Разработка моделей маслонаполненных вводов трансформаторов для решений задач автоматизированного проектирования и диагностики

Актуальность. Внимание к маслонаполненному оборудованию (MHO) высокого напряжения обусловлено его значимостью в обеспечении надежной работы систем электроснабжения, высокой стоимостью, опасностью возникновения аварий с тяжелыми последствиями. К основному MHO относятся силовые трансформаторы, автотрансформаторы, масляные реакторы и маслонаполненные вводы. Создание мощного трансформаторного оборудования обусловливает все более жесткие требования к конструкциям маслонаполненных вводов. Такие устройства должны выдерживать высокие нагрузки, сохранять значения параметров функционирования в узких пределах допуска в течение всего срока службы. При этом их производство должно быть технологичным и иметь низкую себестоимость.

Опыт эксплуатации силовых трансформаторов напряжением 110 + 500 кВ свидетельствует о том, что одной из основных причин их выхода из строя являются повреждения высоковольтных вводов из-за ухудшения состояния внутренней изоляции [1, 2, 3, 4]. Высокая температура ускоряет процессы окисления и способствует разрушению твердой изоляции. Трансформаторное масло, двигаясь под действием разности плотностей нагретых и холодных частей жидкости в гравитационном поле, переносит частицы изоляции, которые оседают на внешней стенке масляного канала ввода. Создаются условия формирования предпробивной ситуации. Наблюдается заметное возрастание повреждаемости вводов по мере увеличения времени их работы [5].

Исследование тепловых и гидродинамических процессов в первую очередь важно для вводов сверхвысоких напряжений 330, 500, 750 кВ и выше. Для вводов этих классов напряжений предъявляются жесткие требования к качеству изоляции, так как они работают при повышенных рабочих электрических напряженностях и с повышенным тепловыделением. Этим требованиям удовлетворяют маслонаполненные вводы с маслосо-держащей изоляцией.

Кроме того, на электростанциях и в электроэнергетических системах в эксплуатации находится большое количество маслонаполненных вводов, из которых значительная часть выработала нормативный ресурс. Для поддержания работоспособности вводов в эксплуатации проводится диагностика параметров внутренней изоляции маслонаполненных вводов. Одним из новых методов диагностики изоляции является тепловизионный контроль температуры изоляции в различных точках. Для повышения эффективности такой диагностики важно знать истинное распределение температуры по элементам изоляции.

Экспериментальное определение температурного распределения во внутренней части ввода технологически не представляется возможным. Распределение температур по элементам изоляции может быть определено на основе математического моделирования тепловых процессов во вводе. Поэтому такой подход представляет большой интерес.

Большинство существующих методик расчета рассматривает простое радиальное распространение тепла от нагретого стержня и далее за счет теплопроводности материалов с учетом выделения диэлектрических потерь под действием внешнего переменного электрического поля. Для расчета используется уравнение теплопроводности. Такой подход является упрощенным и не отражает реальные физические процессы во вводе. В работе [6] предпринята попытка разработать более совершенную методику расчета теплового поля с учетом аксиальной теплопередачи от нагретого масла в баке с использованием дифференциальных уравнений нестационарной теплопередачи, а также метода конечных элементов.

Однако в этой работе не учитываются влияние имеющегося во вводе гидродинамического движения масла на тепловое поле ввода.

Таким образом, необходимо разработать полную физическую модель, отражающую все физические процессы, определяющие температурное поле. На этой основе разработать математическую модель и методы ее решения.

Решение данной задачи позволит:

— провести синтез проектных решений САПР для создания образцов новых более эффективных типов таких вводов. Для построения более полной подсистемы САПР вводов важно также иметь методы расчета электрической прочности изоляции трансформаторного масла во вводе. Поэтому важно разработать более полную модель пробоя трансформаторного масла определения его электрической прочности при воздействии импульсов коммутационных перенапряжений, которые являются определяющими для электрических сетей 330 кВ, 500кВ и выше;

— произвести расчет распределения температуры изоляции ввода, который может служить в качестве базового распределения температуры, по отношению к которому может производиться сопоставление замеренного в эксплуатации распределения. По степени отклонения эксплуатационных данных от базовых можно судить о техническом состоянии изоляции.

Целью данной работы является разработка математических моделей тепловых, гидродинамических и электрофизических процессов в мас-лонаполненных вводах для повышения эффективности решения задач автоматизированного проектирования и диагностики вводов силовых трансформаторов.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ физических процессов, происходящих в масло-наполненном вводе, и на этой основе выявлены особенности влияния конвективного движения трансформаторного масла в канале ввода на его тепловое поле.

