УДК 621.314.21.017.7

В.М.Грушко, Е.В.Золотарев, Е.А.Сорока, И.Я.Чернов

ТЕПЛОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АКТИВНОЙ ЧАСТИ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ ТИПА КТПВ-1250/6-1,2 В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ

Постановка проблемы. В современном электромашиностроении, в том числе и в рудничном трансформаторостроении, при проектировании оборудования приходится сталкиваться с необходимостью решения ряда проблем, из которых проблема нагревания и охлаждения, ввиду решающей роли тепловых ограничений, играет важнейшую роль при совершенствовании конструкции существующих электрических машин и, особенно, при разработке новых - повышенной мощности, у которых тепловые нагрузки значительно возрастают. Проблема улучшения массогабаритных показателей электрических двигателей, трансформаторов и комплектных трансформаторных подстанций (КТП), особенно рудничных взрывозащищенного исполнения с присущими им тяжелыми условиями охлаждения активной части, тесно связана с процессами нагревания. Поэтому исследование тепловых режимов взрывобезопасных трансформаторов и КТП повышенной мощности (1000, 1250 кВА), т.е. вопросов, составляющих специфическую и одну из наиболее сложных как в теоретическом, так и в практическом отношении проблем, определяющих технический уровень современного рудничного трансформаторостроения, приобретает особую актуальность.

Анализ исследований и публикаций. В сухих взрывозащищенных трансформаторах КТП с вертикальным расположением стержней магнитопровода и концентрически установленными на них обмотками высшего и низшего напряжения (ВН и НН) охлаждение активной части обеспечивается за счет естественной конвекции внутреннего воздуха и излучения с поверхности обмоток и магнитопровода. Условия охлаждения обмоток очень тяжелые, так как они кроме непосредственного нагрева испытывают также взаимный подогрев и подогрев от магнитопровода. Данное обстоятельств потребовало всестороннего и тщательного изучения теплового состояния активной части трансформаторов типа ТСВ.
Тепловое экспериментально-теоретическое исследование макетов различных типов обмоток с целью определения оптимальных с точки зрения теплоотдачи геометрических размеров охлаждающих каналов выполнено в работе [1], в которой показаны результаты и сравнительный анализ нагрева обмоток с точки зрения эффективности их охлаждения. В работе изучалось тепловое состояние активной части (силового трансформатора шахтной комплектной трансформаторной подстанции типа КТПВ1000-6/1,2 в различных режимах работы, что дало возможность приобрести определенный опыт исследования КТП повышенной мощности (250 кВА и выше).

Цель статьи. Анализ распределения стационарного температурного поля в охлаждающих каналах активной части КТП мощностью 1250 кВА в различных режимах нагрева и охлаждения.

Результаты исследований. Проведено экспериментально-теоретическое исследование нагревания активной части КТП типа КТПВ-1250/6-1,2, общий вид которой показан на рисунке 1.

