СИСТЕМА МАСЛЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ, ПИТАЮЩИХ ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ, ТРАНСФОРМАТОР, ОБОРУДОВАННЫЙ ТАКОЙ СИСТЕМОЙ, И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ
OIL COOLING SYSTEM, PARTICULARLY FOR TRANSFORMERS POWERING TRACTION ELECTRIC MOTORS, TRANSFORMER EQUIPPED WITH SAID SYSTEM, AND METHOD OF DETERMINING FLOW PARAMETERS OF COOLANT LIQUID IN COOLING SYSTEM

Изобретение относится к системе масляного охлаждения, особенно для трансформаторов, питающих тяговые электродвигатели, содержащей первый теплообменник для отвода тепла от источника тепловыделения к охлаждающему маслу, соединенный по меньшей мере одним подающим трубопроводом и по меньшей мере одним возвратным трубопроводом со вторым теплообменником для охлаждения масла путем передачи тепла, поглощенного в первом теплообменнике, в окружающую среду, имеющую температуру ниже температуры охлаждающего масла, при этом в контуре, состоящем из упомянутых первого и второго теплообменников и упомянутых подающих и возвратных трубопроводов, дополнительно предусмотрены средства обеспечения потока охлаждающего масла из первого теплообменника во второй и обратно и средства мониторинга потока масла, причем средства мониторинга потока оказывают управляющее воздействие на устройство для индикации рабочих параметров системы охлаждения и/или устройство для выполнения операций по предохранению источника тепловыделения от перегрева.
Термин «источник тепловыделения» согласно настоящему изобретению относится, в частности, к железнодорожным трансформаторам и особенно к трансформаторам, питающим электродвигатели железнодорожных электровозов или подобных им устройств.
Известно применение систем и способов масляного охлаждения для источников тепловыделения и, в частности, электрических трансформаторов, применяемых в области железнодорожного транспорта, например трансформаторов, питающих двигатели электровозов, электропоездов и т.п., как описано, например, в заявке №2006/0017537 на патент США, опубликованной 26 января 2006 г., на имя Прието Кольменеро и др. (Prieto Colmenero et al.). Другие примеры систем охлаждения известны из других документов, например из патентов США №854,277 и №1,504,625.
В патенте США №854,277 описана система для охлаждения электрического трансформатора, особенно трансформатора, применяемого на железнодорожном транспорте. Патент США №854,277 предлагает систему охлаждения, не требующую применения насосов, вентиляторов и других узлов, требующих ухода. Поэтому трансформатор погружен в ванну с охлаждающим маслом, имеющую объем, достаточный для поглощения выделяемого трансформатором тепла без перегрева трансформатора.
В патенте США №1,504,625 в качестве охлаждающей среды для электрического трансформатора и, в частности, трансформатора, применяемого для питания двигателей электровозов, электропоездов и т.п., предложен воздух в качестве охлаждающей среды, и согласно этому патенту трансформатор имеет особую конструкцию, обеспечивающую улучшенное распределение потока охлаждающего воздуха в витках обмоток трансформатора и, таким образом, повышенную эффективность охлаждения.
В заявке №2006/0017537 на патент США предложена система охлаждения вышеописанного типа, в которой охлаждающее масло движется в питающем контуре между двумя теплообменниками, из которых первый теплообменник отводит тепло от трансформатора, передавая его охлаждающему маслу, а второй теплообменник отводит тепло от охлаждающего масла и передает его окружающей среде для понижения температуры охлаждающего масла, которое вновь подается в первый теплообменник.
Недостаток систем масляного охлаждения состоит в том, что необходимо по соображениям безопасности осуществлять мониторинг потока масла, поступающего в охладительный контур. Это осуществляется с помощью расходомеров или дифференциальных датчиков давления.
Расходомеры, как правило, содержат механический элемент, например лопатку или аналогичное приспособление, отклонение которого коррелируется с линейной скоростью потока. В случае отсутствия потока или слишком медленного потока, т.е. падения скорости потока ниже минимального порогового значения, лопатка не отклоняется, и расходомер не может показывать наличие потока текучей среды.
Это происходит в случае слишком медленного потока текучей среды, но также и при относительно низких температурах, когда вязкость текучей среды, в частности масла, повышается.
Поэтому в таких условиях расходомеры обычного типа либо не могут служить для определения наличия потока текучей среды, либо, в любом случае, такое определение недостоверно.
