Использование дополнительного охлаждения масляных трансформаторов при совместной работе термоэлектрических преобразователей и грунтовых теплообменников

Воздействие на силовой трансформатор тока подмагничивания как постоянного, так и в виде импульса существенно изменяет режим его работы, т. е. магнитная система переходит в режим насыщения. В этом режиме увеличивается тепловая мощность, рассеиваемая в баке трансформатора, приводя его к повышенному нагреву. При этом ускоряется процесс старения изоляции обмоток, что приводит к снижению ресурса и надежности трансформатора [1–4].

Существующие системы охлаждения силовых масляных трансформаторов не обеспечивают достаточно эффективный отвод тепла от изоляции обмоток при кратковременных существенных перегрузках [5–7]. Поэтому, как правило, основной причиной отказов трансформаторов вследствие тепловой перегрузки являются межвитковые короткие замыкания в обмотках [8–10].

Разработка дополнительной системы охлаждения силовых масляных трансформаторов

В связи с этим необходима разработка дополнительной системы охлаждения силовых мас- ляных трансформаторов, способных обеспечить снижение пиковой нагрузки и ее равномерное распределение в течение всей продолжительности работы за счет аккумуляции холода в часы, соответствующие минимальной тепловой нагрузке. Примером конструктивного оформления такой системы является использование дополнительной емкости, оборудованной каскадом полупроводниковых термоэлектрических модулей (преобразователей), которые представляет собой термоэлектрический холодильник, имеющий последовательно соединенные полупроводники p- и n-типа, образующих p–n- и n–p- переходы между керамическими пластинами. В свою очередь, каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла [11–14].

В нижнюю часть бака масляного трансформатора 1 вмонтирован змеевик 7 , предназначенный для дополнительного охлаждения силового трансформатора жидкостью – водой, находящейся внут-

Рис. 1. Дополнительная система охлаждения силового трансформатора: 1 – бак трансформатора; 2 – емкость; 3 , 4 – вертикальные грунтовые теплообменники (ВГТО); 5 – вертикальный канал квадратной или прямоугольной формы; 6 – насос; 7 – змеевик; 8 – термоэлектрические модули; 9 – ребра, служащие для формирования слоя льда; 10 , 11 – запорная арматура

ри емкости 2 . К наружной поверхности одной из стенок емкости 2 прикреплены термоэлектрические модули 8 , холодная сторона которых использована для теплопередачи охлаждаемой жидкости, находящейся внутри емкости 2 . При этом с целью формирования наибольшей толщины слоя льда на внутренней поверхности емкости 2 (со стороны термоэлектрических модулей 8 ) выполнено оребрение 9 (рис. 1).

Для эффективного отвода тепла с нагретой стороны термоэлектрических модулей 8 установлен вертикальный канал квадратной или прямоугольной формы 5 . Предварительное охлаждение циркулирующей воды происходит в вертикальных грунтовых теплообменниках 3 и 4 , выполненных в виде U-образных труб, вмонтированных в пробуренные скважины глубиной от 10 до 100 м [15].

Разработанная авторами настоящей статьи дополнительная система охлаждения силовых масляных трансформаторов имеет два режима работы. Первый режим – режим накопления холода используется в часы работы трансформатора, соответствующие небольшой тепловой нагрузке. В этом режиме вода, находящаяся в емкости 2, насосом 6 при закрытой запорной арматуре 11 подается на предварительное охлаждение в первую секцию ВГТО 3. Затем вода поступает в вертикальный канал 5, где происходит отвод тепла от нагретых поверхностей термоэлектрических модулей 8. Пленка жидкости, стекающая по вертикальной поверхности канала 5, наиболее эффективно снимает избыток теплоты, обеспечивая при этом пониженную температуру на холодной стороне термоэлектрических модулей 8. За счет этого на внутренней поверхности емкости 2 на выполненном оребрении 9 происходит кристаллизация воды и наращивание слоя льда. Далее вода, нагретая в вертикальном канале 5, поступает на дополнительное охлаждение во вторую секцию ВГТО 4, после чего направляется в верхнюю часть емкости 2 . Таким образом, за счет работы термоэлектрических модулей 8 происходит аккумуляция холода в емкости 2 при постоянной циркуляции охлаждающей воды.

