Устройство управления системой охлаждения мощного трансформатора

Изобретение относится к области электроэнергетики. Техническим результатом является повышение точности определения экономически оптимального числа включенных охладителей в системе охлаждения мощного маслонаполненного трансформаторного оборудования электрических станций и подстанций. В соответствии с изобретением поставленная цель достигается периодическим расчетом теплового состояния трансформатора и соответствующих ему суммарных потерь мощности при трех значениях числа включенных охладителей - текущем, на единицу большем и на единицу меньшем и выбором для следующего интервала времени того из этих трех значений числа включенных охладителей, при котором суммарные потери меньше, и при этом температура масла и обмотки не превышает заданных предельных значений. Для осуществления этого принципа предлагается два варианта схемы управления системой охлаждения с несколькими охладителями. В первом варианте указанные расчеты осуществляются функциональным преобразователем, а во втором - расчеты и выбор числа включенных охладителей осуществляются программно цифровым вычислительным устройством микроконтроллером. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области электроэнергетики, а именно к проблеме охлаждения мощного маслонаполненного трансформаторного оборудования электрических станций и подстанций.

Обычно мощные маслонаполненные трансформаторы с принудительным воздушным охлаждением масла содержат несколько охладителей, в каждом из которых имеются вентиляторы и, для систем с принудительной циркуляцией масла, маслонасос. Как правило, чем больше нагрузка трансформатора, тем большее количество охладителей включается в работу. При большем количестве включенных охладителей температура обмотки трансформатора снижается, и за счет снижения зависящего от температуры обмотки ее сопротивления уменьшаются потери мощности в обмотке при данном токе нагрузки. С другой стороны, растут затраты мощности на привод электродвигателей маслонасосов и вентиляторов охладителей. В результате для каждого конкретного режима нагрузки трансформатора имеется некоторое оптимальное количество включенных охладителей, при котором суммарные потери мощности в активной части трансформатора и в его системе охлаждения будут минимальными.

Известны технические решения, позволяющие минимизировать суммарные потери мощности в трансформаторе надлежащим управлением числом включенных охладителей. Например:

1. Авторское свидетельство SU 1089636 A, H01F 27/08,

2. Авторское свидетельство SU 1341686 A1, H01F 27/08,

3. Авторское свидетельство SU 1394246 Al, H01F 27/08.

Наиболее близким к настоящему изобретению является решение, реализованное в устройстве по авторскому свидетельству SU 1394246 A1, H01F 27/08 (прототип).

В этом устройстве имеются датчик температуры масла, датчик температуры окружающей среды (воздуха), датчик тока нагрузки трансформатора, сумматор, функциональный преобразователь и компаратор. Сумматор, к двум входам которого подключены датчики температуры масла и воздуха, формирует сигнал, отражающий перепад температуры между маслом и воздухом. Функциональный преобразователь, ко входу которого подключен датчик тока нагрузки трансформатора, путем кусочно-линейной аппроксимации формирует сигнал, пропорциональный экономически выгодному перепаду температуры между маслом и воздухом, в зависимости от тока нагрузки трансформатора. Компаратор сравнивает фактический перепад температуры между маслом и воздухом с его экономически выгодным значением и выдает сигнал на срабатывание выходного реле управления охладителями, если фактический перепад температуры больше экономически выгодного.

Недостатком этого устройства является его невысокая точность в силу сложной нелинейной зависимости оптимального перепада температуры между маслом и воздухом (и связанного с ним оптимального числа включенных охладителей или относительной скважности времени включения всех охладителей) от нагрузки трансформатора. Кроме того, в устройстве не учитывается зависимость этих параметров от температуры окружающей среды, с которой связана температура обмотки при данной нагрузке трансформатора и, следовательно, потери в обмотке (см., например, статью Валуйских А.О., Дулькина И.Н., Филиппова А.А., Цфасмана Г.М. «Моделирование теплового режима трансформатора в системах управления, мониторинга и диагностики», Электро, 2008, №1, с.15-19).

