы теплового расчета, основанные на использовании усреднённых

экспериментальных данных или на использовании принципа

термогидравлических цепей, применяют из-за простоты и удобства расчета, но

они имеют ряд недостатков. Существенным ограничением в их применении

5

является то, что для трансформаторов с использованием конструкции обмоток сложной формы с дополнительными осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла погрешность результатов теплового расчета может достигать нескольких десятков процентов, особенно при условиях естественной конвекции масла. Дополнение и расширение методик для учета новых конструкций обмоток или систем охлаждения приводит к значительным временным, финансовым (изготовление моделей, испытания) и трудовым затратам.

Наиболее точные теоретические методы полевого моделирования тепловых, гидростатических и гидродинамических полей, например СББ моделирования, требуют большого объёма экспериментальных данных, дорогого специализированного программного обеспечения и значительных временных затрат на расчет. Методы полевого моделирования не позволяют проводить полный анализ влияния конструктивных параметров на тепловое состояние трансформатора. Это не позволяет широко использовать эти технологии расчета в условиях конструкторских и проектных подразделений производителей трансформаторного оборудования.

Поэтому важной научной задачей является совершенствование и развитие методик теплового расчета, учитывающих конструкцию обмоток сложной формы с дополнительными осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла, с целью повышения эксплуатационных характеристик силовых масляных трансформаторов путем модернизации конструктивных параметров систем охлаждения и обмоток.

Цель работы: повышение эксплуатационных характеристик силовых масляных трансформаторов с конструкцией обмоток сложной формы путем модернизации конструктивных параметров систем охлаждения и обмоток на основе разработки уточнённых методик теплового расчета.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Критический анализ существующих отечественных и зарубежных методов теплового расчета силовых масляных трансформаторов и перспектив их развития.

2. Разработка математических моделей теплового расчета стационарных режимов работы силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения типов М, Д и НДЦ с возможностью учета конструкций обмоток сложной формы с дополнительными осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла.

3. Формирование на основании исследования математических моделей рекомендаций: по выбору конфигурации расположения радиаторов систем охлаждения типов М и Д; по определению допустимых превышений уровня нагрузки, а также, по выбору параметров конструкции обмоток, в том числе сложной формы.

4. Проведение экспериментальных исследований опытных образцов силовых масляных трансформаторов для проверки адекватности предложенных математических моделей и расчетных зависимостей.

Методы исследования. В работе использовались методы термогидравлических цепей, классической теории гидродинамики и теплообмена. Реализация и расчет моделей осуществлялось в средах математического моделирования МаШСаё и САПРТОН.

Научная новизна определяется тем, что в работе совершенствуются методы теплового расчета, решаются задачи их математического моделирования с целью повышения эксплуатационных характеристик силовых масляных трансформаторов.

В работе в указанном направлении получены следующие научные результаты:

1. Математические модели теплового расчета стационарных режимов

работы силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения типов М,

Д и НДЦ, отличающиеся тем, что непосредственно учитывают гидравлическое

7

сопротивление обмоток и конструкции обмоток сложной формы с дополнительными осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла, позволяющие определить рациональные конструкции и их параметры.

2. Математическая модель теплового расчета обмоток, отличающаяся тем, что позволяет расчетным путем получить температуры катушек, температуру масла и скорости потоков масла в каналах обмотки, в том числе конструкций сложной формы, для силовых масляных трансформаторов со всеми типами систем охлаждения с естественной и принудительной циркуляцией масла.

3. Рекомендации по рациональным конструкционным параметрам трансформаторов: конфигурации расположения радиаторов систем охлаждения М и Д; параметрам конструкции обмоток, в том числе сложной формы.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

1. Уточненная методика теплового расчета позволила повысить точность расчета температур средних, нижних и верхних слоев масла силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения типов М, Д и НДЦ и с конструкцией обмоток сложной формы с дополнительными осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла.

2. Математическая модель теплового расчета обмоток, в том числе с конструкциями сложной формы, позволила повысить точность расчета температуры наиболее нагретой точки и исключить недопустимый перегрев и повысить срок службы изоляции трансформаторов со всеми типами систем охлаждения с естественной и принудительной циркуляцией масла.

3. На основе выявленных связей параметров конструкции обмоток, высоты установки радиаторов и уровня нагрузки с тепловыми параметрами определены рациональные конструкции трансформаторов.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, подробной оценкой и научным обоснованием принятых допущений и подтверждается результатами экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации приняты к использованию в ООО «Сервисный центр - Тольяттинский Трансформатор» г.Тольятти при проведении работ по модернизации систем охлаждения силовых масляных трансформаторов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на IV Международной научно-технической конференции: «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии»; XIX Всероссийской научно-технической конференции: «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность»; Всероссийском конкурсе научных работ студентов, магистрантов и аспирантов (г.Тольятти, 29 ноября 2011 года).