Второй режим работы соответствует высоким тепловым нагрузкам работы трансформатора, т. е., как правило, высоким температурам окружающего воздуха. В этом случае охлажденная вода из емкости 2 насосом 6 при закрытой запорной арматуре 10 поступает в змеевик 7 , расположенный в нижней части бака трансформатора 1 . Вода, циркулирующая по змеевику 7 , охлаждает трансформаторное масло в баке 1 и далее подается в те же устройства, что и при первом режиме работы. Таким образом, дополнительное жидкостное охлаждение нижней части бака трансформатора приводит к повышению эффективности охлаждения трансформаторного масла в часы наибольшей тепловой нагрузки, предотвращая выход из строя силовых трансформаторов.

Расчетные данные и результаты исследований

Для определения конструктивных и режимных параметров работы ВГТО, предназначенных для предварительного охлаждения воды перед подачей в емкость используется математическая модель, предложенная в работе [16]. Согласно этой модели, общее решение задачи теплообмена в ВГТО для условия переменной температуры по- верхности скважины приводится к частному решению для постоянной температуры. В этом слу- чае теплоперенос в аппарате описывается системой уравнений:

Q = G m c p ( t L 1 t L 2 ) ;

Q = 2 k_t n Ln ( Il - 1g ) ,

где Q – тепловой поток, Вт; Gm – массовый расход теплоносителя (воды), кг/с; cp – удельная массовая теплоемкость воды, Дж/(кг·К); tL1 – температура воды на входе в ВГТО, К; tL2 – температура воды на выходе из ВГТО, К; kl – линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м·К); L – длина ВГТО (глубина скважины), м; n – количество ВГТО; tL – средняя температура воды в ВГТО, К; tG – температура грунта, К.

Линейный коэффициент теплопередачи с уче- том термического сопротивления слоя заполнителя скважины можно определить по формуле:

k l =

11 d 1

---+--In — +--In

d ₂ + 2 8 z d ₂

a d 1    2 X s    d 1    2 X z

где α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К); λs – коэффициент теплопроводности материала трубы ВГТО, Вт/(м·К); λz – коэффициент теплопроводности заполнителя скважины, Вт/(м·К); d1 – внутренний диаметр трубы ВГТО, м; d2 – наружный диаметр трубы ВГТО, м; δz – толщина слоя заполнителя скважины, м.

Коэффициент теплоотдачи при обтекании прямых труб можно найти по известным уравнениям [17, 18] в зависимости от режима течения теплоносителя:

– при развитом турбулентном (Re > 10 000):

течении

Nu = 0,021Re ⁰,8 Pr ⁰,43

– при переходном режиме (2300 < Re < 10 000) более точная зависимость получена в работе [19, 20]:

0,25

Nu = 3,66 + 0,0855 ( Re - 2320 ) 2/3 Pr ⁰,⁴³ —     ; (4)

V Pr s, )

– при вязкостно-гравитационном режиме (Re < 2300, Gr·Pr > 8·105):

( Pr T²⁵

Nu = 0,15Re ⁰,³³ Pr ⁰,4³ Gr ⁰,1 ---- ;       (5)

Pr

V ^P1 s? )

– при вязкостном режиме (Re < 2300, Gr·Pr < < 8·105):

0,14

Nu = 3,66 1-^-1    ,                          (6)

Ip st)

где Nu – число Нуссельта; Re – число Рейнольдса; Pr – число Прандтля; Gr – число Грасгофа; μ – коэффициент динамической вязкости жидкости, Па·с.

Система уравнений (1) решалась методом последовательных приближений с использованием замыкающих уравнений подобия (3)–(6). В качестве грунтовых теплообменников приняты U-образные полиэтиленовые трубы диаметром 50×4,6 мм. Теплопроводность труб принималась равной 0,38 Вт/(м·К). Трубы расположены в скважине диаметром 200 мм. Теплопроводность материала заполнителя скважины 2,3 Вт/(м·К). Проектный расчет ВГТО выполнен с учетом возможности до- полнительного отвода тепла от силового трансформатора, равной 150 кВт. При этом расчетная температура грунта составляла 8 °С, температуры теплоносителя на входе и на выходе из ВГТО 40 и 20 °С соответственно.

При заданных условиях общая расчетная длина ВГТО составила 783 м. В связи с этим при проведении исследовательских расчетов длина ВГТО (глубина скважины) составляла 50 м, количество – 8. Оценочные расчеты проводились для труб диаметрами 32×3,0 мм, 50×4,6 мм, 75×6,8 мм при различных температурах грунта. Разность температур теплоносителя на входе и на выходе из ВГТО изменялась от 10 до 30 °С. Результаты численных исследований показали, что на величину теплового потока, дополнительно отводимого от трансформатора, существенное влияние оказывают температурные характеристики теплоносителя, грунта (приемника теплоты), а также конструктивные размеры U-образных труб ВГТО.