Альтернативными средствами определения наличия потока текучей среды в контуре системы охлаждения являются дифференциальные датчики давления. С помощью таких датчиков обеспечивается обнаружение перепада давления между входом и выходом одного из теплообменников. Дифференциальные датчики давления не имеют присущих расходомерам недостатков, проявляющихся в случае очень медленного потока либо повышенной вязкости охлаждающей текучей среды, в частности, охлаждающего масла.
Однако упомянутые дифференциальные датчики давления обладают не очень высокой надежностью, поэтому система должна содержать дублирующие датчики, т.е. контур должен быть снабжен несколькими такими датчиками, в частности, в целях обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте. Это приводит к неоптимальности конструкции и, прежде всего, к повышению стоимости системы охлаждения.
В системах охлаждения, где охлаждающей текучей средой является масло, недостаток, связанный с повышением вязкости и, следовательно, с понижением достоверности информации расходомеров о наличии потока охлаждающего масла, начинает проявляться при температурах от 10°С и ниже, становясь все более и более значительным при дальнейшем понижении температуры. Поэтому следует подчеркнуть, что факт ненадежности расходомеров является не относительно незначительным недостатком, проявляющимся в экстремальных климатических условиях, а недостатком, влияние которого проявляется при температурах ниже нормальных и обычных комнатных температур, в большинстве регионов мира.
Таким образом, целью настоящего изобретения является усовершенствование системы вышеописанного типа с целью устранения недостатков существующих систем с помощью относительно экономичных, легко монтируемых и надежных в эксплуатации устройств, гарантирующих максимальную эксплуатационную безопасность в условиях очень низких температур и при очень медленных потоках охлаждающей текучей среды.
Согласно настоящему изобретению вышеуказанная цель достигается путем создания системы вышеописанного типа, в которой средства мониторинга потока охлаждающей текучей среды включают в себя по меньшей мере два датчика температуры, установленных в различных участках охлаждающего контура, и при этом предусмотрено также электронное устройство для определения разности температур, измеряемых упомянутыми по меньшей мере двумя датчиками, и для сравнения упомянутой разности температур с максимальным предельным значением этой разности температур, которое может быть задано в упомянутом электронном устройстве, причем устройство для сравнения определяет, превышает или не превышает упомянутая разность температур это предельное значение, и оказывает управляющее воздействие на устройство для индикации рабочих параметров системы охлаждения и/или устройство для выполнения операций по предохранению источника тепловыделения от перегрева в случае, если упомянутая разность температур, измеряемых по меньшей мере двумя датчиками температуры, превышает упомянутое предельное значение.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения предусмотрено размещение по меньшей мере двух датчиков температуры соответственно в таких различных участках охлаждающего контура, для которых разность температур охлаждающей текучей среды достигает наибольшего значения в условиях отсутствия потока охлаждающей текучей среды или при недостаточной интенсивности этого потока.
В частности, первый датчик температуры устанавливается на выходе или вблизи выхода первого теплообменника, охлаждающего источник тепловыделения, и второй датчик температуры устанавливается на выходе или вблизи выхода второго теплообменника, охлаждающего саму охлаждающую текучую среду.
В случае железнодорожных трансформаторов первый теплообменник, охлаждающий трансформатор, содержит масляный бак, находящийся в тепловом контакте с трансформатором, второй теплообменник расположен между охлаждающей текучей средой и окружающей средой, первый датчик температуры устанавливается в упомянутом баке, а второй датчик располагается на выходе второго теплообменника.
В качестве предельного значения разности температур целесообразно использовать значение от 10°C до 20°C.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения система охлаждения содержит в сочетании с датчиками температуры также устройства для непосредственного измерения потока охлаждающей текучей среды, такие как расходомеры, причем эти устройства работают параллельно с датчиками температуры, и сигналы, генерируемые этими устройствами, используются как показатели расхода потока охлаждающей текучей среды в случае, если ее температура превышает заданное минимальное значение.
Дополнительное косвенное определение величины потока текучей среды, вычисленной по разности температур, определяемой с помощью двух датчиков температуры, можно использовать для выполнения диагностических испытаний, касающихся работы входящих в систему устройств, например датчиков температуры, электронных контрольных устройств и других узлов системы охлаждения.
В соответствии с конкретным режимом эксплуатации, если температура масла превышает заданную минимальную температуру, в качестве показателей расхода потока текучей среды используется только значение, указываемое расходомером (расходомерами).
В таком случае разность температур, измеряемых температурными датчиками, предпочтительно используется для контроля за правильностью работы датчиков температуры.
