Анализ потенциала использования тепловых потерь силового масляного трансформатора

Развитие промышленного производства сопровождается увеличением потребления электрической энергии. Передача электрической энергии от мест генерации до пункта её потребления в настоящее время сопровождается пяти-шестикрат-ным преобразованием с помощью силовых трансформаторов и автотрансформаторов. Чем дальше от электростанции находится трансформатор в электрической сети, тем меньше его мощность и тем больше потери на единицу мощности. Основная часть потерь приходится на силовые трансформаторы с классом напряжения от 10 до 35 кВ. Коэффициент полезного действия современных силовых трансформаторов и автотрансформаторов в большинстве случаев составляет более 98 %, но из-за многократной трансформации потери электроэнергии представляют значительные объёмы. Так, силовой трансформатор типа ТМ мощностью 400 кВ·А имеет потери холостого хода 900 Вт и потери короткого замыкания 5500 Вт, а у трансформатора мощностью 6300 кВ·А потери холостого хода могут составлять 7,4 кВт и потери короткого замыкания 46,5 кВт. Полезное использование потерь силовых масляных трансформаторов может улучшить показатели энергоэффективности использования оборудования, а также решить ряд вопросов, связанных с обеспечением отопления объектов, не имеющих централизованного теплоснабжения. Таким образом, повышение энергосбе- регающих свойств масляных трансформаторов является актуальной задачей.

Постановка задачи

При работе силового трансформатора в его обмотках, магнитопроводе и конструктивных элементах возникают потери энергии, которые преобразуются в тепловые и отводятся от активных частей трансформатора с помощью системы охлаждения в окружающую среду [1–3]. Основными направлениями снижения потерь является использование современных материалов в активных частях, усовершенствование конструкции, технологии изготовления трансформатора и его элементов [4–10]. Все эти мероприятия, как правило, приводят к удорожанию силового трансформатора. Также предложено несколько способов повышения энергоэффективности силового трансформатора путем использования тепловых потерь, бесполезно рассеивающихся в окружающую среду [11]. Анализ систем, реализующих эти способы, показывает недостаточную их эффективность при малых мощностях силовых трансформаторов, сложность внедрения либо узкую область применения.

В работе рассматривается возможность повышения энергетической эффективности силового масляного трансформатора путем полезного использования тепловых потерь с помощью дополнительного активного элемента – нагревательного блока [12]. Одной из возможных конструкций на- гревательного блока является трубчатый теплообменник, внутри которого циркулирует теплоноситель (например, вода) [13, 14]. Нагревательный блок имеет входной и выходной патрубки для подсоединения к автономной системе теплоснабжения рядом расположенного объекта. Таким объектом может быть производственный цех, помещение для обслуживающего и (или) дежурного персонала трансформаторной подстанции и т. п. Циркуляцию и необходимый расход теплоносителя в системе теплоснабжения [15] и в нагревательном блоке обеспечивает циркуляционный насос. Такое изменение конструкции силового трансформатора перераспределяет тепловые потоки от активных элементов в окружающую среду и нагревательный блок.

Для эффективного теплообмена между трансформаторным маслом и циркулирующим по нагревательному блоку теплоносителем поверхность теплообмена должна быть достаточно большой. Предложена конструкция нагревательного блока [16] в виде трех труб из электропроводного немагнитного материала, например алюминия или его сплавов (рис. 1а). Каждая труба расположена на стержне магнитопровода соответствующей фазы. Бифилярная часть увеличивает поверхность теплообмена и располагается вокруг стержней трех фаз (рис. 1б). Протекающая внутри труб жидкость последовательно омывает все три фазы нагревательного блока. Для реализации такого гидравлического режима одинаково маркированные буквами « a » и « b » концы труб соединяются между собой (см. рис. 1б).

С помощью нагревательного блока можно осуществлять дополнительный управляемый нагрев теплоносителя (активный режим). Для этого используются вентильные полупроводниковые приборы 4 (см. рис. 1а). При переводе силовых вентилей, в качестве которых могут использоваться силовые тиристоры или сими-сторы, в проводящее состояние создается замкнутый виток и под действием ЭДС в контурах каждой фазы нагревательного блока начинает циркулировать электрический ток, который приводит к нагреву теплоносителя. Силовые вентили помимо коммутации позволяют также осуществлять регулирование мощности нагревательного блока [17]. На рис. 1б расположение полупроводниковых вентилей показано залитыми прямоугольниками.

