автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему: Прогрев и подсушка силовых трансформаторов сельских потребителей способом короткого замыкания на пониженной частоте
Автореферат диссертации по теме "Прогрев и подсушка силовых трансформаторов сельских потребителей способом короткого замыкания на пониженной частоте"
КУБАНСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО.ЗНАМЕНИ • ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ'УНИВЕРСИТЕТ"
На правах рукописи'
ЧЕСНШ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ •
ПРОШВ И ПОДСУШКА СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ' СЕЛЬСКИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ СПОСОБОМ КОРОТКОГО' ЗАМЫКАНИЯ НА' ПОИМЕННОЙ' ЧАСТОТЕ
Специальность 05.20.02 - Электрификация
А з т о.р е ф е р а т, диссертации на соискание ученой степени кандидата'технических наук "
Работа выполнена в Кубанском ордена Трудового Красного Знамени государственном аграрном университете.
Научный -руковчдитель: „доктор технических наук,' профессор /А.Н. КУЦЕЫЮ. Официальные оппоненты: .доктор'технических.наук, ■ . профессор В.Н. ДАНИЛОВ; кандидат технических наук, доцент А.И. ПАШНИН.
• Ведущее предприятие: ремонтно-наладочное предприятие • "Краснодарэнергоремонт" акционерного общества "Кубаньэнерго"•, г. Краснодар.
■ Защита диссертации состоится п1тп 1993 г,
К 120.23.0,7 Кубанского ордена Трудового Красного 'Знамени
государственного аграрного университета по адресу:
350044, г. Краснодар, ул.- Калинина, 13.
' Кубанский- ордена Трудового Красного 'Знамени
государственный аграрный университет,
■С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного аграрного университета.
Автореферат разослан 1^^1993 г.
Ученый секретарь специализированного-совета, кандидат технических наук,
' доцент - . ; . И. Г. СТРИЕКОВ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Ак£уальрссгь_темы. Эффективность работы предприятий при современном уровне электрификация зависит от стабильного электроснабжения, одним из элементов которого является трансформатор. Надежная работа трансформатора обусловлена состоянием его изоляции. Нз ряде сельскохозяйственных предприятий, в частности 1.'.элворат!И]чь:г насосных станциях, в связи с сезонным характером работы, изоляция трансформаторов подвергается увлажнения. Поэтому после ;.-оятагл перед сдачей в эксплуатацию, а также в процессе эксплуатации периодически проверяют состояние изоляция тр-г
сфэрматоря. Для восстановления его изоляционных свойств обюгки подсушивают.
Больной вклад в теорию и разработку практических способов прогрева и суики трансформаторов внесли Алексеев Б.А., Банников Ю.И., Бурцев Ю.Ф., Крылов Д.Л., Куц П.С., Леонидова Н.Б., Лизунов С Д., Лыков A.B.. Пикус И.О., Райхлкн ll.ivi., Немиров-Лй А.Е., Сыромятников H.A., Шереметьев Г.И., Кравцов Н.Я. и др. Разработкой и внедрением суют. трансформаторов токами нулевой последовательности занимались Загоскин В.И., Пястолов A.A., Кисель О.Б., Пзшнин А.И., Реймер A.A. и др.
В настоящее время для прогрева трансформаторов на месте установки используют методы нагрева постоянным током, током короткого замыкания на промышленной "частоте или нагрев токами нулевой последовательности.
Для этих же целей наш предложено использовать способ нагрева короткозамкнутого трансформатора током пониженной частоты (менее 0,5 Вз)., который обладает следующими преимуществами:
- осуществляется равномерный нагрев всех обмоток;
- уменьшается полная мощность источника питания, соответ-
ственно его габариты и стоимость;
- улучшаются условия безопаоности, т.к. напряжение нагрева составляет менее 1000 В;
- не требуется предварительного изменения схемы соединения обмоток;
- обеспечивается возможность контроля температуры обмоток по их. сопротивлениям;. •
- исключается возможность местных перегревов обмоток за счет добавочных потерь, обусловленных потоками рассеяния, которые приводят к разрушению изоляции во время нагрева;
' - сокращение времени нагрева трансформатора, а значит . сокращение сроков его простоя или ремонта.-
Цель_работы заключается в исследовании, нового способа нагрева трехфазных силовых трансформаторов методом короткого замыкания на пониженной частоте, разработка рекомендаций дая его практического применения при прогреве трансформаторов. ' Для решения поставленнойзадачи необходимо:
1. Теоретически и экспериментально обосновать оптимальную частоту тока и величину напряжения для прогрева трансформаторов предложенным способом.