Целью настоящего изобретения является повышение точности определения экономически оптимального числа включенных охладителей. Поставленная цель может быть достигнута периодическим расчетом теплового состояния трансформатора и соответствующих ему суммарных потерь мощности при трех значениях числа включенных охладителей - текущем, на единицу большем и на единицу меньшем и выбором для следующего интервала времени того из этих трех значений числа включенных охладителей, при которых суммарные потери меньше, и при этом температура масла и обмотки не превышает заданных предельных значений.

Потери мощности в активной части трансформатора Ра в реальном режиме с учетом зависимости сопротивления обмотки от ее температуры определяются соотношением

где k - коэффициент нагрузки (отношение текущего значения тока нагрузки к его номинальному значению),

Рх - потери холостого хода,

Рkr - нагрузочные потери в номинальном режиме трансформатора (при k=1),

α - коэффициент изменения удельного сопротивления меди с температурой (α=0,00425 1/°C),

υh, υhr - превышение температуры обмотки над температурой масла и его значение в номинальном режиме,

υo, υor - превышение температуры верхних слоев масла над температурой окружающего воздуха и ее значение в номинальном режиме,

θa, θar - текущее и номинальное значения температуры окружающего воздуха. Температуру верхних слоев масла в реальном режиме можно найти по соотношению

где pri - коэффициент снижения эффективности i-го охладителя вследствие загрязнения (pri≤1),

b - коэффициент теплоотдачи бака трансформатора, отнесенный к номинальной теплоотдаче одного охладителя,

n - количество включенных охладителей,

GTc - номинальная тепловая проводимость одного охладителя от масла к воздуху, которую можно, в свою очередь, определить по параметрам номинального режима:

Перегрев обмотки относительно масла в соответствии с рекомендациями ГОСТ 14209-97 и публикацией МЭК 60076-7:2005 выразим через его значение в номинальном режиме как

где y - «показатель степени для обмотки» - параметр, указываемый изготовителем трансформатора.

Обозначив как Рохл суммарную мощность электродвигателей одного охладителя и подставляя выражения (2)…(4) в соотношение (1), получим выражение для определения суммарной мощности, теряемой в трансформаторе и его системе охлаждения, в виде:

где

Приняв для простоты коэффициенты загрязнения одинаковыми (pri=pr), найдем из (5) производную PΣ по числу включенных охладителей:

Приравняв эту производную нулю, найдем оптимальное с точки зрения минимума суммарных потерь число включенных охладителей:

Как видно из приведенных соотношений, оптимальное число включенных охладителей зависит в общем случае как от температуры окружающей среды (через параметр А), так и от степени загрязнения охладителей. В прототипе эта зависимость не учитывается.

Для примера на фиг.1 показана рассчитанная по соотношениям (5)…(7) зависимость от числа включенных охладителей суммарных потерь в преобразовательном трансформаторе ОДЦТНП-135000/330/110 мощностью 135 МВА Выборгской преобразовательной подстанции, имеющем 8 охладителей, при температуре окружающего воздуха 25°C и при Pr=0,95. Суммарная мощность электродвигателей маслонасоса и двух вентиляторов одного охладителя Рохл=7,3 кВт, номинальные потери холостого хода Px=122,3 кВт, номинальные нагрузочные потери Pkr=527,5 кВт. Из диаграммы видно, что оптимальное число включенных охладителей при коэффициентах нагрузки 1,0, 0,9 и 0,8 составляет соответственно 6, 5 и 4.

На фиг.2 показана зависимость оптимального с точки зрения минимума суммарных потерь числа включенных охладителей от коэффициента нагрузки трансформатора при значениях температуры окружающей среды минус 40°C, 0°C и +40°C. Из диаграммы видно, что без учета температуры окружающей среды требуемое по минимуму потерь число включенных охладителей может быть определено неправильно, особенно при больших нагрузках.