Теоретическая часть

Для оценки теплового состояния силового масляного трансформатора с учётом изменения конструкции и перераспределения тепловых потоков использовался метод эквивалентных тепловых схем замещения [18]. Проанализированы пути протекания тепловых потоков для рассматриваемой конструкции трансформатора с нагревательным блоком и составлена эквивалентная тепловая схема замещения (рис. 2).

Очевидно, что тепловое состояние трансформатора будет зависеть в том числе и от температуры теплоносителя, его расхода и мощности тепловыделений в нагревательном блоке. Кроме того, в активном режиме работы нагревательного блока

а)

Рис. 1. Активная часть силового трансформатора с нагревательным блоком (а) и схема соединения труб нагревательного блока (б): 1 – сердечник (магнитопровод); 2 – обмотки высокого и низкого напряжения;

3 – нагревательный блок; 4 – силовые тиристоры

б)

Рис. 2. Эквивалентная тепловая схема замещения трансформатора с нагревательным блоком трубчатого типа

(при проводящем состоянии полупроводниковых вентилей) часть мощности от внутренних поверхностей стенок труб нагревательного блока будет отдаваться в нагреваемый теплоноситель, а часть мощности от наружной поверхности труб – в трансформаторное масло. В качестве теплоносителя рассматривалась вода.

Источниками тепла являются потери в стали P_s , а также потери в обмотках высокого P ₁ и низкого P 2 напряжения. При включении нагревательного блока к этим потерям добавляется мощность тепловыделений в трубе нагревательного блока P b . Часть мощности от трубы отводится в протекающий по ней теплоноситель в условиях вынужденной конвекции, а другая часть – в трансформаторное масло естественной конвекцией. Теплообмен между маслом и стенками бака (корпуса) осуществляется естественной конвекцией, а от бака в окружающую среду (воздух) – конвекцией и излучением. Термические сопротивления теплообмена имеют следующие обозначения: R 1 o , R 2 o , R s – между поверхностями обмоток высокого, низкого напряжений, магнитопровода и трансформаторным маслом соответственно; R bw – между внутренней поверхностью трубы нагревательного блока и водой; R_bo – между наружной поверхностью трубы нагревательного блока и трансформаторным маслом; R_ot , R_ta – между маслом и стенками бака трансформатора и между стенками бака и окружающей средой соответственно. Термические сопротивления R ₁ и R ₂ обусловлены теплопроводностью изоляции обмоток высокого и низкого напряжений. Для упрощения схемы замещения целесообразно последовательно соединенные сопротивления рассматривать как единые ( R 1Σ и R 2Σ на рис. 2).

Для определения неизвестных температур трубы нагревательного блока θ _b , обмоток θ₁ и θ₂, трансформаторного масла θ _o , сердечника θ _s и температуры стенки бака θ _t при заданных температурах окружающей среды θ _a и нагреваемой воды θ _w составлена система линейных уравнений:

' 9о (- + — + - + — + —) -

Vfi l l ^ 2 ! ^fi s ^fibo ^ ot*

^- ⁹ . ^+ ⁹ . lL=0

» 1 Z R^ R s R bo R ot

9^-9°_ - p •

R i .    R i .     ¹’

— - — = p₂ ;

R 2 .   R 2 .      ^Z’

9 s - 9o _{= p}.

R s R s      ^S;

9t (— +  )

^£ R ot    R ta

^^;

R ta

V

^9b ( fi bo ⁺ R bw )

⁹ o             ⁹ w

--— P h +--.

fibo            fibw

Расчёт сопротивлений теплообмена с жидкой средой (вода и трансформаторное масло) производился по формуле

R—-, (2) kS’ где k – коэффициент теплоотдачи; S – площадь поверхности теплообмена.

В задаче рассматривались две взаимосвязанные подсистемы теплообмена. Первая подсистема обеспечивает теплообмен силового трансформатора с окружающей воздушной средой. Тепло от трансформаторного масла через радиаторы охлаждения и стенки бака отдается в окружающую среду путем естественной конвекции и излучения. Сум-

марное тепловое сопротивление определялось по формуле

R ta

^kC^SC ^ ^kr^Sr

где k c , k r – коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением соответственно; S c , S r – эффективная площадь охлаждения конвекцией и площадь лучистого теплообмена трансформатора с окружающей средой соответственно.

Для расчёта коэффициентов теплоотдачи применялись общепринятые формулы, учитывающие интенсивность теплообмена [19, 20]. С учётом того, что окружающей средой является воздух, коэффициенты теплоотдачи определялись по формулам:

kT — 5,67 st

9 +273 ⁴   9 +273 ⁴

^{( !}in„ ; -^(jai^) .

kc — A33J9t

-

⁹ t ~ ⁹ a

9 a ,

где ε t – степень черноты поверхности бака трансформатора; A 3 – коэффициент, зависящий от определяющей температуры [18].

