Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ методов нагрева силовых трансформаторов 12
1.1. Прогрев изоляции трансформаторов при эксплуатации и ремонте 12
1.2. Анализ способов прогрева и сушки трансформаторов
1.2.1. Нагрев трансформаторов индукционными потерями в собственном баке 16
1.2.2. Прогрев и сушка трансформаторов токами нулевой последовательности 18
1.2.3. Прогрев и подсушка трансформаторов постоянным током и токами короткого замыкания 19
1.3. Сравнение методов нагрева постоянным током и переменным током при коротком замыкании 23
1.3.1. Математическое писание процесса нагрева трансформаторов 23
1.3.2. Анализ установившегося режима 26
1.3.3. Анализ переходного режима 30
Глава 2. Влияние частоты тока на параметры источника питания для нагрева трансформатора методом корот кого замыкания 34
2.1. Сравнительный анализ мощностей источника питания и нагрева трансформатора для различных номинальных мощностей и напряжений трансформаторов при номинальной частоте 34
2.2. Схема замещения трансформатора и ее упрощение для режима короткого замыкания при зна чительно пониженных частотах 35
2.3. Зависимость мощности источника питания от частоты 38
2.4. Зависимость потокосцеплений обмоток от частоты 44
2.5. Зависимость минимальной частоты источника питания от номинальной мощности и номинального напряжения трансформатора 57
Глава 3. Разработка источника питания для прогрева транс форматора пониженной частотой тока 67
3.1. Требования к источнику питания для прогрева трансформатора пониженной частотой тока 67
3.2. Анализ источников питания регулируемой частоты 68
3.3. Выбор схемы силовой части источника регулируемой частоты 72
3.4. Выбор упрощенной системы управления
3.4.1. Согласованное совместное управление группами НПЧ 74
3.4.2. Согласованное раздельное управление группами НПЧ 81
3.4.3. Раздельное программное управление группами НПЧ 83
3.4.4. Раздельное программное управление группами НПЧ без инверторного режима 86
3.4.5. Выбор способа управления НПЧ для прогрева трехфазных трансформаторов 3.5. Выбор времени переключения обмоток трансформатора при прогреве 87
3.6. Методика расчета параметров источника пита ния при прогреве трансформаторов способом ко
роткого замыкания на пониженной частоте 93
Глава 4. Переходные процессы в трансформаторе при подключении на напрямне постоянного тока 95
4.1. Корни характеристического уравнения 96
4.2. Постоянные интегрирования 99
4.3. Характер изменения переходных токов в обмотках 103
4.4. Упрощенные уравнения описания изменения токов в обмотках ИЗ
4.5. Влияние насыщения магнитной цепи трансформатора на изменение токов в переходном режиме 116
Глава 5. Анализ электромагнитных процессов системы him трехфазный трансформатор 124
5.1. Особенности электромагнитных процессов системы НПЧ - трехфазный трансформатор 124
5.2. Напряжение на фазах трехфазного трансформа- тора при питании его от НПЧ с нулевыми группами 125
5.3. Уравнения переходных процессов НПЧ - трансформатор при включении и отключении групп .,. 138
5.4. Форма напряжения и тока фаз при различных длительностяъ работы групп НПЧ 147
5.5. Время отключения группы 152
5.6. Действующие значения токов в обмотках и мощность нагрева 153
5.7. Методы регулирования мощности нагрева 158
Глава б. Экспериментальные исследования и технико-экономическая оценка способа прогрева трансформаторов 160
6.1. Методика экспериментального исследования 160
6.2. Экспериментальная проверка электромагнитных переходных процессов при подаче постоянного напряжения на короткозамкнутый трансформатор 161
6.3. Экспериментальная проверка электромагнитных процессов НПЧ - трансформатор 162
6.4. Технико-экономическая оценка предлагаемого способа нагрева трансформатора 166
Выводы 170
Список использованной литературы
- Прогрев и сушка трансформаторов токами нулевой последовательности
- Схема замещения трансформатора и ее упрощение для режима короткого замыкания при зна чительно пониженных частотах
- Согласованное совместное управление группами НПЧ
- Экспериментальная проверка электромагнитных переходных процессов при подаче постоянного напряжения на короткозамкнутый трансформатор
Прогрев и сушка трансформаторов токами нулевой последовательности
Нагрев токами нулевой последовательности /32,33,34 и др./ применяется для прогрева и сушки трансформаторов в собственном баке. В этом методе подготовительные работы менее трудоемки, чем при использовании индукционного способа, так как не нужно изготавливать специальную намагничивающую обмотку. В качестве такой обмотки используется одна из обмоток трансформатора, включенная по определенной схеме /8/.