2. Разработать методику расчета оптимальной частоты и • напряжения при прогрем. '.
3. Исследовать влияние частоты-тока на погокосцепление обмоток. ■ - '
4. Составить и исследовать, математическую модель электромагнитных процессов в короткозамкнутом трансформаторе при-, подключении под постоянное напряжение. . •
5. Провести анализ электромагнитных процессов системы: полупроводниковый коммутатор - трехфазный короткозамкнутый!
6. Разработать требования к источнику пониженной частоты.
Метода_исследования. Методика теоретических исследований гогокосцеплений обмоток трансформатора на пониженной частоте тока, переходные процессы в трансформаторе при подключении к непосредственному преобразователю частоты (НПЧ) базируются на векторном анализе л ['.атематическом моделировании электрических я шгтетных цепей с использованием упрощенной схеглы замещения трансформатора. Экспериментальные исследования проводились на реэль:-:нх трянсформаторах.
- разработан новнй способ нагрева силовых трансформаторов;
- исследована зависимость потокосцеплений обмоток трансформатора от частоты;
- определена опп:глль;:пя частота источника питания, установлена ез связь с ро:сяэль«с2 кошноотью и напряаэякеи траяс-формз тора;
- установлен алгоритм переключения обмоток транс^оркзтора при нагреве;
- впервые исследовано влияние.соотношения параметров ■ трансформатора и начальных условий на переходный процесс в ко-роткозаикнутом трансформаторе при подключении к источнику постоянного тока;
- исследованы электромагнитные процессы в системе НПЧ -трансформатор с учетом параметров .трансформатора и алгоритмов ■ управления.группами НПЧ;
- разработана инженерная методика расчета параметров нагрева -трансформатора.
2ракгическля_ценносгь. Способ прогрева граисфорыаторов . ■' токами, пониженной частоты позволяет снизить'эксплуатацжшные . затраты'за счет сокращения' времени нагрева трансборт тора и ' . уданынить'.раоход электрическое энергии. Предложенный способ р.е-. ' тотендается;использовать' для нагрева трансформаторов'насосных ' станций гидромелиоративных ^систем при подготовке алектрообэру- •
". .-''•' у .- '•. Разработана методика- выбора оптимальных напряжения и час-■ •чт0№/т6вд/для'напева;транс^ршто]ра.. '
"•'.' у.; ..'-.. 2..'Ис,слздрвяние -.зависимости лотокойцепдений обмоток-тран- •
; сформатора -.о* частоты.' ' . ■ у ■ •
•' .¡4«'Влиянав ;соотнотзе,ния параметров • трвнос.ородторз к нзчаль-/ ных условий на переходный процесс в .корбткозащдаутоМ транофор-: шторе при. подключении :к лоточнику- постоянного ток$.
•■.' 5. Влияние .параметров трансформаторов и. алгоритмов управ; ; .' ■ ления .группами'. НИ -на', электромагнитные процессы в спстеке •' -у ШТ-. трансформатор.- ; -.'. '. : . '
; /Апдобадия ¿абота,-. Результаты-исследований .докладывались, :. -обсуждались и получили, одобрение- на -'научных; конференциях ■Кубан-■ ; окого государстве иного, аграрного .университета в .1981-1993 1т;,. •. на.научных конфбренциях • Эелябинркого -государственного -атройн— :■• • женерного университета (1984 г'.19У1 г.), на- научной конферен-.- ' -' ' ции'Азово-Черроморского ирститутр- механизации сельского хоз'яй- ' ■ -•'• ства (у.; Зерноград, 1986- г.У,. чя- научной^ конфер'ещда.молодых- ■
ученых Кубани (г* Краснодар, 1965-г.). .
По результатам исследований опубликовано' 7 работ', в том числе одно авторское свидетельство. . .
' ' ¿тцукуи?! й объем £абагыЛ Диссертация состоит, из введения, обтай характеристики работы, шести• глав,- выводов, списка использованной литературы из 69 наименований и приложений, содержит' 178 страниц, включая 56 рисунков, 7 таблиц; • "
СОДЕ ЕЖА НИЗ РАБОТЫ .
Пе£вая_гл5ва■ посвящена анализу методов нагрева силовых трансформаторов, .