Вторая подсистема обеспечивает теплообмен между маслом внутри бака и протекающей по трубам нагревательного блока жидкостью. Теплообмен между трубой и маслом осуществляется естественной конвекцией, а между трубой и жидкостью – принудительной конвекцией. В этом случае коэффициенты теплоотдачи определялись с помощью критерия Нуссельта Nu по формуле к = Nu;, (6) где l – определяющий размер; λ – коэффициент теплопроводности среды.

Также рассматривался режим активного использования нагревательного блока, когда полу- проводниковые вентили находятся в проводящем состоянии, и производится нагрев труб за счет протекающего по ним электрического тока. Тепловые потоки от труб будут направлены как в нагреваемый теплоноситель, так и в трансформаторное масло. Для оценки распределения этих тепловых потоков было введено понятие коэффициента эффективности нагревательного блока Kb. Этот коэффициент показывает отношение тепловой мощности, передаваемой от нагревательного блока в воду, ко всей тепловой мощности тепловыделений блока нагрева жидкости и определяется по формуле

^ W     ^ w

P_b   P w +^ o

Kb

где P w

– тепловая мощность, передаваемая от нагревательного контура в нагреваемую воду; Po – тепловая мощность, передаваемая от нагревательного контура в трансформаторное масло.

Практическая часть

Расчёты показали, что коэффициент эффективности блока сильно зависит от расхода и температуры теплоносителя. Для оценки представлены результаты расчёта силового масляного трансформатора ТРД-16000/35 мощностью 16 000 кВА с суммарными потерями холостого хода и короткого замыкания 111 кВт. Расчёт производился для нагревательного блока мощностью 100 кВт и исходными данными: Р 1 = 49,6 кВт, Р 2 = 35 кВт, Р s = 21 кВт, Р b = 100 кВт, θ a = 40 °С, θ w = 72,5 °С. Температура масла θ o в результате расчёта составила 77 °С, температура обмотки высшего напряжения θ 1 = 102 °С, температура обмотки низкого напряжения θ₂ = 92,7 °С, температура трубы нагревательного блока θ _b = 103 °С.

В результате расчёта было получено, что большая часть тепловой мощности от блока нагрева жидкости отводится в нагреваемый теплоноситель. Произведены расчёты для разного расхода теплоносителя. В ходе исследования было подтверждено предположение, что при увеличении скорости течения теплоносителя в нагревательном блоке уменьшается тепловое сопротивление стенки блока – теплоноситель Rbw и увеличивается соответствующий тепловой поток. Расчёты произведены для разного расхода теплоносителя. Получена зависимость коэффициента эффективности нагревательного блока от расхода теплоносителя (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость коэффициента эффективности нагревательного блока от расхода теплоносителя

Исследования показали, что при отключенном нагревательном блоке (непроводящее состояние полупроводниковых вентилей) около 50 % потерь холостого хода и короткого замыкания идёт на нагрев протекающего по трубам теплоносителя. В активном состоянии нагревательного блока перераспределение тепловых потоков сильно зависит от скорости течения (расхода) теплоносителя. При расходе выше 2 л/с количество тепла, отводимого в теплоноситель нагревательного блока, составляет более 90 %.

Следует отметить, что периодические включения и отключения нагревательного блока не приводят к существенному влиянию повторяющегося режима на питающую сеть и электрическую нагрузку, подключенную к трансформатору. Такое заключение обосновывается тем, что геометрические размеры труб обеспечивают заданную мощность нагревательного блока и исключают режим короткого замыкания. Кроме того, суммарная мощность нагревательного блока на несколько порядков меньше мощности силового трансформатора (в исследованиях мощность нагревательного блока составляла 100 кВт, а мощность силового трансформатора – 16 000 кВА).

Выводы

Таким образом, проведенные расчеты показывают возможность использования нагревательного блока для повышения энергоэффективности силового масляного трансформатора. Нагревательный блок можно использовать в активном режиме нагрева теплоносителя и в пассивном режиме подогрева теплоносителя от потерь холостого хода и короткого замыкания. Режим активного нагрева теплоносителя может использоваться для обеспечения потребителей необходимым объемом тепловой энергии. Режим подогрева теплоносителя позволяет повысить энергоэффективность работы силового трансформатора.