Публикация результатов. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, три из которых входят в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели теплового расчета стационарных режимов работы силовых масляных трансформаторов с системами охлаждения типов М, Д и НДЦ, учитывающие гидравлическое сопротивление обмоток и конструкции обмоток сложной формы с дополнительными осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла.

2. Математическая модель расчета температур обмоток, позволяющая расчетным путем получить температуры катушек, температуру масла и скорости потоков масла в каналах обмотки, в том числе с конструкцией сложной формы, для распространённых типов систем охлаждения силовых масляных трансформаторов с естественной и принудительной циркуляцией масла.

3. Функциональные зависимости, устанавливающие взаимосвязи параметров конструкции обмоток и радиаторов с тепловым состоянием масляного трансформатора.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 144 страницы, 48 рисунков, 23 таблицы. Список использованной литературы включает 95 наименований. В общее количество листов входят 2 приложения на 4 страницах.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, проведен анализ научных публикаций по выбранной проблеме, определены цели, задачи, методы исследований и основные научные результаты, выносимые на защиту, изложена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе диссертации изложен обзор состояния исследуемого вопроса. Проанализированы конструкции масляных трансформаторов и основных типов систем охлаждения. Рассмотрены тепловые процессы в силовом масляном трансформаторе и прописаны нормы нагрева частей конструкции и масла. Проведен анализ существующих методов теплового расчета силового масляного трансформатора.

Установлено, что наиболее распространены системы охлаждения типов М и Д, как наиболее эффективные для трансформаторов низких и средних мощностей и простые по конструктивному исполнению. Система охлаждения типа НДЦ широко применяется для эффективного охлаждения мощных трансформаторов, но имеет относительно сложную конструкцию и высокую стоимость. Системы охлаждения типов ДЦ и Ц в данной работе не рассматриваются.

Для значительного снижения температуры наиболее нагретой точки обмотки силового масляного трансформатора широко применяют следующие два конструктивных решения:

1. Применение барьеров для направления потоков масла в обмотке.

2. Применение дополнительных осевых каналов в обмотке.

Выявлено, что ряд существующих методов теплового расчета

трансформатора, основанных на использовании усреднённых эмпирических

ю

данных, применяют из-за простоты и удобства, но они имеют ряд недостатков. Существенным ограничением в применении методик расчета такого типа является то, что для силовых трансформаторов с использованием обмоток сложной формы: с дополнительными осевыми каналами и барьерами для направления потоков масла погрешность результатов теплового расчета может достигать десятков процентов относительной погрешности, особенно при условиях естественной конвекции масла. Дополнение и расширение методик для учета новых особенностей конструкций обмоток или систем охлаждения приводит к значительным временным, финансовым (изготовление моделей, испытания) и трудовым затратам.

Наиболее точные теоретические методы полевого моделирования тепловых, гидростатических и гидродинамических полей, например СБО моделирования, требуют дорогого специализированного программного обеспечения, значительных временных затрат на расчет и большого объёма исходных экспериментальных данных. Методы полевого моделирования не позволяют проводить полный анализ влияния конструктивных параметров на тепловое состояние трансформатора. Что не позволяет широко использовать эти технологии расчета в условиях конструкторских и проектных подразделений производителей трансформаторного оборудования.

Во второй главе рассмотрены и разработаны: методики теплового расчета масляного трансформатора с системами охлаждения типов М, Д и НДЦ; методика теплового расчета обмоток сложной формы: с направляющими перегородками и дополнительными осевыми каналами; алгоритм теплового расчета силового масляного трансформатора с системами охлаждения типов М, ДиНДЦ.

Согласно физике процессов теплопередачи и естественной конвекции масла в системе трансформатора, закона теплового и энергетического баланса, для определения распределения температур масла в баке разработана математическая модель масляного трансформатора для систем охлаждения типов М и Д.

Из полученной системы уравнений могут быть найдены: температура верхних слоев масла трансформатора; осевой перепад температуры масла в обмотках и радиаторах; массовый расход масла через каждую обмотку и систему охлаждения, создаваемый при условиях естественной конвекции.

Для установившегося режима работы трансформатора с системой охлаждения типа НДЦ составлено уравнение теплового баланса, из которого можно определить превышение температуры средних слоев масла относительно охлаждающей среды.

Разработана математическая модель обмотки, учитывающая наличие осевых охлаждающих каналов или барьеров для направления циркуляции масла, с целью расчета температуры наиболее нагретой точки. В модели учитываются:

1. Потери давления, обусловленные гидравлическим сопротивлением на вязкое трение масла в каналах, по формуле Дарси — Вейсбаха.

2. Потери давления, обусловленные местными гидравлическими сопротивлениями.

