Исследование теплового состояния и механической прочности корпусов взрывозащищенных комплектных трансформаторных подстанций повышенной мощности
Чернов И.Я., Грушко В.М., Никитин О.Е., Цололо В.В, Бурковская Н.В.
Источник: Взрывозащищенное электрооборудование: Сб.науч.тр. УкрНИИВЭ. - Донецк: ООО «АИР», 2009.- с.68-80
Постановка проблемы. В создании конструкции взрывозащищенных
комплектных трансформаторных подстанций (КТП) мощностью
800…2000 кВ·А определяющее значение имеет взрывозащищенная оболочка корпуса трансформатора, которая в общем случае должна удовлетворять ряду противоречивых технических требований (рисунок 1), обусловленных следующими причинами:
а) в случае образования и воспламенения внутри оболочки взрывоопасной смеси корпус должен выдержать давление взрыва (обеспечить взрывоустойчивость) без остаточных деформаций оболочки и при сохранении взрывонепроницаемости соединений;
б) в связи с ограниченным сечением горных выработок и необходимостью транспортирования по ним КТП ее корпус должен быть компактным и не превышать допустимых габаритных размеров;
в) тепловые потери, обусловленные потерями холостого хода (ХХ) и
короткого замыкания (КЗ), а также добавочными потерями в активных
частях трансформатора и в самой оболочке, должны эффективно отводиться в окружающую среду;
г) с целью унификации и стандартизации конструкция вновь созда-
ваемого корпуса должна обеспечивать рациональный расход конструкционных материалов и применение унифицированных узлов и деталей.
В сухих трансформаторах и КТП, выпускавшихся фирмами Siemens,
АСЕС, Brush, Rade Concar, а также в отечественных типа ТСШВП-Х/6 были использованы традиционные оболочки. Однако в результате первого
опыта эксплуатации было установлено, что с ростом мощности КТП возникает необходимость разработки оболочек, обеспечивающих более интенсивное охлаждение активной части.
Анализ исследований и публикаций. Важной характеристикой корпуса трансформатора является его способность эффективно передавать тепло
от активной части в окружающую среду, для чего корпус проектируется в
соответствии с определенными правилами. В общем случае эффективность
охлаждения прямо пропорциональна площади наружной поверхности корпуса. Рассмотрим конструкции корпуса с различными вариантами исполнения его наружной поверхности.
В конструкции корпуса серийной КТПВ 630/6 его стенка представляет собой сварную металлоконструкцию. Гофры выполнены из гнутого швеллера 60x60x4 ГОСТ 8278-83 и соединяются между собой посредством полос ручной электродуговой сваркой.
Недостатком данной конструкции является высокая трудоёмкость
сварочных работ, а также нерациональное использование гофр в качестве охлаждающей поверхности, так как часть из них работает при теплопередаче как ребро, из-за чего отвод тепла от трансформатора происходит менее эффективно.
В конструкции корпуса серийной КТПВ 1000/6 стенки корпуса выполнены из гофрированного профиля, который
изготавливается путём холодной штамповки, что позволяет получить развитую охлаждающую поверхность и повысить теплоотдачу и эффективность охлаждения трансформатора. Этой же цели служит и применение охлаждающих труб.
Изготовление гофрированной стенки требует существенных начальных производственных затрат, однако в дальнейшем трудоёмкость ее изготовления значительно снижается, т.к. резко сокращается объем сварочных работ.
Точность шага гофрирования стенки зависит от точности изготовления матрицы и пуансона и степени их износа, материала штампуемой заготовки и других технологических факторов, поэтому фактическое суммарное отклонение размера гофрированной стенки может достигать 30…50 мм, что является ее недостатком. В этом случае разница размера компенсируется обечайкой (поз. 3).
Отличительной особенностью конструкции взрывобезопасной гофрированной оболочки силового трансформатора подстанции фирмы «Весkеr» (рисунок 2) является овальная форма ее поперечного сечения и выполнение наружной поверхности гофрированной по всему
контуру, что позволяет выполнить оболочку с большой развёрнутой охлаждающей поверхностью [1]. Теплопередача происходит через относительно тонкую стенку без
значительного перепада температуры, что повысило эффективность теплопередачи, хотя теплопроводность ребер по сравнению с гофрами невысока.
Рисунок 2 – Стенка корпуса подстанции фирмы «Весkеr», Германия
Гофры свариваются между собой, образуя общую поверхность охлаждения. Изготовление такой оболочки требует высокой точности изготовления гофр и значительных затрат на изготовление, но оправдывается эффективностью охлаждения, обеспечивая небольшие габаритные
размеры корпуса.
Оригинальна по своей конструкции оболочка трансформатора фирмы
«Bartec» (рисунок 3), в которой используется тот же принцип, что и у фирмы «Весkеr», но гофры выполнены более глубокими, расположены более
часто и сгруппированы поблочно [1]. Эффективность охлаждения корпусаКТП с такими стенками одна из самых высоких.
Рисунок 3 – Стенка корпуса подстанции фирмы «Bartec»,Германия
Ряд зарубежных фирм с успехом применяют конструкции взрывобезопасных оболочек прямоугольной формы (рисунок 4) с верхним расположением крышки [1].
Рисунок 4 – Корпус подстанции фирмы «Allenwest Wallacetown», Великобритания
Цель статьи. Разработка принципиально новой конструкции корпуса трансформатора взрывозащищенной КТП повышенной мощности, обладающей взрывоустойчивостью, взрывонепроницаемостью и высокой теплоотводящей способностью, технологичностью, низким расходом материалов и трудоемкостью изготовления.
