Источник: Cборник научных трудов УкрНИИВЭ "Взрывозащищенное оборудование", Донецк 2006, с 74-90
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.