3. Подъемная сила, действующая из-за разности плотностей между соседними узлами модели.

4. Дополнительное сопротивление вертикального канала за счет регулярной шероховатости, образованной выступами прокладок.

Алгоритм теплового расчета масляного трансформатора условно разбит на 3 последовательных этапа:

1. Расчет коэффициентов гидравлического сопротивления каждой обмотки для систем охлаждения типов М и Д, гидравлический расчет - для НДЦ.

2. Общий балансовый расчет трансформатора с системой охлаждения для определения распределения температур масла, а также массовых расходов масла через каждую обмотку и каждый элемент конструкции трансформатора для систем охлаждения типов М и Д.

3. Расчет обмоток для определения температур наиболее нагретых точек и распределения температуры масла по высоте обмотки.

В третьей главе представлены основные результаты теоретического исследования влияния конструкции масляного трансформатора и уровня нагрузки на тепловое состояние в установившемся режиме работы.

В качестве объекта исследования принята модель масляного трансформатора ТДН-40000/110 с системой охлаждения типа Д.

Выявлено, что установка радиаторов для систем охлаждения М и Д на высоту 0,25-Ю,75 м выше середины высот обмоток дает наиболее низкие значения температур масла, как превышений верхних слоев масла над охлаждающей средой, так и осевых падений температур в обмотках и радиаторах. При применении системы охлаждения типа НДЦ, с принудительной циркуляцией, высота установки радиаторов или охладителей не оказывает значительного влияния на тепловое состояние трансформатора.

Установлено, что увеличение теплового потока радиаторов благоприятно сказывается на тепловых параметрах работы трансформатора, так как происходит более интенсивный отвод тепла в охлаждающую среду.

Рекомендуемое значение коэффициента нагрузки необходимо принимать в пределах 0,9-Н ,3, так как при таких значениях температуры наиболее нагретых точек трансформатора не превышают допустимых.

При большом значении коэффициента гидравлического сопротивления наблюдается повышение температур верхних слоев масла, падения осевых температур масла в обмотках и, следовательно, ухудшения условий охлаждения соответствующих обмоток.

В четвертой главе представлены основные результаты экспериментальных исследований тепловых испытаний силовых масляных трансформаторов. Даны сравнения экспериментальных и расчётных тепловых параметров трансформаторов.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА СИЛОВЫХ МАСЛЯНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

В настоящей главе проводится анализ методов теплового расчета и перспектив их развития. Проанализирована конструкция масляных трансформаторов и основных типов систем охлаждения, отмечены их недостатки и преимущества. Рассмотрены тепловые процессы в масляном трансформаторе, необходимые для разработки математических моделей теплового расчета.

1.1. Конструкция силовых масляных трансформаторов и основных типов

систем охлаждения 1.1.1. Конструкция силового масляного трансформатора.

Силовой масляный трансформатор класса напряжения 35+750 кВ и мощностью 2500+400000 кВ А - сложное электротехническое устройство, состоящее из большого числа узлов, деталей и металлоконструкций [67]. Основными частями трансформатора являются магнитная система (магнитопровод), обмотки и бак, в который погружена активная часть, на бак установлены радиаторы или охладители (рис. 1.1).

Магнитная система в собранном виде с соединяющими ее деталями, обмотками, отводами, элементами переключающего устройства и деталями для их механического крепления и ярмовыми балками образует активную часть трансформатора.

Активная часть состоит из магнитной системы, обмоток, крепежных элементов металлоконструкции, изолирующих конструктивных элементов, переключающего устройства напряжения и отводов.

Активную часть масляного трансформатора помещают в бак, заполняемый трансформаторным маслом, являющимся основной изолирующей средой и теплоносителем в системе охлаждения. Если предусмотрено системой регулирования напряжения, вне бака или внутри устанавливают переключающее устройство [63].

Расширитель

Отводы

Обмотки: НН, ВН

Вводы: НН, ВН

Переключающее устройство РПН

Радиаторы

Прямоугольный бак

Магнитопровод

Ярмовые балки

Моторный приво,

Рисунок 1.1 - Трансформатор ТДН-80000/110-У 1.

На баке размещают охладители, приводной механизм РПН, контакторы переключающего устройства, а также термосифонный фильтр, коробки контактных соединений для приборов контроля и сигнализации. Крышку бака используют для установки вводов, расширителя и предохранительной трубы. Расширитель предназначен для компенсации колебания уровня масла в баке при изменении нагрузки и температуры окружающей среды. Расширитель всегда размещают выше уровня крышки [48].

В трубопровод расширителя помещают газовое реле, реагирующее на выделение газа при повреждении в активной части трансформатора [8, 23, 88].