2. Разработана математическая модель тепловых и гидродинамических процессов, происходящих в маслонаполненных вводах.

3. Разработаны методы численной реализации предложенной математической модели физических процессов во вводе.

4. Проведены вычислительные эксперименты и выявлены закономерности влияния конвективного движения масла в канале ввода, конструктивных параметров канала и температуры окружающей среды на распределение температуры во вводе.

5. Разработана математическая модель пробоя трансформаторного масла в канале ввода для определения статистических характеристик электрической прочности при воздействии импульсов коммутационных перенапряжений.

6. Выбраны программные средства, предложен алгоритм распараллеливания для решаемой задачи, и разработан программный комплекс для расчета тепловых и гидродинамических полей ввода.

7. Разработаны основные принципы создания подсистемы поиска рационального инженерного решения с учетом температурных и гидродинамических полей, а также электрофизических характеристик трансформаторного масла ввода.

Основные методы научных исследований. Для разработки математической модели применены методы анализа электрофизических, тепловых и гидродинамических процессов во вводах. Для численного интегрирования дифференциальных уравнений моделей использованы методы вычислительной математики. При выборе метода распараллеливания и создании параллельных алгоритмов применены методы теории графов, теории распараллеливания вычислений, основные принципы структурного программирования.

Научная новизна данной работы заключается в следующем:

1. Предложена комплексная математическая модель тепловых и гидродинамических процессов в маслонаполненных вводах высокого напряжения, учитывающая влияние на распределение температуры во вводе движения масла в канале и нагрев фарфоровой покрышки маслом бака трансформатора.

2. Разработана рациональная методика численной реализации предложенной математической модели температурных и гидродинамических полей ввода, позволяющая получить искомое распределение с заданной точностью.

3. На основе проведенного вычислительного эксперимента выявлено количественное влияние движения масла, ширины масляного канала и температуры окружающей среды на распределение температуры во вводах силовых трансформаторов.

4. Разработаны математическая модель пробоя трансформаторного масла и на этой основе компьютерная методика определения статистических характеристик его электрической прочности при воздействии импульсов коммутационных перенапряжений различной формы, позволяющая более обоснованно определять эти характеристики для различных объемов масла, включая большие объемы, характерные для реального электроэнергетического оборудования.

5. Разработаны основные положения подсистемы поиска наилучшего инженерного решения на основе разработанных математических моделей для маслонаполненного ввода силового трансформатора.

Достоверность основных научных положений и выводов работы обеспечивается обоснованностью выбора физических и математических моделей, сопоставлением результатов имеющихся экспериментальных испытаний, с результатами расчета по разработанным в диссертации методикам.

Практическая ценность данной работы состоит в следующем:

1. Разработана программа расчета распределения температуры во вводе, позволяющая учитывать влияние температуры окружающей среды, электрофизические характеристики материалов и особенности конструкции ввода при проектировании и в условиях эксплуатации.

2. Получены результаты численного расчета температуры во вводе с учетом влияния температуры окружающей среды и ширины масляного канала.

3. Разработаны компьютерные программы оценки статистических характеристик электрической прочности трансформаторного масла при воздействии коммутационных перенапряжений и по данным эксплуатационным испытаниям в стандартном маслопробойнике.

4. Разработаны рекомендации для использования результатов диссертации при разработке подсистем САПР маслонаполненных высоковольтных вводов.

Личный вклад автора определяется постановкой цели и задач исследования, разработкой математической модели тепловых и гидродинамических полей, а также электрофизических характеристик маслонаполненных вводов, методов их численной реализации, программ расчета и алгоритма распараллеливания вычислений, проведением вычислительных экспериментов с обработкой их результатов, формулировкой выводов и основных положений подсистемы САПР вводов силовых трансформаторов электроэнергетики.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель тепловых и гидродинамических процессов, учитывающая движение масла в канале ввода и нагрев фарфоровой покрышки маслом бака трансформатора.

2. Рациональная методика численной реализации предложенной математической модели расчета тепловых и гидродинамических полей высоковольтных маслонаполненных вводов, позволяющая получить искомые распределения с заданной точностью.

3. Математическая модель пробоя трансформаторного масла и компьютерная методика определения статистических характеристик его электрической прочности при воздействии импульсов коммутационных перенапряжений различной формы, позволяющая более обоснованно определять эти характеристики для больших объемов масла, характерных для электроэнергетического оборудования.

4. Основные положения построения подсистемы поиска наилучшего инженерного решения на основе разработанных математических моделей, отражающих тепловые, гидродинамические и электрофизические параметры маслонаполненного ввода силового трансформатора.

5. Количественное влияние движения масла, ширины масляного канала и температуры окружающей среды на распределение температуры во вводах силовых трансформаторов, полученное в результате проведенных вычислительных экспериментов.