В качестве варианта, альтернативного вышеописанному, можно применять в сочетании с по меньшей мере двумя датчиками температуры также дифференциальный датчик давления, расположенный между входом и выходом одного из двух теплообменников, при этом разность температур, измеряемых по меньшей мере двумя датчиками температуры, используется в качестве параметра для перекрестного контроля нормальной работы дифференциального датчика давления. В этом случае указанное решение является компромиссом между применением двух дифференциальных датчиков давления и предпочтительным вариантом осуществления изобретения, который является более надежным и экономичным решением, поскольку с точки зрения затрат второй дифференциальный датчик давления, необходимый для контроля надежности измерения дифференциального давления, заменяется по меньшей мере двумя датчиками температуры, что приводит к частичному снижению значительных затрат по сравнению с известным решением, предусматривающим применение только дифференциальных датчиков давления. Однако следует отметить, что, поскольку при использовании дифференциального датчика давления не возникают осложнения, связанные с низкими температурами и/или с высокой вязкостью охлаждающей текучей среды, то в случае необходимости возможен перекрестный контроль результатов, обеспечиваемых системой контроля потока охлаждающей текучей среды, основанной на применении разности температур.
Настоящее изобретение относится также к электрическому трансформатору, особенно трансформатору, предназначенному для применения на железнодорожном транспорте, особенно для питания электродвигателей электровозов, электропоездов и т.п., используемому в сочетании с системой охлаждения трансформатора, в которой в качестве охлаждающей среды применяется масло.
В соответствии с настоящим изобретением система охлаждения выполнена с применением одного или нескольких сочетаний вышеупомянутых особенностей.
Изобретение относится также к способу мониторинга потока охлаждающей текучей среды в системе охлаждения, которая включает в себя контур для протекания охлаждающей текучей среды; способ предусматривает косвенное измерение потока охлаждающей текучей среды путем определения разности значений температуры охлаждающей текучей среды, измеряемых в по меньшей мере двух участках контура для протекания охлаждающей текучей среды, и сравнения разности измеренных температур с заданным максимальным предельным значением, при превышении которого поток охлаждающей текучей среды считают недостаточным или нулевым, тогда как при упомянутой разности температур, которая не превышает предельное значение, поток охлаждающей текучей среды считают достаточным для эффективного охлаждения.
Способ предполагает осуществляемое параллельно прямое измерение потока охлаждающей текучей среды путем использования механических устройств, приводимых в действие непосредственно потоком охлаждающей текучей среды, причем определяют пороговое значение температуры охлаждающей текучей среды или комнатной температуры, так что в случае, если температура охлаждающей текучей среды или комнатная температура не превышает упомянутого порогового значения температуры, то поток текучей среды определяют исходя из разности между значениями температуры охлаждающей текучей среды в по меньшей мере двух различных участках контура охлаждения, а если упомянутая температура превышает упомянутое пороговое значение, то поток текучей среды определяют путем его измерения с помощью механических устройств.
Дублирующее измерение потока охлаждающей текучей среды в случае, когда температура масла или комнатная температура превышает пороговое значение, используется для целей диагностики системы и ее узлов. В частности, если температура превышает упомянутое пороговое значение, измерение потока с помощью механических устройств обеспечивает возможность контроля правильности показаний датчиков температуры.
В альтернативном варианте предлагается параллельное измерение потока текучей среды в контуре для протекания охлаждающей текучей среды с помощью определения разности между значениями температуры охлаждающей текучей среды в по меньшей мере двух различных участках охлаждающего контура и путем определения разности давлений охлаждающей текучей среды в по меньшей мере двух различных участках охлаждающего контура, в частности разности давлений на входе и выходе теплообменника.
Преимущества системы охлаждения и способа по настоящему изобретению ясны из приведенного ранее описания. На результаты измерения разности температур между двумя различными участками контура протекания охлаждающей текучей среды не влияют ни изменения вязкости текучей среды под влиянием колебаний температуры, ни колебания объемной или линейной скорости потока. В частности, измерение разности температур текучей среды двух различных участках контура является очень надежным при очень низких температурах охлаждающей текучей среды. Предельное значение упомянутой разности температур можно легко определить эмпирическим путем; кроме того, датчики температуры не имеют движущихся частей и поэтому надежны в эксплуатации и долговечны. Преимущества достигаются также с точки зрения экономии затрат, поскольку датчики температуры экономичны, и устройства для их электрического контроля просты и надежны.
