Применение термоэлектрического эффекта для увеличения интенсивности охлаждения электрооборудования

УДК 621.314

А. В. Дмитриев, О. С. Дмитриева, И. И. Валиев ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ

ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Ключевые слова: трансформатор, охлаждение, термоэлектрический эффект.

В статье рассматриваются системы охлаждения трансформаторов, их конструкционные особенности. Рассматривается механизм увеличения теплового потока путем создания более высокой разницы температур между охлаждаемой поверхностью и окружающим воздухом. В заключение статье приводится вывод о преимуществах применения термоэлектрического эффекта для увеличения интенсивности охлаждения электрооборудования.

Keywords: transformer, cooling, Peltier effect.

The article considers the cooling system of transformers, their design features. The article discusses the mechanism of the increase in heat flow by establishing a higher temperature difference between the cooled surface and the surrounding air. In conclusion, the article presents the conclusion about the advantages of the use of the thermoelectric effect to increase the intensity of the cooling apparatus.

Трансформаторные подстанции и линии электропередач являются неотъемлемой частью системы электроснабжения Республики Татарстан. Силовой трансформатор выступает основным элементом любой трансформаторной подстанций. От безаварийной работы трансформатора зависит надежность и качество передаваемой электроэнергии всей энергосистемы [1-4].

Во время работы силового оборудования неизбежен нагрев магнитопровода и обмоток за счет потери в них энергии. Предельный нагрев частей трансформатора ограничивается изоляцией, при этом ее срок службы зависит от температуры нагрева. Поэтому система охлаждения должна быть тем интенсивнее, чем больше мощность трансформатора [2].

Различают системы охлаждения трансформаторов:

- естественное воздушное;

- естественное масляное (М) (рис. 1);

- масляное с дутьем и естественной циркуляцией масла (Д) (рис. 2);

- масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла через воздушные охладители (ДЦ) (рис.

3);

- масляно-водяное с принудительной циркуляцией масла;

- масляно-водяное с направленным потоком масла [2].

Рассмотрим основные виды охлаждения получившие наиболее широкое распространение в электроэнергетике Республики Татарстан.

Естественное воздушное охлаждение трансформаторов осуществляется посредством естественной конвекции воздуха и частичного лучеиспускания в воздухе. Трансформаторы с такой системой охлаждения часто называют «сухими». Условно принятое обозначение естественного охлаждения при открытом исполнении - С.

Допустимое превышение температуры обмотки сухого трансформатора над температурой окружающей среды зависит от класса нагревостойкости изоляции согласно ГОСТ 11677-85.

Такая система охлаждения малоэффективна, поэтому применяется для трансформаторов мощностью до 1600 кВ-А при напряжении до 15 кВ.

Рис. 1 - Система охлаждения трансформаторов типа М: 1 - бак; 2 - выемная часть; 3 - охлаждающая поверхность

При этом виде охлаждения теплота, выделяющаяся в активной части и элементах металлоконструкции трансформатора, передается путем естественной конвекции маслу, которое, в свою очередь, отдает его в окружающий воздух также путем естественной конвекции и излучения. В трансформаторах небольшой мощности (до нескольких сотен кВ-А) теплоотдающей поверхности баков достаточно для отвода выделяющейся теплоты при нормированном превышении температуры масла. В трансформаторах большей мощности приходится ее искусственно увеличивать путем применения ребристых и трубчатых баков или баков с навесными или выносными радиаторами (рис. 1).

В трансформаторах мощностью более 6,3-10 МБ-А затруднительно развить теплоотдающую поверхность бака в такой мере, чтобы обеспечить заданный уровень нагрева. Это становится понятным, если учесть, что согласно законам роста в серии подобных трансформаторов (т.е. в таких, в которых соответствующие линейные размеры пропорцио-

нальны) при постоянстве электромагнитных нагрузок (индукции в магнитопроводе, и плотности тока в обмотках) потери растут пропорционально кубу линейных размеров, тогда как охлаждающие поверхности растут пропорционально квадрату этих размеров [3].

Рис. 2 - Система охлаждения трансформаторов типа Д: 1 - бак; 2 - выемная часть; 3 - коллектор; 4 - трубчатый радиатор; 5 - вентиляторы

Поэтому приходиться принимать дополнительные меры для усиления охлаждения путем обдува радиаторов вентиляторами. Тем самым увеличивается в 1,5-2 раза коэффициент теплопередачи и соответственно теплосъем радиаторов. Вентиляторы отключаются при достижении температуры верхних слоев масла 50°С, если при этом ток нагрузки меньше номинального (рис. 2).