Результаты работы внедрены в Ивановской генерирующей компании и учебном процессе ИГЭУ по дисциплине «Прогнозирование ресурса электроэнергетического высоковольтного оборудования».

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции «Состояние и перепективы развития электротехнологий» (XI и XII Бенардосовские чтения) (Иваново, 2003, 2005), на семинарах кафедры ВВС, ВЭТФ ИГЭУ.

Публикации по работе. По результатам исследований опубликовано 8 печатных работы.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографического списка из 110 наименований.

Выводы по работе.

1. Выполнен комплекс исследований, содержащий совокупность научных и методических положений по разработке моделей для решений задач АП и диагностики маслонаполненных вводов силовых трансформаторов электроэнергетики, в целях повышения эффективности выполнения проектных работ и эксплуатации вводов.

2. Предложена новая более полная математическая модель, отражающая тепловые и гидродинамические процессы с учетом движения масла в канале ввода и нагрева фарфоровой покрышки маслом бака трансформатора, а также температуры окружающей среды, характерной для условий эксплуатации вводов силовых трансформаторов.

3. Разработана рациональная методика численной реализации предложенной математической модели расчета тепловых и гидродинамических полей маслонаполненных вводов с использованием методов установления, расщепления многомерных дифференциальных уравнений, скалярной прогонки и метода Писмена-Рекфорда-Дугласа, обеспечивающие требуемую точность и сокращение времени расчета.

4. Разработана рациональная алгоритмическая реализация предложенной методики расчета температурных и гидродинамических полей вводов, включающая в себя методы и алгоритмы распараллеливания вычислительного процесса.

На этой основе разработан программный комплекс для расчета распределения температуры во вводе, а также скорости движения масла в канале ввода с учетом электрофизических характеристик материалов ввода, его конструкционных параметров, температуры масла в баке трансформатора и окружающей среды.

5. Разработаны математическая модель пробоя трансформаторного масла и на её основе компьютерный метод определения его статистических характеристик электрической прочности при воздействии импульсов.

Mi коммутационных перенапряжений различной формы, позволяющий более обосновано определять эти характеристики для различных объемов масла, включая большие объемы масла, характерные для реального электроэнергетического оборудования.

6. Разработаны основные положения построения подсистемы поиска наилучших инженерных решений с учетом тепловых, гидродинамических и электрофизических процессов. Определены параметры, допускающие изменение при поиске оптимального решения, выбран критерий оптимальности проектного решения, изложена методика определения наилучшего инженерного решения на основе принятого критерия оптимальности.

На основе проведенного исследования с использованием элементов разработанной САПР выявлено влияние ширины масляного канала ввода и г s температуры окружающей среды на распределение температуры и скорости движения масла во вводе.

Учет движения масла приводит к скачкообразному изменению температуры на границах масло — твердая изоляция, а также к изменению распределения температуры в жидких и твердых изоляционных материалах.

7. Впервые получено распределение скоростей движения масла в канале ввода. Проведенный анализ распределения вертикальных и горизонтальных составляющих скоростей движения масла показал, что они имеют плавный неразрывный характер, что говорит о неразрывности движения масла в канале. Максимальное значение вертикальной скорости движения масла наблюдается у верхней границы канала.

4', С увеличением ширины масляного канала в исследованном диапазоне 15−25 мм происходит возрастание скорости движения масла. Максимальные значения скоростей при этом изменяются в пределах 0,010,05 м/с.

8. Разработана методика компьютерного определения статистических характеристик электрической прочности трансформаторного масла по результатам его эксплуатационных испытаний в стандартном маслопробойнике, позволяющая находить нижний предел пробивного напряжения масла, дополняющего диагностическую ценность данного вида испытаний.

9. Разработанная компьютерная система и выявленные на основе проведенных вычислительных экспериментов результаты влияния на режимные параметры ввода температуры внешней окружающей среды и электрофизических характеристик изоляции могут использоваться при расчете распределения температуры во вводе с учетом условий эксплуатации и разработке на этой основе эффективной системы диагностики температурного состояния изоляции ввода.

В качестве перспектив развития данной работы можно назвать: а) введение в математическую модель уравнений, описывающих движение частиц примесей в масле, с целью определения мест их отложения на твердой изоляцииб) изучение процессов формирования предпробивной ситуации с учетом движения масла в каналев) более подробное изучение пограничного слоя вблизи поверхностей канала вводаг) учет особенностей теплообмена в местах указанных отложенийд) учет сезонных и суточных колебаний метеоусловий на температурный и гидродинамический режим работы высоковольтного маслона-полненного оборудования.