При подключении намагничивающей обмотки к источнику питания по ней протекает ток, который создает в стержнях магнитопровода н.с. нулевой последовательности. Поток нулевой последовательности в трехстержневой магнитной системе замыкается через воздух и конструктивные элементы трансформатора. Это позволяет сократить нагрев активной части до температуры сушки вдвое, в сравнении с длительностью нагрева потерями в собственном баке.
Тепловой поток имеет одинаковое направление с потоком вла ги, следовательно, процесс сушки активизируется здесь за счет явления термодиффузии. — При всех перечисленных достоинствах описываемый способ прогрева и сушки трансформаторов имеет существенные недостатки, К ним можно отнести то» что потерями от тока нагревается только намагничивающая обмотка. Другая обмотка разомкнута и нагревается за счет теплопередачи от внешнего источника тепла, поэтому нагрев и сушка этой обмотки замедляется. Потери мощности в намагничивающей обмотке незначительны и составляют не более 3 % от подведенной из сети мощности, в то время как на бак приходится до 70 % подведенной мощности. Такой баланс мощности нельзя считать удовлетворительным, поскольку нагревать и сушить в первую очередь нужно изоляцию обмоток. Кроме того, большие потери мощности в баке приводят к чрезмерному его нагреву, и передаче значительного количества тепла в окружающую атмосферу. Этому методу присущи и другие недостатки: I) требуется нестандартный источник питания; 2) невысокий коэффициент мощности CosУ 0,5 0,65 /8/, а следовательно, повышенная мощность источника; 3) при наличии соединения обмоток треугольником требуется его разрыв, что связано с разборкой трансформатора, вследствие чего усложняется технология сушки.
Прогрев и подсушка активной части трансформаторов постоянным током и токами короткого замыкания производится в собственном баке с маслом /10/.
При прогреве трансформаторов постоянным током для питания используется выпрямительное устройство. Источником питания здесь может служить полупроводниковый выпрямитель, генератор постоянного тока, сварочный генератор. В зависимости от мощности источника питания выбирается схема соединения обмотки, к которой подводится постоянное напряжение /10/. Нагрев активной части и трансформаторного масла осуществляется здесь лишь за счет тепла, выделяющегося в обмотках от протекания постоянного тока. Поэтому трансформатор нагревается сравнительно большое время. С целью сокращения длительности прогрева предварительно форсируется нагрев обмоток до температуры 80 Ю5С с током (2,5 3,5)1Н, как это предлагается в /22/. Однако и такой режим не позволяет ощутимо снизить длительность процесса прогрева из-за того, что постоянная времени нагрева обмотки в десятки раз меньше постоянной времени нагрева масла. Обмотки очень быстро нагреваются до предельно допустимой температуры, а масло между тем остается холодным.
Недостатком прогрева постоянным током является также то, что тепло выделяется только в одной из обмоток трансформатора, а, следовательно, имеет место неравномерный нагрев обмоток. Для обмоток низкого напряжения требуется источник с большим током.
Достоинством этого метода является невысокое напряжение источника питания. Мощность источника близка к мощности нагрева, то есть высокий Cosf . Возможность простого контроля температуры обмоток по их сопротивлению. Эти достоинства и обеспечили широкое применение этого метода.
Необходимо отметить, что есть опыт сушки в полевых условиях трансформаторов без масла постоянным током /29/.
При нагреве трансформаторов токами короткого замыкания одна из обмоток замыкается накоротко, а на другую подается пониженное трехфазное напряжение /2/. Неучаствующая в нагреве обмотка трехобмоточного трансформатора остается незамкнутой и заземляется через один из выводов.