При эксплуатации и ремонте трансформаторов необходим их нагрев для контроля состояния,изоляции, при разборке во время . ремонта, для.подсушки и сушки трансформаторов. Процесс этот слонянй и -трудоемкий. Проведена работ в нестационарных условиях усложняется.• Недостатками сущзствуваяпх методов нагрева являются: установка дополнительной обмотки на баке; неравномерность нагрева обмоток; значительное-превышение, мощности источника питания по отношению к мощности нагрева; необходимость изменения схемы соединения обмоток и т.д.-
Предлагаемый новый способ нзгрева силовых трансформаторов ' на месте установки объединяет достоинства двух-методов: наг±.зв токами короткой) замыкания на промышленной частоте и нагрев, постоянным током. Одна из обмоток, обычно низкого напряжения, :замыкается накоротко (рис.' I). .Фазы другой.обмотки через ком--му та тор. поочередно подключаются к источнику постоянного тока (рис. 2) через определенное время,- которое зависит'от параметров трансформатора.-При выборе-надлежащего времени переключения, ключей коммутатора ток'из первичной обвдтки трансформатора
Рис.. I,- Схет подключения трехфазного трансформатора к источнику постоянного тока через коммутатор при соединении первичных обмоюк: а) звездой; б) треугольником' •
Номера включенных контакты
Полярность напряжения Ий еыШных концах фаз
6.6 I 1е | а | 2.3 [ 34 \ Ц.5
Рис. 2. Временные диаграммы рас5оты коммутатора
трансформируется в короткозамкнутую вторичную обмотку. В результате по обмоткам трансформатора протекает ток низкой частоты, который и нагревает обе обмотки. По своим энергетическим показателям этот способ приближен к методу нагрева постоянным током. Схема соединения возбуждающей обмотки не имеет принципиального значения. ■
На основании сравнения нагрева трансформатора постоянным током и методом короткого замыкания установлено, что разность установившая температур обмоток и масла зависит как от теплопередача масла, так и от способа нагрева. При нагреве постоян-намтоком эта разность значительно повышается. Для уменьшения этой разности баки трансформаторов надо утеплять. При нагреве способом короткого замыкания сближение температур обмоток и масла получается без дополнительных материальных затрат.
Во_зто£ой главе, исследуется влияние частоты тока на •"пзрэгэтры источника питания для нагрева трансфер:«торов методом короткого замыкания и магнитные нагрузки в разных сечениях магянтопроЕода.
Отнесение полной номинальной мощности короткого замыкания трансформатора к активной мощности короткого замыкания1при частоте 50 Гц с увеличением номинальной мощности трансформатора растет. Так для номинального напряжения 35 кВ. полная мощность короткого замыкания превышает активную составляющую для трансформаторов 100 кВА, 10000 кВА и 80000 кВА соответственно в 3,3; 11,5; 27,2 раза. При этом коэффициент мощности очень низкий (0,4. 0,6). С увеличением мощности трансформатора увеличивается и напряжение короткого замыкания. Для трансформаторов 6 кВ и 10 кВ оно изменяется в пределах от 0,27 кВ до 0,75 кВ при мощностях от 40 кВА до 6300 кВА, для 35 кВ и мощ-
ностях от 100 кВА до 80000 кВА - от 2,23 кВ до 3,33 кВ. Значит источники питания при напряжении 35 кВ и выше должны быть вя-соковольтными, что усложняет эксплуатацию этих источников и проведение процесса нагрева.
В основе предлагаемого способа лежит по возможности полная . трансформация тока первичной обмотки во вторичною. Поэтому используется время переходного процесса,-когда магнитная система■ ненэсыщена. Известно, что при ненасыщенной магнитной цепи ток- . намагничивания мал. Поэтому.для исследования режима короткого замыкания при пониженной частоте использована упрощенная схема замещения. ■ 1 .
■С уменьшением частоты отношение полной мощности короткого ' , замыкания .к активной мощности короткого замыкания и аналогия- , ное отношение'напряжений уменьшаются. При частотах менее 0,01 номинальной-напряжение практически равняется активной составляющей напряжения короткого замыкания. Мощность и напряжение'при' понижении-частоты для трансформаторов 1000 кВА, 35 кВ снижается в 5,5 раза, для 10000 кВА,.110 кВ а 17,5 раз, для 80000 кВА, ПО кВ в 27 раз. -•
.0 уменьшением частоты возрастает индукция в стержне маг-нигопровода трансформатора. Это приводит к росту тока намагни-, чивания и уменьшению тока во_вторичной обмотке. Поэтому грани-' цу снижения-частоты определяет-номинальная индукция в стержне.