На фиг.3 показана зависимость температуры верхних слоев масла от коэффициента нагрузки при температуре окружающего воздуха +40°С, 0 и -40°C и при условии включения для каждого значения коэффициента нагрузки оптимального числа охладителей. Из чертежа очевидно, что подключение дополнительных охладителей и отключение избыточных происходят при существенно разных значениях температуры масла, что особенно заметно при небольшой нагрузке трансформатора. Отсюда также следует, что управление включением охладителей согласно прототипу не может давать правильный результат во всем диапазоне нагрузок.

Для достижения поставленной цели предлагаются два варианта устройства. По первому варианту предлагается в устройстве управления системой охлаждения мощного трансформатора с несколькими охладителями, содержащем блок управления, включающий в себя функциональный преобразователь и подключенный к его выходу компаратор, и датчики температуры окружающей среды и тока нагрузки трансформатора, подключенные к соответствующим входам блока управления, ввести в блок управления второй компаратор, узел задания числа включенных охладителей и дешифратор. При этом функциональный преобразователь, осуществляющий расчет суммарных потерь мощности в трансформаторе при текущем числе включенных охладителей, на единицу большем и на единицу меньшем числах включенных охладителей, выполнен с тремя входами и тремя выходами. Два входа функционального преобразователя, являющиеся входами блока управления, подключены соответственно к выходам указанных датчиков, а третий подключен к выходу узла задания числа включенных охладителей. Первый выход функционального преобразователя подключен к первому входу первого компаратора, второй - к первому входу второго компаратора, а третий - ко вторым входам обоих компараторов. Выходы компараторов подключены к соответствующим входам узла задания числа включенных охладителей, а выход последнего подключен к входу дешифратора, выходы которого являются выходами блока управления.

По второму варианту в устройстве управления системой охлаждения мощного трансформатора с несколькими охладителями, содержащем блок управления и датчики температуры окружающей среды и тока нагрузки трансформатора, блок управления выполнен в виде цифрового вычислительного устройства - микроконтроллера, программно осуществляющего периодически в заданные моменты времени расчет суммарных потерь мощности в трансформаторе при текущем числе включенных охладителей, на единицу большем и на единицу меньшем числа включенных охладителей, и включении на следующий промежуток времени числа охладителей, при котором потери наименьшие.

На фиг.4 показана блок-схема устройства по первому варианту;

на фиг.5 показан вариант реализации устройства, в котором блок управления выполнен в виде микроконтроллера с аналого-цифровыми преобразователями на входах.

Устройство содержит датчик температуры окружающей среды 1, датчик тока нагрузки 2 и блок управления 3. В блок управления по первому варианту схемы (фиг.4) входят функциональный преобразователь 4 с тремя входами 5, 6 и 7 и тремя выходами 8, 9, 10, первый и второй компараторы 11 и 12 с двумя входами и одним выходом каждый, узел задания числа включенных охладителей 13 с двумя входами «уменьшить» и «увеличить» и одним выходом, на котором формируется сигнал «n» задания числа включенных охладителей, и дешифратор 14, формирующий команды 15.1…15.N на включение коммутационных аппаратов охладителей (по числу последних). Первые два входа (5 и 6) функционального преобразователя 4 подключены соответственно к выходам датчика температуры окружающей среды 1 и датчика тока нагрузки трансформатора 2, третий вход 7 функционального преобразователя 4 и вход дешифратора 14 подключены к выходу узла задания числа включенных охладителей 13. На первом, втором и третьем выходах (8, 9, 10) функционального преобразователя 4 формируются сигналы, пропорциональные суммарным потерям в трансформаторе при количествах включенных охладителей n+1, n и n-1 соответственно. Первый вход компаратора 11 подключен к первому выходу 8 функционального преобразователя 4, первый вход компаратора 12 подключен к третьему выходу 10 функционального преобразователя 4, а вторые входы обоих компараторов подключены оба ко второму выходу 9 функционального преобразователя 4. Выход первого компаратора 11 «увеличить» и выход второго компаратора «уменьшить» подключены ко входам узла задания числа включенных охладителей 13.