Рисунок 1 - Общий вид трансформаторной подстанции типа КТПВ-1250/6-1,2
 

Данная КТП состоит из силового трансформатора (активной части), распределительного устройства высшего напряжения (РУВН), совмещенного с оболочкой силового трансформатора аналогично серии КТПВ мощностью 100...630 кВА, и распределительного устройства низшего напряжения (РУНН).
Особенности конструкции и технологии изготовления активной части КТП мощностю 1250 кВА следующие: силовой трансформатор сухого типа с естественным воздушным охлаждением выполнен на трехстержневом планарном шихтованном магнитопроводе из холоднокатаной текстурованной электротехнической стати с низкими удельными потерями. С целью снижения потерь холостого хода стыки крайних стержней и ярм изготовлены «косыми» под утлом 45.
Обмотки силового трансформатора намотаны медным проводом марки ПСДКТ-Л прямоугольного сечения с кремнийорганической изоляцией, выдерживающей нагрев до температуры 200 °С (ГОСТ 8865-93). Обмотка НН - циллиндрическая с осевым охлаждающим каналом между слоями шириной 12 мм; обмотка ВН - непрерывная катушечная с радиальными охлаждающими каналами, намотанная на изоляционном цилиндре.
Исследования нагревания активной части проводились в двух принципиально различных вариантах ее теплового состояния:
а) нагревание при свободном теплообмене с окружающей воздушной
средой в открытом состоянии;
б) нагревание в условиях, полностью ограничивающих свободный теплообмен с окружающей средой по причине расположения объекта в герметичной оболочке, служащей своеобразным теплообменником, воспринимающим тепловые потоки от обмоток и магнитопровода за счет естественной конвекции внутреннего воздуха и передающим тепло окружающей оболочку среде.
Следовательно, с технической точки зрения тепловые исследования разделены на два этапа. Первый этап - определение теплового состояния исследуемого объекта без оболочки КТП при естественном воздушном охлаждении в продолжительных рабочих режимах. Второй этап - определение теплового состояния и эффективности охлаждения активной части в качестве сборочной единицы КТП, помещенной в оболочку КТПВ-1250/6-1,2. собранную в комплекте с РУВН и РУНН. Как на первом, так и на втором этапах исследований нагрев активной части осуществлялся в двух раздельных тепловых режимах в последовательности и по методике, установленной для испытаний на нагрев сухих трансформаторов по ДСТУ 3645-97 (ГОСТ 3484.2-98) - в режиме холостого хода (XX) и в режиме короткого замыкания (КЗ).
Для определения температурного поля активной части в характерных точках ее конструкции было установлено 57 медь-константановых термоэлектрических термометров (ТМК), получивших благодаря своей технологичности наибольшее распространение при тепловых испытаниях и исследованиях электрических машин.
Термопары ТМК №№ 1-14 и 15-26 собраны блоками и помещены в осевых каналах обмоток НН фаз С и В соответственно, блоки ТМК №№ 27-40 и 41-54 находились в осевых каналах, образованных магнитопроводом и обмоткой НН, и измеряли распределение температуры охлаждающего воздуха в каналах по высоте обмоток НН; ТМК №№ 55,56 и 57 находились на поверхности верхнего ярма магнитопровода.
Тепловые исследования активной части КТПВ-1250/6-1,2 проводились на специализированном испытательном стенде и контролировались по показаниям ТМК 1-57 с помощью высокоточной измерительной аппаратуры, в комплект которой входил цифровой вольтметр типа В7-23 и переключающее устройство.
Теплофизический процесс нагревания продолжался до установившегося теплового состояния исследуемого объекта, после чего силовой трансформатор отключался от сети и
измерялось среднее электрическое сопротивление постоянному току обмоток ВН и НН с помощью универсальной мостовой установки типа У-303 высокого класса точности.
Графо-аналитический метод расчета сопротивления обмоток в момент их отключения от сети позволил определить их среднее превышение температуры по формуле:

где - электрическое сопротивление обмоток постоянному току в момент отключения; - то же в холодном состоянии: - окружающая температура при измерении ; - то же при измерении ; К - коэффициент, равный 235 для обмоток из меди.
Непосредственно перед измерением сопротивления обмоток согласна тепловой измерительной схеме проводились измерения локальных превышений температуры активной части с целью определения стабильности ее стационарного температурного поля.
Сравнительный анализ раздельных тепловых режимов при номинальных потерях XX и КЗ активной части без оболочки и в оболочке КТП показывает определенное различие в распределении температуры в осевых каналах по высоте обмотки НН, что наглядно следует также из характера графических зависимостей вида (рисунки 2,3). Температурные кривые показывают распределение данного параметра в каналах средней фазы В, как наиболее нагреваемой из-за более тяжелых условий ее охлаждения по сравнению с крайними фазами А и С.
Анализ температурного поля в вертикальных каналах активной части в режиме XX, несмотря на значительный опыт проведения тепловых испытаний взрывозащищенных трансформаторов и КТП [2,3], представляет повышенный интерес ввиду недостаточной изученности данного вопроса.
Таким образом, для рассматриваемого режима характерно:
а) более равномерное распределение температурного поля в осевых
каналах активной части, особенно в канале HН-магнитопровод, из-за близости стержня магнитопровода (см. рисунки 2,3);
б) наличие зоны максимальной температуры на уровне 3/4 высоты обмоток НН аналогично тепловому полю обмоток при нагреве их номинальным током (для канала НН-магнитопровод эта зона будет несколько расширена по причине очень малого перепада - кривая 4 на рисунке 2);
в) превышение температуры верхнего ярма магнитопровода при свободном теплообмене трансформатора со средой находится в пределах 80... 105 °С (ТМК-55), а и при замкнутом теплообмене (активная часть заключена в оболочке КТП) превышение температуры по оси фазы В составило 120,5 °С, а по оси фазы С- 110°С.
По экспериментально-расчетным данным согласно ДСТУ 3645-97 (ГОСТ 3484.2-98, МЭК 76-2-93) было определено среднее превышение температуры обмоток НН и ВН активной части КТПВ-1250/6-1,2 соответствующее ее номинальным параметрам, по формуле