В крышке установлены гильзы для датчиков термосигнализаторов, измеряющих температуру верхних слоев масла трансформатора. Термосигнализатор имеет электроконтактное устройство, которое включается при заранее заданной температуре. Контакты термосигнализатора включают сигнальную или иную цепь, предупреждая обслуживающий персонал о недопустимом превышении температуры масла в трансформаторе [16].

1.1.2. Конструкция и условия теплообмена обмоток.

Поверхности теплообмена в трансформаторе имеют разнообразные

конфигурации и расположения относительно друг друга, часть поверхностей

15

недоступна свободному доступу масла. Тепловой поток, возникающий в обмотках и магнитопроводе, отводится в окружающую среду по сложному пути, состоящему из нескольких участков [53 с. 21].

В зависимости от конструкции обмотки, наблюдаются различные условия теплообмена. С точки зрения конструкции и условий теплообмена обмотки разделяют на два типа: катушечные и цилиндрические [53 с. 29-31].

Р 0'

□

□

□ □ □

ш

а)

□

п

6)

III

111 |||

1П1 1Г-»1

I1

И

ЧгтГ'

б)

г)

а

ТТТ

д)

1 2

п

П

тт

ш

ш

6)

ТТТТТТ

ж

' г-1

I I I I I I |

3)

д шп.

ИШт

г1" III 1 Н II

3

44-11

1111 Н II

и.)

К)

Рисунок 1.2 - Сечения обмоток различной конструкции, а-в) Слоевые обмотки; г-з) Катушечные обмотки; и-к) Катушечные обмотки с осевыми

каналами.

1- катушка; 2- осевой масляный канал; 3- горизонтальный канал (образован с помощью

межкатушечных прокладок).

В катушечных обмотках группы проводов обычного, подразделённого или транспонированного типа дистанцируются между собой по высоте обмотки с помощью прокладок из электрокартона (рис. 1.2 г-к, 1.3 - 1.9). Прокладки размещены с определённым шагом по окружности на поверхности катушек, создавая горизонтальные охлаждающие каналы между ними. Вертикальные охлаждающие каналы образуются расположенными возле обмотки вертикальными изоляционными цилиндрами из электрокартона или бакелита.

Между изоляционными цилиндрами и поверхностью обмоток устанавливаются вертикальные рейки из клееного электрокартона, фиксирующие также положение прокладок между катушками. Эскиз магнитопровода, обмоток и группы катушек показан на рис. 1.3 [30].

/

и шиш пи ы и ими шин и

1111 К) Ш! 11111111111)111! 1111! 11Г

1111Ш111 МИН 111111^1111111ПIII

1111111 ншшшшпшшмш

1!Ш1||1|1|1|1|||1Ш!Ш|1И!Ш!

ншншншишшшинпш

шшшштщщщиш]/

II11» 1111 НИИ 111111IIIIIIIII11111

111|||НИ1 ШИШИ 11111 ШИШИ

ШИШИ П1|1|11111||1111Ш1111111

/

8

б)

а)

Рисунок 1.3- Схема активной части трёхфазного двухобмоточного трансформатора.

а) активная часть; б) группа катушек обмотки с каналами охлаждения. 1 - нижнее торцевое ярмо магнитной системы; 2 - верхнее торцевое ярмо магнитной системы; 3 - стержень магнитной системы, 4 обмотка низшего напряжения; 5 - обмотка высшего напряжения; 6- катушки обмотки; 7- вертикальный канал охлаждения; 8 -горизонтальный канал охлаждения между катушками.

Рисунок 1.4 - Общий вид катушечной обмотки на сборочной операции (обмотка ВН ТДЦ-80000/110-У1: 96 катушек, 20 полей (Т-образных реек), провод ПБУ).

Межкатушечная / прокладка; канал

каналы

Рисунок 1.5 - Катушечная обмотка с направляющими перегородками.

Если для группы катушек между поверхностью прилегающих цилиндров и катушками устанавливаются дополнительные перегородки, то это означает, что в обмотке созданы условия для улучшенного теплообмена за счёт лабиринтного движения масла (рис. 1.5, 1.6 6).

Для улучшения теплообмена по всей высоте обмоток выполняют дополнительные осевые каналы (рис. 1.2 и-к, 1.7-1.9).

Способ направления потока масла без направляющих элементов может выполняться для обмоток, имеющих симметричное и несимметричное конструктивные исполнения (рис. 1.2 г-к, 1.3, 1.4, 1.6 а - 1.9). При этом ввод осевых каналов благоприятно сказывается на охлаждении обмотки [25].

По способу направления охлаждающего масла внутри катушечных обмоток их можно подразделять на следующие типы [53 с. 29-31]:

а) Обмотки без перегородок. Катушечные обмотки без перегородок имеют направленное движение масла только в вертикальных охлаждающих каналах между обмоткой и изоляционными цилиндрами (рис. 1.6 а), без направленного движения масла в прилегающих к катушкам горизонтальных охлаждающих каналах.