Результаты исследований. В процессе эскизного проектирования
нами рассмотрены варианты конструкции стенок корпусов КТП из
стандартных холодногнутых профилей разных типоразмеров, свариваемых
между собой электродуговой сваркой и образующих при этом единую металлоконструкцию – гофрированную стенку. Таким способом изготовляются взрывобезопасные гофрированные оболочки КТП английских фирм «Brash» и «Allenwest Wallacetown» [1].
Представляет интерес штампованная стенка новой конфигурации
(рисунок 5). В отличие от примененной в КТПВ 1000/6 данная стенка имеет трапециевидное сечение, поскольку при равной площади охлаждающей поверхности трапециевидный профиль стенки имеет лучшие параметры теплоотдачи, обеспечивает лёгкое снятие заготовки с пуансона при штамповке и более точное ее изготовление.
Рисунок 5 – Гофрированная стенка из профиля трапециевидного сечения
Анализируя способность представленных корпусов эффективно отводить тепло, необходимо заметить, что одним из рациональных путей модернизации корпуса является выполнение его верхней части («крыши») в виде гофрированного полуцилиндра, что позволит развить поверхность охлаждения в наиболее нагретой части и обеспечить преемственность технологии изготовления.
Оценка жесткости и прочности корпусов проведена путем качественного анализа трехмерных твердотелых моделей корпусов КТП мощностью 400…1250 кВ·А с использованием метода конечных элементов. В процессе математического моделирования статического давления, приложенного к внутренней поверхности корпуса, приняты следующие ограничения:
а) защемлен основной фланец;
б) нагрузка распределена перпендикулярно к внутренней поверхности;
в) конструкционный материал по характеристикам соответствует стали марки Ст3.
Проведение подобных исследований позволило выявить наиболее критичные области корпусов в части их жесткости и прочности. Усиление слабых мест корпусов при создании КТП повышенной мощности снизило вероятность возникавших ранее разрушений корпусов при гидравлических испытаниях и испытаниях на взрывоустойчивость, а также способствовало разработке корпусов равнопрочных конструкций с рациональным расходом конструкционных материалов.
Для сравнительного анализа теплоотдающей способности наиболее
характерных вариантов конструкции корпуса трансформатора мощностью
1000 кВ·А и выбора приемлемого варианта на стадии эскизного проектирования разработана методика теплового расчета силового
трансформатора ПИЖЦ.670071.276. На базе этой методики, в основу которой положен метод тепловых эквивалентных схем (ТЭС), разработано программное обеспечение для инженерных расчетов.
Метод ТЭС, позволяющий оценить влияние различных конструктивных, электромагнитных, технологических и теплофизических факторов на тепловой режим трансформатора, основан на представлении его в виде схемы однородных тел с сосредоточенными источниками тепла, связи между которыми определяются соответствующими процессами теплопередачи.
С целью обеспечения единой базы при оценке вариантов конструкции
во всех тепловых расчетах принята одна и та же активная часть мощностью 1000 кВ·А, имеющая магнитопровод с комбинированным стыком (электротехническая сталь марки 3408 толщиной 0,35 мм, стержень вписан в круг). Обмотка НН – двухслойная цилиндрическая, обмотка ВН – многослойная цилиндрическая.
Рисунок 6 – Тепловая эквивалентная схема замещения трансформатора с 17-ю узловыми точками
Для каждого источника тепла или узла ТЭС, температура которого
подлежит определению с помощью метода узловых потенциалов, составлено уравнение теплового баланса. Тепловой расчет (определение превышения температуры в узловых точках конструкции трансформатора) сводится к решению системы уравнений, которая имеет вид:
Результаты расчетов представлены в таблице 2, из которой следует что корпус 3 позволяет снизить (в сравнении с корпусом 1) расчетное среднее превышение температуры стержня – на 18,8 °С, обмотки НН – на 21,3 °С, обмотки ВН – на 21 °С, корпуса – на 5,3 °С. Столь существенное снижение температуры в узловых точках корпуса 3 обусловлено не только
его большой наружной и внутренней конвективной поверхностью, но и лучшими условиями для движения конвективных потоков воздуха внутри и снаружи корпуса (отсутствуют «экранирующие» трубы, углы и полости-«карманы», препятствующие движению ламинарных потоков охлаждающего воздуха). Корпус 3 за счет исключения охлаждающих труб и уменьшения габаритных размеров легче на 300 кг корпуса 1 серийной КТП.
Таблица 2
Вывод:
Сформулированы основные технические требования к конструкции корпусов взрывозащищенных КТП повышенной мощности, которая должна характеризоваться взрывоустойчивостью и взрывонепроницаемостью, высокой теплоотдачей при минимально допустимых размерах, необходимой прочностью и жесткостью, высокой технологичностью изготовления, низким расходом материалов и трудоемкостью изготовления и обеспечивать преемственность конструкции.
2. Предложена принципиально новая конструкция корпуса трансформатора КТП повышенной мощности с гофрированной по всему периметру стенкой при глубине гофры не менее 60 мм (за исключением днища), обладающая взрывоустойчивостью, взрывонепроницаемостью и высокой теплоотводящей способностью.
Литература
- Чернов И.Я., Шилов В.В., Налбатов В.Е., Волков Н.А., Кузнецов В.Л. Анализ технико-экономических показателей современных зарубежных взрывозащищенных трансформаторных подстанций // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб.науч.тр. УкрНИИВЭ. -Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2006.-С.74-89.