Рис. 3 - Система охлаждения трансформаторов типа ДЦ: 1 - бак; 2 - выемная часть; 3 - охладители; 4 - электронасос; 5 - вентиляторы

В трансформаторах мощностью около 100 MB А и более выделяющиеся потери настолько велики, что для их отвода приходиться применять специальные масляно-воздушные охладители, которые обдуваются воздухом с помощью вентилятора и оснащены насосами для принудительной циркуляции масла (рис. 3). С целью повышения эффективности обдува трубы в таких системах имеют сильно развитую ребристую наружную поверхность. Благодаря принудительной циркуляции масла достигается более равномерное распределение температуры

масла по высоте бака. Разница температуры масла вверху и внизу бака составляет в данном случае менее 10°С, в то время как при естественной циркуляции она достигает 20-30°С. Выпускаемые в настоящее время отечественной промышленностью охладители имеют теплосъем 160-180 кВт. В случае отключения системы охлаждения трансформаторы могут оставаться включенными очень непродолжительное время, так как теплоотдающей поверхности бака недостаточно даже для отвода потерь холостого хода. Недостатком такой системы охлаждения является то, что теплоотдача от обмоток к маслу остается практически такой же, как и при естественной конвекции, так как принудительная циркуляция масла происходит только в зоне между наружной обмоткой и стенкой бака трансформатора [5].

Основным недостатком в работе вышеуказанных систем охлаждения является низкая интенсивность теплопередачи в летний период времени года, когда средняя температура окружающего воздуха находится в пределах 25-32°С, а температура оборудования увеличивается до 50-70°С. Одним из методов увеличения коэффициента теплоотдачи стало применение масляно-водяных охладителей, которые позволяют сократить габаритные размеры охладителей и увеличить теплосъем до 1000 кВт и более. Однако для эффективного функционирования данной системы охлаждения необходимо большое количество воды.

В данной работе рассматривается механизм увеличения теплового потока путем создания более высокой разницы температур между охлаждаемой поверхностью и окружающим воздухом. Одним из вариантов решения поставленной задачи служит монтаж на поверхности охлаждающих ребер трансформатора каскада из полупроводниковых термоэлектрических модулей [6].

Рис. 4 - Структура термоэлектрического модуля

Термоэлектрический модуль (рис. 4, 5) представляет собой термоэлектрический холодильник, имеющий последовательно соединенные полупроводники p- и п-тиш, образующих p-n- и п^-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 [7].

На сегодняшний день созданы высокоэффективные и надежные полупроводниковые термоэлектрические модули. Обычный модуль позволяет создать значительный перепад температур в несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор - холодильник, позволяет добиться температур ниже 0°С. Такая система, последовательно соединенных полупроводников р- и п-типа, позволяет достаточно просто получить существенный температурный перепад и, соответственно, обеспечить эффективное охлаждение поверхности [8, 9].

Основные преимущества применения термоэлектрических модулей заключается в том, что имеется возможность монтажа без проведения реконструкции самого электрооборудования; у него относительно низкие затраты по сравнению с заменой оборудования при увеличении мощности; высокая надежность.

Литература

1. Л. Киш, Нагрев и охлаждение трансформаторов. Энергия, Ленинград, 1980. 180 с.

2. А.М. Голунов, Охлаждающие устройства масляных трансформаторов. Энергия, Ленинград, 1964. 152 с.

3. Т.В. Лопухова, Ю.Н. Зацаринная, Р.Н. Балобанов, Вестник технологического университета, 16, 4, 218-220 (2013).

4. Т.А. Гадиев, В.А. Куркачева, Р.Н. Гайнуллин, Вестник технологического университета, 16, 1, 30-31 (2013).

5. М.Г. Баширов, М.Р. Минлибаев, А.С. Хисматуллин, Нефтегазовое дело: электронный научный журнал, 2, 347-357 (2014).

6. А.Ф. Иоффе, Л.С. Стильбанс, Е.К. Иорданишвили, Т.С. Ставицкая. Термоэлектрическое охлаждение. АН СССР, Москва, 1956. 112 с.

7. Л.П. Булат, М.В. Ведерников, А.П. Вялов, Термоэлектрическое охлаждение. СПбГУНиПТ, Санкт-Петербург, 2002. 117 с.

8. В.А. Матухно, Електромашинобудування та електро-обладнання, 70, 87-90 (2008).

9. П. Шостаковский, Компоненты и технологии, 1, 102109 (2010).

Рис. 5 - Внешний вид термоэлектрического модуля

По предварительной оценке применение термоэлектрических модулей для повышения эффективности теплоотдачи позволит сократить время охлаждения; возможно форсирование существующего электрооборудования; в зимний период времени, возможно применение как дополнительного источника электродвижущей силы.

© А. В. Дмитриев - зав. кафедрой ТОТ ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», ieremiada@gmail.com, О. С. Дмитриева - доцент кафедры ПАХТ Нижнекамского химико-технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «КНИТУ», И. И. Валиев - магистрант кафедры ТОТ ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет».

© A. V. Dmitriev - the head of «Theoretical basis of thermotechnics» chair, Kazan State Power Engineering University, ieremiada@gmail.com, O. S. Dmitrieva - the associate professor of PAHT, NCHTI KNRTU, ja_deva@mail.ru, I. I. Valiev - the master student «Theoretical basis of thermotechnics» chair, Kazan State Power Engineering University.