Устройство работает следующим образом. В функциональном преобразователе 4 по вышеприведенным формулам (5), (6) и (7) с использованием сигналов датчика температуры окружающей среды θа, тока нагрузки In и текущего числа включенных охладителей n формируются сигналы, пропорциональные суммарным потерям в трансформаторе при текущем (n), на единицу большем (n+1) и на единицу меньшем (n-1) числах включенных охладителей. Компаратор 11 сравнивает значения потерь при числах n+1 и n, и если первое из них меньше второго, формирует на выходе команду «увеличить». Компаратор 12 сравнивает значения потерь при числах n-1 и n, и если первое из них меньше второго, формирует на выходе команду «уменьшить». Узел задания числа включенных охладителей 13, представляющий собой в частном случае реверсивный счетчик, в соответствии с этими сигналами с заданной периодичностью изменяет при необходимости требуемое количество включенных охладителей n, а дешифратор 14 выдает команды на включение коммутационных аппаратов соответствующего числа охладителей. В результате с течением времени устанавливается такое значение n, при котором сигналы команд на выходах обоих компараторов отсутствуют. Это означает, что достигнуто минимально возможное для данного режима значение суммарных потерь.

Функциональное преобразование по формулам (5)…(7) может быть выполнено с высокой точностью, если блок управления выполнить с использованием цифрового вычислительного устройства - микроконтроллера. Такой вариант реализации устройства показан на фиг.5. Для ввода в блок управления сигналов с датчиков температуры окружающей среды и тока нагрузки на соответствующих входах 5 и 6 блока управления предусмотрены аналого-цифровые преобразователи 16 и 17, цифровые выходы которых подключены ко входам микроконтроллера 18, а выходы 15.1…15.N блока управления являются дискретными выходами микроконтроллера. Все функции преобразования сигналов в соответствии с вышеприведенным описанием выполняются в микроконтроллере программно.

1. Устройство управления системой охлаждения мощного трансформатора с несколькими охладителями, содержащее блок управления, включающий в себя функциональный преобразователь и подключенный к его выходу компаратор, а также датчик температуры окружающей среды и датчик тока нагрузки трансформатора, подключенные к соответствующим входам блока управления, отличающееся тем, что в блок управления введены второй компаратор, узел задания числа включенных охладителей, подключенный соответствующими входами к выходам компараторов, и дешифратор, подключенный к выходу узла задания числа включенных охладителей, выходы которого являются выходами блока управления, при этом функциональный преобразователь, осуществляющий расчет суммарных потерь мощности в трансформаторе при текущем числе включенных охладителей, на единицу большем и на единицу меньшем числах включенных охладителей, выполнен с тремя входами и тремя выходами, два входа функционального преобразователя, являющиеся входами блока управления, подключены соответственно к выходу датчика температуры окружающей среды и к выходу датчика тока нагрузки трансформатора, третий вход функционального преобразователя подключен к выходу узла задания числа включенных охладителей, первый выход функционального преобразователя подключен к первому входу первого компаратора, второй выход функционального преобразователя подключен к первому входу второго компаратора, а третий выход функционального преобразователя подключен к вторым входам первого и второго компараторов.

2. Устройство управления системой охлаждения мощного трансформатора с несколькими охладителями, содержащее блок управления, а также датчик температуры окружающей среды и датчик тока нагрузки, подключенные к соответствующим входам блока управления, отличающееся тем, что блок управления выполнен в виде цифрового вычислительного устройства - микроконтроллера, программно осуществляющего периодически в заданные моменты времени расчет суммарных потерь мощности в трансформаторе при текущем числе включенных охладителей, при на единицу большем числе включенных охладителей и при на единицу меньшем числе включенных охладителей, а также включение на последующий промежуток времени числа охладителей, при котором суммарные потери наименьшие, при этом два входа микроконтроллера подключены к входам блока управления через аналого-цифровые преобразователи, а дискретные выходы микроконтроллера являются выходами блока управления.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к автоматическим системам контроля и регулирования температуры тяговых электрических машин и трансформаторов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании корпусов мощных преобразователей напряжения, например, для питания железнодорожного транспорта.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании мощных источников электропитания, например для электросварочных аппаратов.