Схема замещения трансформатора и ее упрощение для режима короткого замыкания при зна чительно пониженных частотах
Анализ переходного процесса сагрева показал, что изменение превышения температуры опроцки арисг ева) представляется двумя препошениамие одна из коборых обуслов1ена постоянноя времени обмоткин а вторао посиоянноо времени маслаа Температура обметоо сначала аастет яыстроя и йе скоростм связана с постояноой нагресн обмотрас которая очень маск росраснению с состоянной времени васла (составляет несколькм проценсравн Зитес, по мерн увеличения разноста температур ькоопро и масла Зат больше ерплоты передается обмоткте маслуу р темп иагрева абмоткб лнижатепя.
Постоянная времени ирактическе ае завикит ни изменения удельных ояплоємвосмей обмоток и масла. Привышение температуры масль представляется практически одной экспонентой» котерат обумлолаена пстаоянной яремети маслао она большаян и текоература маола наспос медленнвр На иостояннуо времени масла ем еразывают влияния стплофизические парамеоры обморек, иомтому кривые переходного процесса нагрева масла р одинаковой пэстмянной времени для огоих опособон нагревм совпадаютн к во время как кривые нигрево обмоспо очень рарличаютсяа Постоянная времяка касла зависит от удельноо теплопередачи масла и при ее уменьшении (утепсенио трансформатора п др.а ивеличиваеп постоянную временимасла.
Таким образом, снижая в способе нагрева постоянным током установившуюся температуру обмоток за счет утепления бака, можно увеличивать длительность нагрева трансформатора.
Из кривых нагрева в разных условиях для одного и того же установившегося превышения температуры масла, равного (рис. 1.9), можно установить разность температур обмоток и масла в . На рис. ЇЛО представлена эта разность, из которой видно, что разность температур сначала растет очень быстро, достигает максимума, незначительно превышающего установившееся значение , а затем медленно уменьшается до установившегося значения. По данным рис. 1.10 при одинаковых условиях охлаждения бака (одинаковые удельные теплопередачи масла) разность температур обмотки и масла при нагреве постоянным током значительно выше. Поэтому греющие и негреющие фазы обмоток имеют очень разную температуру по сравнению с методом короткого замыкания, где температуры фаз обмоток практически одинаковы. Для уменьшения разности температуры обмоток и масла необходимо утеплить бак.
Таким образом, при сравнении методов нагрева применительно к трансформаторам, установленным на насосных станциях, рекомендуется метод короткого замыкания на частотах до I Гц. Этот метод дает равномерный прогрев обмоток и позволяет нагревать трансформаторы без дополнительного утепления, что является существенным при прогреве трансформаторов гидромелиоративных станций на месте их установки. ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ТОКА НА ПАРАМЕТРЫ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДЛЯ НАГРЕВА ТРАНСФОШАТОРА МЕТОДОМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ 2.1. Сравнительный анализ мощностей источника питания и нагрева трансформатора для различных номинальных мощностей и напряжений трансформаторов при номинальной частоте
Как было сказано выше, наиболее часто прогрев и подсушку проводят электрическими потерями в обмотках при пропускании по ним электрического тока. В настоящее время преимущественно используется постоянный ток» что обусловлено, в основном, относительно меньшими габаритами и полной мощностью источника по сравнению с переменным током, а также более простым способом контроля температуры обмоток по их сопротивлению. Однако, неравномерность нагрева обмоток и ограниченная мощность являются серьезным недостатком этого метода. Уменьшить неравномерность можно путем усложнения источника питания, например, два источника: один с высоким напряжением и малым током, другой с низким напряжением и большим током. Однако ограничения по мощности останутся, так как нельзя включить в нагрев с номинальным или больше номи-нального тока все обмотки. При переменном токе, используя метод короткого замыкания, можно получить равномерный нагрев обмоток, включить в нагрев все обмотки трансформатора и этим самым значительно повысить мощность нагрева. Однако этому при стандартной частоте препятствует большая полная мощность относительно мощности нагрева и высокое напряжение.