Движение теплоносителя

а б

Рисунок 1.6 - Схема принудительной направленной циркуляции масла в обмотках, а) конструкция без перегородок; б) конструкция с перегородками. 1- цилиндр; 2- обмотка; 3- перегородка.

б) Обмотки с направляющими перегородками. В данном случае в обмотках для интенсификации теплообмена установлены направляющие перегородки, поочередно перекрывающие внутренний и наружный вертикальные охлаждающие каналы между обмоткой и изоляционными цилиндрами (рис. 1.5 и 1.6 б). Таким образом, поток масла попадает из одного вертикального канала в другой через горизонтальные охлаждающие каналы, создавая в них направленное движение.

В горизонтальных каналах каждого хода (совокупности горизонтальных каналов между двумя перегородками) масло движется в одном направлении. Высота горизонтального канала между перегородкой и прилегающей к ней катушкой составляет не менее 2 мм [53 с. 29].

Применение направляющих элементов имеет следующие недостатки:

- производство усложняется, затраты увеличиваются;

- масляные уплотнители и направляющие элементы из-за усадки обмотки могут повредиться;

- увеличивается гидродинамическое сопротивление обмотки.

Преимущества этого способа охлаждения обмотки:

ШгВДЩ]'

Ж -- т

тг! Ш1

ШШПИ

шщт*

- число параллельных ходов для масла можно изменять в широком диапазоне, т. е. становится возможным регулирование гидравлических характеристик;

- коэффициент теплоотдачи и коэффициент заполнения обмотки могут быть увеличены;

- снижение температуры наиболее нагретой точки обмотки.

в) Обмотка с дополнительными осевыми каналами. Катушечные обмотки, в которых для увеличения интенсивности теплообмена имеются дополнительные осевые каналы шириной не менее 5,5 мм по радиальной ширине катушек [53 с. 29]. Количество дополнительных каналов зависит от радиальной ширины катушек (рис. 1.2 и-к, 1.7 - 1.8). Катушки с дополнительными каналами могут располагаться не по всей высоте обмоток, а только в зоне катушек с наибольшими потерями для снижения превышения температур наиболее нагретых точек.

Недостаток применения в обмотке дополнительных осевых каналов заключается в снижении электродинамической устойчивости, а также в усложнении технологического процесса намотки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Трякин, Александр Олегович, 2015 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Азбукин Ю. И., Тарле Г. Е., Уринцев Я. С. Итоги и перспективы модернизации электроэнергетического оборудования.- В кн.: Модернизация электроэнергетического оборудования. М., «Энергия», 1971.

2. Андреев В. А. Теплообменные аппараты для вязких жидкостей. М., Госэнергоиздат, 1969.

3. Андреев В. А. Теплообменные аппараты для вязких жидкостей.- М.: Госэнергоиздат, 1961.

4. Андреев М. М., Берман С. С., Буглаев В. Т., Костров X. Н. Теплообменная аппаратура энергетических установок. М., ГНТИ машиностроительной аппаратуры, 1963.

5. Береза В. Л., Кохан П. Г. Оценка добавочных потерь в силовых трансформаторах.- «Электротехника», 1973, № 3.

6. Бернштейн И. Я. Нагрев и охлаждение трансформаторов.- «Энергетика за рубежом», сер. «Трансформаторы», вып. 5. М., Госэнергоиздат, 1960.

7. Бернштейн И. Я. Лейтес Л. В. Нагрев и охлаждение трансформаторов.-Энергетика за рубежом, сер. «Трансформаторы», вып. 5.- М.: Госэнергоиздат, 1963.

8. Бернштейн И. Я., Лейтес Л. В. Трансформаторостроение за рубежом.-«Энергетика за рубежом», сер. «Трансформаторы», вып. 1. М., Госэнергоиздат, 1958.

9. Борю Ю. И., Краснов А. И., Кобзарев Ю. Д. Форсирование охлаждения силовых трансформаторов с дутьевым охлаждением при помощи дополнительных цирку ляционно-дутьевых охладителей.- «Электрическая промышленность», сер. «Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы». М., Информэлектро, 1971, вып. 6.

10. Борю Ю. И., Краснов А. И., Кобзарев Ю. Д. Форсировка охлаждения силовых масляных трансформаторов в длительных аварийных режимах.

Материалы научно-технического совещания по трансформаторостроению (Тольятти, 1969). М., 1969.

11. Васильченко Ю. А. Охлаждение трансформаторов с насосным побуждением циркуляции. Материалы научно-технического совещания по трансформаторостроению (Тольятти, 1969). М., 1969.

12. Васютинский С. Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. М., «Энергия», 1970.