где - общее превышение температуры каждой из обмоток при номинальных условиях; - среднее превышение температуры каждой из обмоток, определенное в режиме XX; - среднее превышение температуры каждой из обмоток, определенное в режиме КЗ.
Для магнитной системы исследуемой активной части общее превышение температуры определялось относительно максимального превышения температуры верхнего ярма магнитопровода (ТМК-55) по формуле

где - общее превышение температуры магнитной системы;
- превышение температуры магнитной системы в режиме XX;
- превышение температуры магнитной системы в режиме КЗ.

Выводы: 1. Превышение температуры обмоток активной части в оболочке КТПВ-1250/6-1,2, определенное по изменению их сопротивления формуле (1) после продолжительных установившихся режимов XX и КЗ при температуре окружающей среды 13 °С, составляет для обмотки HН -142 °С и для обмотки ВН-149,4 °С и находится в пределах, нормируемых ГОСТ 16837-79 и ТУ У 31.1-00217159-034-2002 (для активной части без оболочки эти превышения соответственно составляют 73,5 и 84,9 °С).
2. Наибольшее превышение температуры магнитопровода активной части в оболочке КТПВ-1250/6-1,2, определенное по формуле (2) после продолжительных установившихся режимов XX и КЗ при =13 °С, составляет 173 °С.
3. Тепловое состояние обмоток НН характеризуется неравномерным распределением температуры, в результате чего максимальное ее превышение в режиме КЗ при =1250 кВА достигает 176 °С, а полное превышение - 192 °С.
4. Снижение максимальной температуры обмоток рудничных трансформаторов, как резерва для дальнейшего увеличения их мощности, может быть достигнуто за счет следующих технических решений; а) исследование выбор оптимальных параметров и геометрических размеров охлаждающих каналов обмотки; б) исследование и выбор оптимальных параметров оболочки активной части, что было достаточно полно обосновано в [3] исследовании температурного поля оболочек КТП мощностью 1000 и 1250 кВА; в) применение системы принудительного воздушного охлаждения активной части трансформаторов и КТП; г) за расчетный режим работы КТП повышенной мощности следует принять повторно-кратковременный (ГОСТ 18311-80) с ПВ=60 %; д) применение современных технических средств - «сверхпроводников тепла» или тепловых труб, встраиваемых в охлаждающие каналы обмоток.

Список литературы:
1. Сорока Е.А. Особенности нагрева катушечных и слоевых обмоток
рудничных трансформаторов типа ТСВ//Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ - Донецк, 2001. - С.105-112.
2. Сорока Е.А., Золотарев Е.В, Особенности нагревания активной части взрывобезопасной трансформаторной подстанции мощностью 1000 кВА в различных режимах//Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ -Донецк: Юго-Восток, 2003. - С.38-49.
3. Сорока Е.А.. Золотарев Е.В., Калач Е.Н., Локтионов Г.Л. Исследование и сравнительный анализ стационарного температурного поля оболочек трансформаторных подстанций типа КТПВ мощностью 1000 и 1250 кВА//Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ.-Донецк: ООО «Юго-ВостокЛтд», 2005. - С.59-68.