Изобретение относится к энергетике , в частности к силовым трансформаторам с масляным охлаждением.Цепь изобретения состоит в сокращении расхода электрической энергии двигателями вентиляторов дутья.

Изобретение относится к электротехнике, к индуктивным элементам, применяемым в электротехнических изделиях общего и специального назначения, в частности в преобразователях переменного напряжения и электронных балластах. Технический результат состоит в уменьшении площади, занимаемой индуктивным элементом на поверхности монтажа, и увеличении суммарной площади поверхности рассеивания тепла его магнитопровода и обмоток путем создания механического и теплового контакта теплоотводящего элемента с, по крайней мере, одной боковой частью бокового ярма магнитной системы индуктивного элемента, что позволяет более эффективно отводить тепло от магнитной системы и обмоток в целом. 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

Соленоид // 2521867
Изобретение относится к электротехнике, к электромагнитам, создающим однородные магнитные поля, и может быть использовано в экспериментальной физике. Технический результат состоит в повышении равномерности, повышении однородности магнитного поля и мощности. Соленоид состоит из обмотки возбуждения и внешнего магнитопровода, состоящего из цилиндрической оболочки и двух торцовых фланцев, внутренние поверхности которых являются магнитными полюсами. Обмотка возбуждения состоит из основной обмотки прямоугольного сечения и двух компенсирующих обмоток треугольных сечений, которые намотаны поверх периферийных частей основной обмотки прямоугольного сечения. Основная обмотка прямоугольного сечения намотана на цилиндрической рубашке водяного охлаждения из немагнитного материала. Пространство между основной обмоткой, двумя компенсирующими обмотками треугольного сечения и цилиндрической оболочкой внешнего магнитопровода является рубашкой газового охлаждения. Торцовые фланцы имеют форму конусов, выступающих наружу, в которых выполнены коаксиальные конусные вырезы с вершинами на полюсных поверхностях. Углы при основаниях конусов обеспечивают равенство плотности магнитного потока по всей длине магнитных линий во внешнем магнитопроводе. 12 ил., 3 табл.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при охлаждении трансформаторов. Устройство охлаждения теплообменного типа для трансформатора включает в себя: циркуляционную трубу для изоляционного масла, сконфигурированную в форме замкнутого контура таким образом, что изоляционное масло, залитое в трансформатор, выводится наружу и затем возвращается обратно в трансформатор; насос для изоляционного масла, сконфигурированный для переноса изоляционного масла; и систему охлаждения изоляционного масла, сконфигурированную для охлаждения изоляционного масла, причем система охлаждения изоляционного масла включает в себя: жидкий хладагент, поддерживаемый в жидком состоянии на протяжении всего цикла циркуляции; циркуляционную трубу для хладагента, сконфигурированную для циркуляции жидкого хладагента; насос для хладагента, сконфигурированный для переноса жидкого хладагента; и теплообменную часть, сконфигурированную для обеспечения теплообмена между жидким хладагентом и изоляционным маслом для охлаждения изоляционного масла. Технический результат - снижение веса и габаритов устройства. 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к электротехнике, к импульсным трансформаторам и может быть использовано для создания мощного импульсного источника питания с высокой удельной мощностью. Технический результат состоит в повышении удельной мощности за счет минимизации добавочных потерь в обмотках на высоких частотах, обеспечении высокого коэффициента использования окна магнитопровода при минимальной длине витка, а также за счет обеспечения эффективного охлаждения. Импульсный трансформатор содержит магнитопровод, охлаждающие элементы, теплоотводящие шины и катушки, например, из фольги с межслоевой и межвитковой изоляцией. Магнитопровод выполнен из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью и малыми удельными потерями, разборным, квадратного сечения и разделен на две U-образные половинки. В качестве охлаждающих элементов в трансформаторе использованы охлаждающие плиты. С двух сторон трансформатор жестко зажат между двумя охлаждающими плитами. В местах тепловых контактов, таких как магнитопровод-обмотка, обмотка-охладитель, установлены пластичные электроизоляционные теплопроводящие прокладки. К выступающим частям сердечника трансформатора через теплопроводящие прокладки прижаты теплоотводящие шины, соединенные с охлаждающими плитами. Образованный плитами и дополнительными стенками резервуар заполнен теплопроводящим компаундом. Каждая катушка содержит, по крайней мере, одну первичную обмотку и, по крайней мере, одну вторичную обмотку, с гальванической развязкой между ними. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в повышении изоляционной способности на обоих концах обмотки. Изолирующая система (1-1) содержит самую дальнюю внутреннюю пару (3) барьеров, размещенную для покрытия большей части структуры (11) обмоток в осевом направлении (A) внутри и снаружи относительно кривизны ее витков. По меньшей мере, один барьер самой дальней внутренней пары (3) барьеров задает первый тракт (3-1) потока, позволяющий течь диэлектрическому флюиду (F), главным образом, в первом осевом направлении между структурой (11) обмоток и, по меньшей мере, одним барьером, когда изолирующая система (1-1) находится в собранном состоянии. Первый внешний барьер (5) размещен радиально внутри или радиально снаружи относительно каждого барьера самой дальней внутренней пары барьеров и задает второй тракт (5-1) потока, параллельный первому тракту (3-1) потока, обеспечивая протекание диэлектрического флюида (F), главным образом, во втором осевом направлении, противоположном первому осевому направлению. Изолирующая система (1-1) размещена так, что диэлектрическая среда (F) имеет возможность течь от второго тракта потока и входить в первый тракт (3-1) потока на одном осевом концевом участке одного из барьеров самой дальней внутренней пары (3) барьеров, а на другом осевом концевом участке одного из барьеров самой дальней внутренней пары (3) барьеров выходить из соответствующего первого тракта (3-1) потока. Каждый барьер самой дальней внутренней пары (3) барьеров имеет непрерывную огибающую поверхность, проходящую между одним осевым концевым участком и другим осевым концевым участком каждого барьера самой дальней внутренней пары (3) барьеров. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к охлаждающему радиатору, в частности охлаждающему радиатору бака активной части трансформатора. Технический результат – улучшение теплоперехода без увеличения габаритов радиатора - достигается тем, что в охлаждающем радиаторе (1), включающем в себя верхний (2) и нижний (3) коллекторы, а также, по меньшей мере, один модуль (4) из охлаждающих элементов, соединенных посредством соответствующих отдельных распределительных труб (5) с верхним и соответственно нижним коллекторами (2, 3), модули (4) содержат трубы (6), снабженные на своей внешней стороне соответственно ребрами (7). При этом модули (4) расположены перпендикулярно и поперек продольного направления коллекторов (2, 3), а для прохождения воздуха трубы (6) модулей (4) расположены параллельно на расстоянии (22) друг от друга. 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть применено для управления охлаждением маслонаполненного силового трансформатора. Устройство содержит блок (1) цифровой обработки, снабженный входным интерфейсом (2) для подключения датчиков электрического состояния трансформатора, например одного или нескольких датчиков (3) тока нагрузки, и выходным интерфейсом (4) для выдачи сигналов управления регулируемыми приводами масляных и воздушных охладителей указанного трансформатора. По показаниям датчиков (3) блок (1) определяет допустимые термогидравлические состояния силового трансформатора и производительности масляных и воздушных охладителей, при которых не будет превышена уставка по температуре наиболее нагретой точки. Из полученных данных блок (1) отбирает термогидравлическое состояние и необходимую для его поддержания комбинацию производительностей масляных и воздушных охладителей, при которых суммарные затраты электроэнергии на охлаждение силового трансформатора и потери в нем будут минимальными. Если выбранная производительность ниже заданного порога, блок (1) выводит из работы один из охладителей и повторно определяет минимизирующую суммарные затраты комбинацию производительностей для охладителей, оставшихся в работе. Для расширения функциональных возможностей в устройство могут быть введены дополнительные интерфейсы. В результате уменьшаются суммарные затраты электроэнергии на охлаждение силового трансформатора и на потери в нем. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области электроэнергетики

Наверх