Изобретение предлагает дополнительные усовершенствования, являющиеся предметами зависимых пунктов формулы изобретения.
Характеристики изобретения будут более ясны из нижеследующего описания одного варианта осуществления, не имеющего ограничительного характера, представленного на прилагаемых рисунках, где:
на Фиг.1 представлена принципиальная схема первого варианта осуществления изобретения.
На Фиг.1 схематически изображен электрический трансформатор типа применяемого на железнодорожном транспорте, особенно для питания электродвигателей электровозов, электропоездов и т.п. Трансформатор предложен в сочетании с системой охлаждения и, в частности, с применением охлаждающей текучей среды имеющей высокую теплоемкость, например масла и т.п.
На представленной принципиальной схеме конструкция трансформатора подробно не показана, поскольку такая конструкция известна специалистам в отрасли.
Трансформатор, обозначенный позицией 15, находится в тепловом контакте с маслом, содержащемся в баке 14, снабженном вентиляционным устройством 7. Бак 14 образует первый теплообменник для передачи тепла от трансформатора, в частности от обмоток трансформатора, к охлаждающему маслу. Первый теплообменник, с баком 14 в качестве его составной части, является частью охлаждающего контура, включающего второй теплообменник 16. Охлаждающее масло из первого теплообменника охлаждается во втором теплообменнике 16 путем рассеивания тепла, поглощенного в первом теплообменнике, в теплопоглощающей среде, например в окружающей среде. Первый теплообменник, с баком 14 в качестве его составной части, и второй теплообменник 16 соединены между собой соответственно подающим и возвратным трубопроводами. В подающий и возвратный трубопроводы включена запорная арматура, обозначенная позицией 3, для обеспечения возможности замены насосов 4 или теплообменников.
Насосы 4 обеспечивают поток охлаждающего масла между баком 14, являющимся первым теплообменником, и вторым теплообменником 16. Предпочтительно, система снабжена двумя включенными параллельно насосами 4 в двух параллельных ветвях трубопровода, и с каждым насосом соединен один обратный клапан 5, включенный в соответствующую ветвь трубопровода. Бак 14, объединенный с первым теплообменником и находящийся в тепловом контакте с трансформатором 15, снабжен указателями уровня 8 для визуального контроля уровня и датчиками уровня 9 и 10 для контроля уровня охлаждающего масла в баке 14. Кроме того, бак 14 снабжен вентилями для слива и фильтрования масла, обозначенными позицией 1, и предохранительными клапанами 6, срабатывающими при превышении максимального допустимого значения давления масла в баке 14.
С целью гарантирования нормальной работы системы охлаждения в двух различных участках охлаждающего контура установлены датчики температуры, измеряющие температуру охлаждающего масла в соответствующих участках. Результаты измерений поступают в электронное устройство, определяющее разность температур, измеряемых упомянутыми по меньшей мере двумя датчиками 12, и сравнивающее эту разность температур с максимальным предельным значением упомянутой разности температур, которое может быть задано в этом электронном устройстве. На Фиг.1 это устройство состоит из электронного блока обработки данных, обозначенного позицией 17. Таким образом, блок 17 определяет разность температур, измеряемых двумя датчиками 12. В блок 17 может быть введено предельное значение этой разности, и этот блок включает в себя или оказывает управляющее воздействие на устройство, сравнивающее разность температур, измеряемых двумя датчиками 12, с заданным предельным значением этой разности.
Если разность температур, измеряемых двумя датчиками 12, меньше предельного значения, то поток охлаждающей текучей среды считается достаточным для обеспечения нормальной работы системы охлаждения.
Если разность температур, измеряемых датчиками температуры, превышает предельное значение, то поток охлаждающей текучей среды считается недостаточным для обеспечения нормальной работы системы охлаждения. В этом случае блок 17 обеспечивает соответствующее управление устройствами для индикации и/или для осуществления мер безопасности, обозначенными в целом позицией 18, которые могут быть любого типа.
Выбор двух различных участков в охлаждающем контуре, где необходимо установить два датчика 12 температуры, осуществляется так, чтобы разность температур охлаждающего масла в этих участках при отсутствии потока масла теоретически достигала наибольшего значения. Возможно также определение оптимальных участков установки датчиков 12 температуры опытным путем.
Было найдено, что предпочтительными участками установки датчиков температуры, т.е. участками охлаждающего контура, которые в наибольшей степени отвечают вышеупомянутым критериям, являются выход второго теплообменника 16, где масло должно иметь самую низкую температуру, и бак 14, являющийся частью первого теплообменника, где масло должно иметь наивысшую температуру.