U увеличением номинальной мощности трансформатора полная номинальная мощность короткого замыкания относительно активной части растет (рис. 2.1). Причем интенсивность роста увеличивается. Так, для номинального напряжения 35 кВ полная мощность ко 35 роткого замыкания в долях от активной составляющей в диапазоне от 100 до 1000 кВА выросла в 1,65, в диапазоне от 1000 до 10000 кВА в 2,1, в диапазоне от 10000 до 80000 кВА они составляют 2,34 (на рис, 2Л не показано). Соответственно для 100, 10000 и 80000 кВА они составляют 3,3; 11,5; 27,2. Это означает, что если нагрев трансформатора проводить при номинальном токе, то мощность нагрева превышает габаритную мощность источника соответственно в 3,3; 11,5 и 27,2. Коэффициент мощности, представляющий собой обратную величину (рис. 2.1), будет низок и с увеличением мощности трансформатора понижается. С увеличением габаритной мощности увеличивается напряжение. Для трансформаторов 6-Ю кВ они составляют (0,27 + 0,75) кВ при мощностях 40 6300 кВА, для 35 кВ и мощностях 100 80000 кВА - (2,28 3,33) кВп, а для НО кВ и мощностях 2500 80000 - 11,5 кВ. Как видно, источники питания при напряжении 35 кВ и вше должны быть высоковольтными. Но высоковольтные установки и высокое напряжение при нагреве усложняют использование источников и проведение процесса нагрева. Это подтверждает указанные выше недостатки прогрева методом короткого замыкания.
Согласованное совместное управление группами НПЧ
Частоту, отличную от частоты сети, можно получить с помощью вращающихся и статических преобразователей. Вращающиеся преобразователи частоты выполнены на основе электрических машин: синхронных или асинхронных. У этих преобразователей частоты полная электромагнитная мощность при номинальном токе и при уменьшении частоты понижается пропорционально уменьшению частоты. Но если условия охлаждения ухудшаются по сравнению с работой на номинальной частоте, то полная электромагнитная мощность уменьшается еще больше. Для прогрева трансформатора указанным способом частота источника питания, как это было указано выше, составляет несколько процентов или доли процента для крупных трансформаторов от номинального значения. Если для оценки принять относительную частоту I %9 то машинный преобразяватель будет иметь электромагнитную мощность не более I % от номинальной, а этой мощности уже недостаточно для покрытия потерь в самом машинном преобразователе. Поэтому машинные преобразователи для частот от единиц герц и ниже не могут быть использованы.
Для получения частоты от единиц герц и ниже хорошо подходят тиристорные преобразователи частоты (ОТ). Известно, что они подразделяются на три типа: I) ШЧ с промежуточным звеном постоянного тока; Z) ТЇЇЧ с непосредственной связью (или ТПЧ без звена постоянного тока); 3) ТПЧ с промежуточным звеном переменного тока повышенной частоты /44, 45, 46, 56, 59/. Последний тип практически является ТПЧ с непосредственной связью для повышения выходной частоты. Так как для нагрева нужна весьма низкая частота, то интерес представляют первые два типа. а) с промежуточным звеном постоянного тока; б) с непосредственной связью тока (рис. 3.1 CL) включает: I) источник постоянного тока, выполненный по схеме трехфазного мостового выпрямителя с конденсаторной батареей на выходе - С; 2) автономный инвентор АИН, преобразующий постоянный ток в трехфазный переменный заданной частоты fz ; 3) обратный выпрямитель (ОВ), для обмена реактивной мощностью нагрузки и источника тока. АИН выбран с междуфазной коммутацией и содержит минимальное число тиристоров /44/ и ограниченную емкость за счет последовательного включения с тиристорами диодов, которые называются "отсекаш ми" /47/. В данном инверторе выключение тиристоров осуществляется при включении очередного тиристора. Сигналы управления на тиристоры подаются с фиксированным интервалом Q - Jf . Таким образом, длительность работы у каждого из тиристоров в периоде не превышает — радиан. Тиристоры работают группами по 2. Достоинством рассмотренного преобразователя частоты является независимость выходной частоты f& от частоты сети /у /44/. Этот ТПЧ относится к преобразователям частоты с автономными инверторами напряжения (АИН). В них форма выходного напряжения определяется только порядком переключения тиристоров, а форма тока зависит от нагрузки. Для обеспечения обмена реактивной энергией между нагрузкой и источником постоянного тока параллельно входу АИН устанавливается конденсаторная батарея большой мощности С. Эта батарея обменивается реактивной мощностью с активно-индуктивной нагрузкой через обратный выпрямитель - ОВ.