Исследования магнитных нагрузок в разных сечениях магниго-провода проводились с помощью потокосцеплений обмоток, предпо- -лагая их пропорциональную связь с магнитными потоками. За первичную обмотку принималась возбуждающая обмотка, а за вторичную - короткозямкнутая. . ■
При номинальной частоте значительно разнятся потокосцепления первичной и вторичной обмоток. Стержни и ярма загружены магнитными потоками по-разному. На магнитную загрузку стертая (ярма) влияет, какая обмотал будет возбуждащей, а какая ко-роткозамкнутой. При номинальной частоте в зависимости от коки-нальнса мощности трансформатора потокосцепления значительно разнятся. По мере снижения частоты потокосцепления обкоток сближаются и чем больше мощность, тем при более низкой частоте происходит это сближение.
■ Отношения потоков рассеяния первичной и вторичной обмоток к основном® потоку зависят от распределения потока рассеяния между обмотками. Чем больше сцепляется поток рассеяния с возбуждающей обмоткой, тем больше расхождение мзяду потоками рассеяния. Уменьшение частоты приводит к уменьпанию о-тносителышзс величия потоков рассеяния.
При мини&ильной частоте магнитные потоки по стержням л ярмам практически одинаковы независимо от того, какая из обкаток возбуждающая, а какая короткозамкнутая.
Третья_глава посвящена разработке источника питания, определению параметров нагрева трансформатора на пониженной частоте. .
При прогреве предлагаемым способом форма напряжения источника может быть прямоугольной, отсутствует даверторный режим. Габариты источника должны быть наименьшими. С учетом этих требований произведен сравнительный анализ преобразователей частоты со звеном постоянного тока и ШГЧ, который показал, что для получения частоты от единиц герца и особенно ниже единицы герца наиболее рациональным является НИ.
Из рассмотренных способов управления НИ с учетом требо-
ваний к источнику напряжения принят наиболее простой способ -раздельное программное управление по группам без ияверторного . рехимц.
Для правильного функционирования преобразователя частоты необходимо в соответствии о алгоритмом по очереди ноизров включать труппы тиристоров (ключей) /рис. I/. Их включение осуществляется черев П/З радиан углового напряжения на обмотках трансформатора. Для настройки программного устройства необходимо знать не угловой, а временной интервал /7 Период напряжения на обмотке трансформатора определяется:
где Ии^и.!- соответственно номинальные напряжения-фавн ' трансформатора и источника•постоянного тока;
А & - изменение индукции сердечника.при его пере-иагничивании; .
К А - коэффициент алгоритма управления ключами..
Коэффициент алгоритма зависит от длительности включенного состояния ключей в и схемы соединения обмоток трансформатора. Для д = %%, и соединения звезда Кя = 1/3, для соединения треугольник Кя = 2/3.
Разработана методика инженерного расчета параметров источника питания при прогреве на пониженной частоте.
Четве£тая_глава посвящена углубленному теоретическому ■ исследовании переходного процесса в короткозамкнутом трансформ торе при подключении на постоянное напряжение.
Разработка этих-процессов дает возможность рассмотреть
влияние соотношения параметров трансформатора и начальных условий на форму токов в обмотках, определить их экстремальные значения, выяснить состояние магнитной цепи.
Корни характеристического уравнения с достаточной степени) точности определяются:
где в"- коэффициент электромагнитного рассеяния; • Ьк - индуктивность первичной обмотки.
Обратные величины корней характеристического уравнения яйляются постоянными времени затухающих свободных составляющих токов. С увеличением номинальной мощности тренсформатора постоянные времени увеличиваются. Для напряжения 35 кВ при изменении номинальной мощности от 100 кВА до 80000 кВА большая постоянная времени " 1/(Р];| изменяется от 29 с до 1210 с, а меньшая 1/1^2) от 0,01 с до 0,0863 с. Постоянные времени разнятся более чем в 1000 раз. При гаком различии корней вторая свободная составляющая затухает при практически неизменной перво! составляющей. Эта особенность не отражается в известных литературных источниках' и может привести к недоразумениям . при исследовании предлагаемэго способа нагрева.
Для анализа влияния начальных условий на постоянные интегрирования они представлены в виде:
где Aj - постоянная интегрирования для нулевых начальных условий, зависящая только от параьвтров . трансформатора; KaJ - коэффициент постоянной интегрирования, учитывающий • влияние начальных условий на величину постоянно? интегрирования и зависящий от н»чзльных условп; \ и парамзтров трансфертатора.
Одновременная комбинация знаков К¿j ограничена пх взаимной связью и имеет следузссие возможные варианты:
I вариант Kai=Kaí= 0, KaZ^Kmï О ; (5) -П вариант Kai= = Кп 4 Û, Ka¿= 4 О ; (6) • Ш вариант Цщ = 0, Ка2- Ы 4 0 ! ^
1У вариант Им— IÍA5=HaS 4 0, . /