На рис. 2 представлено изменение теплового потока, отводимого с помощью ВГТО, в зависимости от температуры грунта при различных разностях температур охлаждаемой воды на входе и на выходе из ВГТО. Из графика видно, что увеличение температуры воды на входе в ВГТО до 50 °С, соответствующее разности температур 30 °С, приводит к повышению теплового потока на 17,6–31,1 % по сравнению с начальной температурой воды в 40 °С. При этом снижение температуры грунта также приводит к росту количества переданного в него тепла. Стоит отметить, что температура воды на выходе из ВГТО принималась постоянной ( t L 2 = 20 °С).

При увеличении количества переданного тепла в ВГТО повышается требуемый расход охлаждаемого агента (рис. 3). Так, например, при температуре грунта 10 °С повышение температуры воды на выходе из ВГТО с 20 до 25 °С приводит к росту ее массового расхода на 50,6 %. При этом увеличение теплового потока составляет всего лишь 13 %. Основная доля повышения массового расхода теплоносителя связана с уменьшением разности его температуры на входе и на выходе из ВГТО.

Из данных, представленных на рис. 4, видно, что вклад термического сопротивления теплопроводности стенки трубы ВГТО в общее термическое сопротивление при исследуемых параметрах может достигать 78 %. При увеличении разности температур охлаждаемой воды на входе и на выходе из ВГТО наблюдается снижение отношения R st / R Σ , однако, не более чем на 0,52 %.

Увеличение диаметра трубы ВГТО при прочих равных условиях приводит к росту количества переданного тепла (рис. 5). Это связано с увеличением поверхности теплообмена в ВГТО. Стоит отметить, что данные получены при разности температур воды на входе и на выходе из ВГТО, равной 20 °С.

Рис. 2. Изменение теплового потока, отводимого с помощью ВГТО, в зависимости от температуры грунта при разностях температур теплоносителя на входе и на выходе из ВГТО A t , °С: 1 - 10; 2 - 20; 3 - 30

10 12 14 16 18 20 22 24 26 4г, °С

Рис. 3. Изменение массового расхода охлаждаемой воды в зависимости от ее температуры на выходе из ВГТО при различной температуре грунта t_G , °С: 1 – 5;

2 – 10; 3 – 15

Рис. 4. Отношение термического сопротивления теплопроводности стенки трубы ВГТО к общему термическому сопротивлению в зависимости от температуры грунта при разностях температур теплоносителя на входе и на выходе из ВГТО A t , °С: 1 -10; 2 - 20; 3 - 30

Рис. 5. Изменение теплового потока, отводимого с помощью ВГТО, в зависимости от температуры грунта при разных размерах труб d 2 x8 , мм: 1 - 32 x 3,0; 2 - 50 x 4,6;

3 - 75 x 6,8

Рис. 6. Отношение термического сопротивления теплопроводности стенки трубы ВГТО к общему термическому сопротивлению в зависимости от температуры грунта при разных размерах труб d2x8, мм: 1 - 32x3,0; 2 - 50x4,6; 3 - 75x6,8

Анализируя данные, представленные на рис. 6, видно, что уменьшение диаметра и толщины стенки трубы ВГТО приводит к снижению вклада термического сопротивления теплопроводности стенки в общее термическое сопротивление. Так, например, при уменьшении размера трубы с 75×6,8 до 32×3,0 мм наблюдается снижение вклада термического сопротивления теплопроводности стенки на 14,5–15,0 % в зависимости от температуры грунта.

Заключение

Проведенные численные исследования позволяют произвести подбор наиболее рациональных режимных и конструктивных параметров работы ВГТО, включенных в систему дополнительного охлаждения масляных трансформаторов. При этом установлено, что основное сопротивление теплопередаче сосредоточено в стенках труб ВГТО, изготовленных из полиэтилена. В связи с этим целесообразным является замена полиэтиленовых труб, например, на стальные. Это позволит увеличить тепловой поток, отводимый в ВГТО в десятки раз, либо при достаточном тепловом потоке существенно снизить поверхность теплообмена.

Проведенные исследования позволяют утверждать, что использование предлагаемой системы жидкостного охлаждения силовых масляных трансформаторов с помощью термоэлектрических модулей и ВГТО позволит дополнительно в моменты пиковых тепловых нагрузок отводить до 50 % тепла. При этом ожидаемое повышение мощности трансформатора в зависимости от его рабочих характеристик составит 25–40 %.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ № МК-4522.2018.8 (договор № 14.Z56.18.4522-МК от 17 января 2018 г.).