ТПЧ со звеном постоянного тока может быть выполнен и с автономным инвертором тока (АЙТ). АЙТ получится, если в схеме рис. 3.1 а конденсаторную батарею перенести на выход инвертора, а на входе АИТ включить последовательно с выпрямителем сглаживающий реактор очень большой индуктивности, и таким образом сделать источник питания источником тока /44/. У АИТ форма-выход 71 ного тока определяется только порядком переключения тиристоров, а форма выходного напряжения зависит от характера нагрузки Схема силовой части АИТ упрощается, так как она не содержит обратных выпрямителей. Однако у Ш большие затруднения при работе на активно-индуктивную нагрузку /44/, а также затруднения с его пуском, особенно если будут подключаться различные нагрузки. Поэтому ТОТ с АИТ рекомендуется использовать с постоянной или известной нагрузкой, например, работа на асинхронный двигатель.
Короткоеамкнутмй трансформатор является активно-индуктивной нагрузкой, а различные трансформаторы по мощности создают широкий диапазон нагрузок ТПЧ. Поэтому необходим выбирать ТОТ с АЙН /45/.
Второй тип трехфазного ТОТ - непосредственный преобразователь частоты (НОТ) (рис. З.1 б). Он имеет простейшую схему и содержит 18 тиристоров, объединенных в .6 групп, включенных попарно встречно-параллельно. Обычно пара встречно-параллельных групп соединяется через реактор, когда используется совместное управление, или без них, когда применяется раздельный способ управле-ния группами /46/. В последнем случае нет моментов времени, когда на какую-либо пару, соединенную встречно-параллельно, одно-временно подавались бы импульсы управления. Волее того, при управлении предусматривается пауза, когда после выключения группы из работы на эту пару групп не подаются импульсы. Это исключает уравнительные токи в этой паре, а, следовательно, нет необходимости и в реакторе, который предназначен для ограничения уравнительных токов /46, 48/.
Выходное напряжение формируется порядком включения группы. Если угол включения тиристоров в группе постоянный, а сигнал управления следует через Q -А-ST радиан, то форма выходного напряжения подобна ТОТ с АЙН (риис 3.1 а). НПЧ обычно предусматривает работу групп в выпрямительном и инверторном режимах. Но если последнего режима не предусматривать, то это делает систему управления достаточно простой. В этом случае реактивная мощность отключенной фазы передается в сеть через остающийся в работе один вентиль до тех пор, пока ток вентиля не снизится до нуля и группа полностью выключится. НПЧ при естественной коммутации вентелей могут давать выходную частоту только ниже частоты сети. В ТПЧ с АИН имеет двухкратное преобразование энергии, ШЧ только однократное. Это означает, что НПЧ имеет меньшие потери, а, следовательно, более высокий КОД, чем ТПЧ с АИН. Необходимо также отметить, что когда венти-ли АЙН работают с небольшой частотой, то предельный ток вентелей инвертора снижается /49, 60/. Поэтому выбирать их надо на больший паспортный средний ток, и в результате масса и габарит АИН окажутся повышенными.
Экспериментальная проверка электромагнитных переходных процессов при подаче постоянного напряжения на короткозамкнутый трансформатор
Параметры трансформаторов и их соотношения зависят от номинальных значений мощности и напряжения. Для оценки влияния на корни характеристического уравнения номинальной мощности и напряжения трансформатора на рис. 4.1 приведены зависимости модулей обратной величины корней для трансформаторов от 100 кВА до 125000 кВА Й напряжением б кВ, 10 кВ, 35 кВ и НО кВ (см. также приложения 1,2,3,4). Обратные величины корней являются постоянными времени затухающих свободных составляющих токов в уравнениях (4.1) (4.3). Эти зависимости рассчитаны при условии % ,Z Z.
Из рис. 4.1 видно, что с увеличением номинальной мощности трансформатора постоянные времени увеличиваются, следовательно, корни модулей уменьшаются. Однако диапазон увеличения постоянных времени много меньше диапазона изменения номинальной мощности. Причем большая постоянная времени —щ изменяется в большем диапазоне, чем меньшая постоянная щ-. Для напряжения 35 кВ при изменении номинальной мощности от 100 кВА до 80000 кВА большая постоянная времени изменяется от 29 с до 1210 с, а меньшая от 0,01: с до 0,0863 с.