Применение дифференциального измерения температуры для косвенного определения наличия достаточного потока текучей среды обеспечивает измерение потока также при очень низких температурах, когда вязкость масла возрастает, и работа механических устройств, например расходомеров, становится невозможной.
С учетом характеристик масла, обычно применяемого в качестве охлаждающей текучей среды, определение потока масла на основе измерения разности температур, как описано выше, используется, когда температура масла ниже 10°С.
Косвенное определение потока охлаждающего масла по разности температур масла в различных участках охлаждающего контура позволяет надежно определять наличие потока охлаждающего масла при очень низких температурах вплоть до приблизительно -40°C.
Вышеописанное расположение датчиков температуры не следует рассматривать как имеющее ограничительный смысл, а лишь как один из предпочтительных вариантов.
Альтернативные предпочтительные варианты расположения датчиков температуры могут включать их установку непосредственно у выходов двух теплообменников, т.е. теплообменника 16, охлаждающего масло, и теплообменника, охлаждающего трансформатор, либо в пределах упомянутых теплообменников.
Как показано на Фиг.1, предпочтительно параллельно с датчиками 12 температуры, применяемыми для определения разности температур в двух различных участках контура, в контуре используется по меньшей мере один расходомер 13. В частности, предусматривается включение расходомера 13 в каждую ветвь трубопровода, включающую один из двух насосов 4, работающих параллельно.
Расходомер или расходомеры 13 относятся к известному типу и содержат лопасть или аналогичный элемент, отклонение которого коррелируется с линейной скоростью потока. Измерение потока основано на большем или меньшем отклонении лопатки от исходного положения.
Согласно одному предпочтительному варианту сигналы расходомеров используются для определения потока охлаждающего масла в качестве альтернативы сигналам, генерируемым на основе измерения разности температур масла двумя датчиками температуры, когда температура превышает 10°C. Таким образом, это значение температуры является пороговым значением, определяющим измеряют ли потоке охлаждающего масла с использованием расходомера или расходомеров, или используют косвенное измерение потока на основе разности температур масла в двух различных участках охлаждающего контура.
В случае, когда температура превышает 10°С, т.е. пороговое значение температуры масла или температуры помещения, для целей диагностики можно использовать значения величины потока масла, определенные с помощью измерения разности температур масла в двух различных участках охлаждающего контура. В частности, эти величины можно использовать для контроля правильности работы датчиков температуры.
Дифференциальный датчик давления показан на Фиг.1 пунктиром и обозначен позицией 2. Он является датчиком известного типа, предназначенным для определения разности давлений между двумя различными участками контура. Как известно, измерение дифференциального давления можно применять для косвенного измерения потока текучей среды, в частности, в случаях, если между двумя точками измерения давления расположен участок контура, имеющий высокое сопротивление потоку. В таких случаях, например, дифференциальный датчик измеряет разность давлений между входом и выходом теплообменника 16, охлаждающего масло. В таком варианте осуществления изобретения дифференциальный датчик давления применяется вместо расходомера или расходомеров 13. Подобно датчикам 12 температуры дифференциальные датчики давления не испытывают влияния повышения вязкости охлаждающего масла при низких температурах или подвержены такому влиянию в меньшей степени, однако в любом случае они менее надежны.
В представленном варианте осуществления изобретения дифференциальный датчик давления используется для определения потока текучей среды на основе разности давлений, измеряемых в двух различных точках контура, и сопоставления полученного значения разности давлений с заданным предельным значением. Измерение потока текучей среды с помощью двойной системы, состоящей из датчиков температуры, измеряющих разность температур охлаждающего масла в двух различных участках контура, и дифференциального датчика (или датчиков) давления, в этом случае используется в качестве параллельного способа контроля правильности работы дифференциальных датчиков давления и/или датчиков температуры. Можно также осуществлять вариант, противоположный вышеупомянутому, а именно, осуществлять основное измерение потока текучей среды на основе показаний датчиков температуры с использованием значений разности давлений для контроля правильности работы датчиков 12 температуры и оценки работы электронного устройства 17.
Необходимо отметить, что технический принцип настоящего изобретения применим к любому типу устройства систем охлаждения для трансформаторов, и специалист в отрасли способен изменить существующие системы охлаждения так, чтобы общая техническая концепция настоящего изобретения была применена.