13. Воеводин И.Д., Михайловский Ю.А., Черноготский В.М., Швидлер А.Б., Тарле Т.Е., Люблин И.Ш. Методы расчёта превышений температуры обмоток силовых трансформаторов // Трансформаторы: Перенапряж. и координация изоляции. Пер. докл. Междунар. конф. по болыи. электр. системам СИГРЭ - 84. -М.. - 1986. -С. 190-198.

14. Глейзер В. А. Реконструкция трансформаторов с повышением их мощности.- в кн.: Передовые методы ремонта трансформаторов. М., «Энергия», 1967.

15. Голунов А. М. Охлаждающие устройства масляных трансформаторов. -М.: Энергия, 1964.

16. Гончарук А. И. Расчет и конструирование трансформаторов. М.: Энергоатомиздат. - 1990. - 8-9 с.

17. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы (и автотрансформаторы) силовые. Общие технические требования.

18. ГОСТ 14209-97. Трансформаторы (и автотрансформаторы) силовые масляные. Нагрузочная способность.

19. ГОСТ 3484. Трансформаторы силовые. Методы испытаний.

20. ГОСТ 8865. Системы электрической изоляции. Оценка нагревостойкости и классификация.

21. Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин: Пер. с нем. Под ред. В.В. Мальцева - М.: Госэнергоиздат, 1961.

22. Дулькин И.Н., Люблин И.Ш. Метод теплового расчета обмоток силовых масляных трансформаторов // Электротехника. - 1997. - №2. - С. 16 - 22.

23. Дымков А. М. Расчет и конструирование трансформаторов. «ВЫСШАЯ ШКОЛА» Москва —1971.

24. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1992.

25. Киш Л. Нагрев и охлаждение трансформаторов / Пер. с венгерского. Под ред. Г.Е. Тарле. - М.: Энергия, 1980. - 208 е., ил. - (Трансформаторы; Вып. 36).

26. Козлов В.В. Пщвшценн ефективност1 примусового охолодження високовольтних масляних трансформатор1в: Автореф. дис... канд. техн. наук: 05.09.01 /; Нац. техн. ун-т "Харк. полггехн. ш-т". - X., 2004. - 19 с.

27. Комаров В.В. Особенности теплового расчёта многоступенчатых систем охлаждения, ват «украшський науково-дослщний проектно-конструкторський та технолопчний шетитут трансформаторобудування».

28. Кохан П. Г. Определение суммарных потерь в элементах конструкции трансформатора.- «Электротехническая промышленность», сер. «Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы», Информэлектро, 1972, вып. 2(11).

29. Кружилин Г. И., Исследование теплового пограничного слоя, ЖТФ, т. IV, вып. 3, 1936.

30. Круковский П.Г. Яцевский В.А. CFD - моделирование тепловых режимов обмоток и групп катушек силовых масляных трансформаторов с системой охлаждения. // Электротехника. - 1997. - №4.

31. Кучерявая И.Н. Численное исследование влияния различных факторов процесса теплообмена на эффективность охлаждения трансформаторно-выпрямительных модулей // Техн. електродинамша. - 2000. - № 3. - С. 56-61.

32. Ланглуа-Бертело Р. Специальные проблемы и тенденции, связанные с крупными высоковольтными силовыми трансформаторами. Энергетика за рубежом. Трансформаторы. Переводы докладов сессии СИГРЭ 1958. М., «Энергия», 1960.

33. Метод расчета трансформаторов: [Электронный ресурс]. URL: http://ee-system.ru/metody-rascheta-transformatorov/ (Дата обращения: 05.10.2012).

34. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи.-М.: Энергия, 1973.

35. Одаренко Ю.Н. Развитие методов подобия при теплообмене в охлаждающих каналах обмоток трансформаторов для усовершенствования их тепловой защиты. Днепродзержинский государственный технический университет, г. Днепродзержинск, 2007.- Рукопись. Автореферат.

36. Патлахов В. Е. Исследование и проектирование трансформаторов малой мощности повышенной частоты оптимальных по массе. Самарский государственный технический университет, г. Самара, 2006.- Рукопись. Автореферат.

37. Радиаторы Convett: [Электронный ресурс]. URL: http://www.convett.it/. (Дата обращения: 02.03.2012г.)

38. Рассальський О.М. Анал1з i розрахунок теплових режим1в силового електроустаткування: / М-во осв1ти i науки Укра'ши, 3anopi3. нац. техн. ун-т. -Запорхжжя: ЗНТУ, 2005. - 144 с.

39. РД 16.416—88. Трансформаторы силовые масляные. Остовы. Методика теплового расчета.

40. РД 16.425-88 Трансформаторы малой мощности общего назначения. Тепловой расчет трансформаторов.

41. РД 16.432-88 Трансформаторы силовые масляные с системой охлаждения ДЦ.