При возрастании напряжения большая постоянная времени (рис. 4.1) имеет слабую тенденцию на уменьшение, а малая постоянная времени небольшую тенденцию на увеличение. Это объясняется увеличением электромагнитного рассеяния с повышением номинального напряжения, что можно установить по напряжению короткого замыкания.
Весьма важно отметить, что из-за сильной электромагнитной связи обмоток трансформатора при ненасаденной (или слабо насыщенной) магнитной системе корни, а следовательно, и постоянные времени, сильно разнятся, из уравнений (4.7) (4.10) имеем: A vS =ЧгдГ,Й (4-ш
Как видно из рис. 4.1, это отношение больше 1000. Повышение номинальной мощности трансформаторов увеличивает это отношение. Однако диапазон увеличения мал по сравнению с диапазоном изменения мощностей. Для напряжения 35 кВ при изменении номинальной мощности от 100 кВА. до 80000 кВА отношение корней изменяется от 2,9 Ю3 до 14 Ю3. При таком различи корней вторая свободная составляющая в уравнениях (4.15 и (4.2) затухает при практически неизменной первой составляющей. Эта особенность не отражается на графиках /65/, что может привести к недоразумениям при анализе переходного процесса. Повышение номинального напряжения имеет тенденцию к малому уменьшению отношения корней.
Для анализа влияния мачальных условий постоянные интегрирования представим в следующем виде: Aj Aj-Ktj , j« 1,2,3,4,5,6, (4.12) где Л] - постоянная интегрирования для нулевых начальных условий, зависящая только от параметров трансформатора ; 4 Aj - коэффициент постоянной интегрирования, учитывающий влияние начальных условий на величину постоянной интегрирования и зависящий от начальных условий и параметров трансформатора. В общем виде уравнения для постоянных интегрирования сложны. Но учитывая, что для трансформаторов L /Л и электромагнитное рассеяние достаточно мало даже при значительном насыщении, уравнения постоянных можно упростить, йце большие упрощения можно допустить для трансформаторов, когда магнитная сиете 100 ма не насыщена, принимая (Н / Uг. )яI. Упрощенные уравнения составляющих (4.12) даны в таблице 4.1.
Проанализируем практически важный случай ненасыщенной (или слабо насыщенной) магнитной цепи, когда можно принять yi « r z. «М« Как видно из таблицы 4.1» постоянные интегрирования при нулевых начальных условиях Ар л, Ц, Ц зависят только от сопротивлений обмоток. Причем Xg и A3 равны, a А равна им по модулю, но противоположна по знак,. Постсянные А4 И kL являются постоянными величинами, не зависящими от параметров трансформатора. Зависимость постоянных интегрирования при нулевых условиях от сопротив-лений показана на рис. 4.2. Из этого рисунка видно, что постоянные Aj, Ag, A3, Ag отрицательны, а положительна. По мере роста отношения сопротивлений первичной и приведенной вторичной об-моток, постоянная Ат по модулю уменьшается, а другие постоянные, кроме Ig „аоаоро,, увеличиВаются неизменна и по модулю равна единице. В том случае, когда сопротивления обмоток равны друг iroуrv постоянные интелэитювания Ар %, A3 и I4 все по модулю равны,0,5.
Как сказано ранее, влияние на постоянные интегрирования начальных условий учитывается коэффициентом КА] . Из таблицы 4.1 видно, что для ненасыщенной магнитной системы (L tiz М) коэффициенты постоянных интегрирования для экспонент с одинаковыми корнями равны друг другу, т.е. КдГКАЗ КА5 и Кд . сли же переходному процессу предшествовал установившийся режим, т.е. 1 ь (о) 0» то тогда все коэффициенты равны друг другу. ков и Коэффициенты КАГКАЗ«КА6 не зависят тс сопротивленио обмоток, а зависят от начального тока намагничивания
Похожие диссертации на Прогрев и подсушка силовых трансформаторов сельских потребителей способом короткого замыкания на пониженной частоте