42. РД 16.452—88. Трансформаторы силовые масляные с системами охлаждения М и Д. Тепловой расчет обмоток.

43. РД 16.467—88. Трансформаторы силовые. Тепловой расчет обмоток с направленным потоком масла.

44. РД 16.476-88 Трансформаторы силовые масляные. Тепловой расчет систем охлаждения М и Д. — Запорожье: ВИТ, 1988.

45. РД 16.619—90. Трансформаторы силовые масляные с системами охлаждения ДЦ и Ц.

46. Сагалов М. И. Основные задачи и способы модернизации силовых трансформаторов с целью повышения их мощности. М., «Энергия», 1967.

47. Сагалов М. И., Тарле Г. Е. Повышение мощности трансформаторов с естественной циркуляцией масла и дутьевым охлаждением. ОРГРЭС. М., «Энергия», 1965.

48. Сапожников А. В. Конструирование трансформаторов. М., Госэнергоиздат, 1959.

49. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов: Пер. с англ. Под ред. Б.Е. Победри -М.: МИР, 1979.

50. Сещенко Н. С. Охлаждение силовых масляных трансформаторов.- М.: Информстандартэлектро, 1968.

51. Сещенко Н. С. Охлаждение силовых масляных трансформаторов. Материалы научно-технического совещания по трансформаторостроению (Тольятти, 1969), 1969.

52. Сещенко Н. С. Системы охлаждения трансформаторов с естественной и принудительной циркуляцией масла.- В кн.: Передовые методы ремонта трансформаторов. М., «Энергия», 1967.

53. Силовые трансформаторы. Справочная книга. М.: Энергоиздат. - 2004.

54. Сисуненко О. И. Расчет потерь в баках трансформаторов.-«Электротехническая промышленность», сер. «Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы», Информэлектро, 1971, вып. 7.

55. Стулов А.В., Тихонов А.И.. Тепловой расчет обмоток сухих трансформаторов и токоограничивающих реакторов с использованием электрических схем замещения. «Вестник ИГЭУ» Вып. 6., 2012 г.

56. Тарле Г. Е. Интенсификация охлаждения трансформаторов путем направленной циркуляции масла.- «Электрические станции», 1973, № 6.

57. Тарле Г. Е. Модернизация трансформаторов с применением направленной циркуляции масла.- «Энергетик», 1963, № 2.

58. Тарле Г. Е. Некоторые вопросы теплового расчета трансформаторов при определении возможных пределов повышения их мощности путем

интенсификации охлаждения.- В кн.: Передовые методы ремонта трансформаторов. М., «Энергия», 1967.

59. Тарле Г. Е. Рекомендации по проведению тепловых испытаний силовых масляных трансформаторов (и автотрансформаторов) на месте их установки.-М.: Энергия, 1972.

60. Тарле Г. Е. Ремонт и модернизация систем охлаждения трансформаторов. -М.: Энергия, 1975.

61. Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. М., «Энергия», 1968.

62. Уфимцев А. М. Методы и результаты тепловых испытаний силовых трансформаторов.- «Электрические станции», 1973, № 1.

63. Федоренко Г.М., Соколов В.В., Зозуля Д.В., Гура Ю. Л. Трансформаторное оборудование АЭС Украины, его надёжность, техническое состояние и ресурс // Пращ шституту електродинамши HAH УкраТни №1(16), частина 1, Кшв: Гнститут електродинамжи HAH Украши. - 2007. - С. 76- 82

64. Фербессельт Ж., Фреминер А. Изучение нагрева трансформаторов посредством моделей-аналогов. Энергетика за рубежом. Трансформаторы, переводы докладов XIX сессии СИГРЭ 1962 г., докл. № 126. М., «Энергия», 1964.

65. Филиппов И. Ф. Основы теплообмена в электрических машинах.- Л.: Энергия, 1974.

66. Швидлер А. Б., Суворова С. Н., Михайловский Ю. А. Исследование теплоотдачи обмоток трансформаторов с принудительным движением масла в вертикальных каналах.- «Электротехника», 1973, № 3.

67. Шидловский А.К., Воеводин И.Д., Мелешко Ю.И. Основные тенденции развития трансформаторостроения за рубежом.- Киев: Институт электродинамики АН УССР.- 1986.- 32 с. (препр. /АН Украины. Ин-т электродинамики: Препринт - 479).

68. Шницер Л. М. Нагрузочная способность силовых трансформаторов. М., Госэнергоиздат, 1953.

69. Шницер JI. М. Основы теории и нагрузочная способность трансформаторов. М., Госэнергоиздат, 1959.

70. Ankireddypalli S. Reddy, 2 Dr М. Vijaykumar. Hottest spot and life evaluation of power transformer design using finite element method. © 2013 Doble Engineering Company - 80th International Conference of Doble Clients All Rights Reserved.

71. Dejan Susa. DYNAMIC THERMAL MODELLING OF POWER TRANSFORMERS. Helsinki University of Technology Department of Electrical and Communications. Engineering Power Systems and High Voltage Engineering. 2005.

72. Ed G. teNyenhuis., Ramsis S. Girgis, Giinther F. Mechler. Calculation of Core Hot-Spot Temperature in Power and Distribution Transformers. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 17, NO. 4, OCTOBER 2002.

73. IEC 76-2. Power transformers. Part 2. Temperature risel.

74. J. Aubin. Effect of oil viscosity on transformer loading capability at lou ambient temperatures. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 7, No. 2. April 1992.

75. Jean-Nonl ВйгиЬй, Jacques Aubin, W. McDermid. recent development in transformer winding temperature determination. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY.

76. K. Eckholz, W. Knorr, M. Schafer, Siemens AG, K. Feser, E. Cardillo. new developments in transformer cooling calculations. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY.

77. Kourosh Mousavi Takami, Jafar Mahmoudi. Identification of a best thermal formula and model for oil and winding Of power transformers using prediction methods. Malardalen University, Vasteras, sweden.

78. Linden W. Pierce. An investigation of the thermal performance of an oil filled transformer winding. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 7, No. 3, July 1992.

79. Lovass-Nagy V. Matrixszamitas.- Budapest: Tankonyvkiado, 1964.

80. M. Davis Hwang, W. Mack Grady, H. Walter Sanders, calculation of winding temperatures in distribution transformers subjected to harmonic currents. IEEE Transactions on Power Delivery, Volume 3, No. 3, July 1988.

81. Montsinger, Loading transformers by temperature, Trans. Amer. Inst, electr. Engrs. Tech. 1930, v. 49, p. 776.

82. MSZ 7730. Villamos gepek es keszulekek szigetelo- anyagainak osztalyozasa hoallosag szerint.

83. MSZ 9230/1-70. Transzformatorok. Szabvany.

84. Mufuta J.-M., Eric van den Bulck. Modelling of the mixed convection in the winding of a disc- type power transformer // Applied Thermal Engineering 20 (2000). - P. 417-437. http://www.elsevier.com.

85. Oliver A. J. Estimation of transformer winding temperatures and coolant flows using a general network method // IEE Proc., Vol. 127, Pt. C, No. 6, November 1980. -P. 395 -405.

86. Power transformers, IEC Publications, 76 (1967).

87. R.J. Goldstein, E.R.G. Eckert, W.E. Ibele, S.V. Patankar, T.W. Simon, T.H. Kuehn, P.J. Strykowski, K.K. Tamma, A. Bar-Cohen, J.V.R. Heberlein, J.H. Davidson, J. Bischof, F.A. Kulacki, U. Kortshagen, S. Garrick, V. Srinivasan. Heat transfer—a review of 2002 literature. International Journal of Heat and Mass Transfer 48 (2005)819-927.

88. Robert M. Del Vecchio, Bertrand Poulin, Pierre T. Feghali, Dilipkumar M. Shah and Rajendra Ahuja. Transformer design principles: with application to core-form transformers // Gordon and Breach Science Publishers. 2003. - 700 s.

89. Robert M. Del Vecchio, Bertrand Poulin, Pierre T. Feghali, Dilipkumar M. Shah and Rajendra Ahuja. Transformer design principles: with application to core-form transformers // Gordon and Breach Science Publishers. 2001. - 599 s.

90. Seitlinger Walter. Thermo- Hydraulic transformer model. V TECH Elin Transformatoren GmbH. 2000. http://www.vatechtd.com.

91. Sheldon P. Kennedy, Thomas Gordner. Hot spot studies for sheet wound transformer windings. © 2013 Doble Engineering Company - 80th International Conference of Doble Clients All Rights Reserved.

92. Tanguy A., Patelli J.P., Devaux F., Taishe J.P., Ngnegueu T. Thermal

performance of power transformers: thermal calculation tools focused on new

139

operating requirements. Presented at CIGRE Session, CIGRE, Paris, France, Session 2004, Report Nr. A2-105.

93. Vikas Kumara, T. Vijay Kumarb, K.B. Dorac. Effect of design parameters on temperature rise of windings of dry type electrical transformer. TVS Motor Company Ltd, India.

94. Z. Godec, PhD, R. Sarunac, PhD. Steady-state temperature rises of ONAN/ONAF/OFAF transformers. IEE PROCEEDINGS-C, Vol. 139, No. 5, SEPTEMBER 1992.

95. Z. Radakovic. Numerical Determination of Characteristic Temperatures in Directly Loaded Power Oil Transformer. ETEP Vol. 13, No. 1, January/February 2003.