Силовой трансформатор с системой отбора избыточного тепла
POWER TRANSFORMER WITH EXCESS HEAT COLLECTION SYSTEM

Изобретение относится к области конструкций силовых трансформаторов и систем их охлаждения и может быть использовано в электроэнергетике для охлаждения активных элементов силового трансформатора и отбора выделяемого ими избыточного тепла с целью обогрева расположенных поблизости объектов.
Известна система охлаждения трансформатора, включающая в себя, помимо основных элементов трансформатора термометр, теплообменники в виде цилиндрических тепловых труб, разделяющихся на зону нагрева и зону охлаждения с оребрением на поверхности (патент РФ № 2349979, МПК H01F27/12, опубл. 20.03.2009). В металлическом баке в нижней части по периметру предусмотрена горизонтальная площадка с отверстиями для закрепления тепловых труб.
Недостатками данного устройства являются охлаждение трансформаторного масла лишь в нижней части бака трансформатора, естественная циркуляция теплоносителя (масла), небольшая площадь теплообмена внутри бака, утилизация избыточного тепла в окружающий воздух.
Наиболее близкой по технической сущности является система для использования тепла трансформатора, включающая в себя силовой трансформатор, замкнутую принудительную систему масляного охлаждения трансформатора, первый и второй промежуточные контуры, передающие тепло от контура масляного теплоносителя двум контурам теплового потребителя. Контур масляного охлаждения трансформатора включает насос и теплообменник, установленный вне бака трансформатора, передающий избыточное тепло в промежуточные контуры. (патент РБ № U 2505, МПК H01F27/00, опубл. 28.02.2006).
Недостатками данной системы являются неравномерное охлаждение активных элементов силового трансформатора, циркуляция масла вне бака трансформатора, дополнительные потери тепла с поверхностей бака и теплообменника.
Задачей предлагаемого изобретения является более равномерное охлаждение активных элементов силового трансформатора, поддержание комфортного для них теплового режима, минимизация потерь тепла в окружающую среду и максимальный отбор избыточного тепла от силового трансформатора для обогрева расположенных поблизости объектов с соблюдением необходимых показателей надежности, безопасности и производительности трансформатора.
В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается отвод тепла от обмоток и магнитопровода силового трансформатора, установить наиболее благоприятный тепловой режим для работы элементов трансформатора, практически в полном объёме использовать выделяемое электрической машиной избыточное тепло в целях теплоснабжения, уменьшить размеры и массу бака и снизить необходимый объём диэлектрической жидкости за счёт изготовления бака трансформатора из стеклопластика, размещения внутри бака спирального трубчатого теплообменника, применения изоляции обмоток и диэлектрической жидкости с высокими показателями теплопроводности, использования микроконтроллера с датчиком температуры и уровня.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемый силовой трансформатор с системой отбора избыточного тепла, содержащий магнитопровод, обмотки, отводы, согласно изобретению, снабжен стеклопластиковым баком, соединённым с крышкой и расширительным баком, заливной пробкой, указателем и датчиком уровня диэлектрической жидкости, установленными на расширительном баке, двухконтурным спиральным медным теплообменником с трубками двойного профиля, размещенным внутри бака по периметру его стен, клапанами подключения контуров теплообменника, установленными на трубках теплообменника, изоляцией обмоток из эпоксидной или полиэфирной смолы с добавлением минерального наполнителя, размещенной между витками обмоток, диэлектрической жидкостью Софексил ТСЖ, заполнившей свободное пространство внутри бака, микроконтроллером, установленным на поверхности бака, и датчиком температуры, размещенным внутри бака, при этом спиральный теплообменник соединен с системой использования избыточного тепла силового масляного трансформатора для обогрева расположенных поблизости объектов, которая обеспечивает циркуляцию промежуточного жидкого теплоносителя по спиральному теплообменнику и управляется этим же микроконтроллером, датчики температуры и уровня, подключены к вводам микроконтроллера, а клапаны включения основного и резервного контуров на входе и выходе спирального теплообменника подключены к выходам микроконтроллера.
Использование стеклопластикового бака для трансформатора позволит нивелировать потери тепла с его поверхности в окружающую среду и значительно снизить его массу за счёт того, что теплопроводность стеклопластика в несколько десятков раз ниже, чем теплопроводность стали, а плотность стеклопластика в 4 раза меньше, чем у стали при равной прочности. К тому же благодаря высоким диэлектрическим свойствам стеклопластика отпадёт необходимость в использовании проходных изоляторов, так как бак сам будет являться изолятором. Уплотнение обмоток внешним давлением и пропитка их полиэфирными или эпоксидными смолами с добавлением минерального наполнителя (например, пылевидный кварц или тальк) позволит немного уменьшить толщину изоляции обмотки и значительно увеличить её теплопроводность, так как при высокой нагревостойкости и электрической прочности эти пропиточные материалы обладают в несколько раз большей теплопроводностью, чем обычно применяемая бумажно-масляная или пропитанная лаками изоляция. Замена трансформаторного масла на жидкость Софексил ТСЖ позволит не только ускорить охлаждение трансформатора за счёт её большей теплопроводности и меньшей теплоёмкости, но и на 15% уменьшить необходимый объем жидкости благодаря более высоким диэлектрическим свойствам ТСЖ. Освободившееся при этом пространство как раз займет двухконтурный спиральный медный теплообменник с трубками двойного профиля. Он характеризуется большой площадью теплообмена, высокой скоростью передачи тепла, компактностью, малой засоряемостью и низким гидравлическим давлением, что очень важно для применения в полезной модели. Наличие резервного контура обеспечит требуемый уровень надежности.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема устройства в силовом трансформаторе функций трансформации напряжения и электрообогрева.
Силовой трансформатор с системой отбора избыточного тепла содержит: бак стеклопластиковый с овальной верхней проекцией – 1; крышка бака – 2, расширительный бак – 3; пробка заливная – 4; контакты присоединения проводов и шин – 5; указатель уровня диэлектрической жидкости – 6; датчик температуры диэлектрической жидкости – 7; датчик уровня диэлектрической жидкости – 8; спиральный медный двухконтурный теплообменник с трубками двойного профиля – 9; клапан включения основного и резервного контуров на входе спирального теплообменника – 10; клапан включения основного и резервного контуров на выходе спирального теплообменника – 11; труба, отводящая нагретый промежуточный теплоноситель – 12; труба, подводящая охлаждённый промежуточный теплоноситель – 13; циркуляционный насос в трубе (13) – 14; циркуляционный насос в трубе (12) – 15; трансформаторная силиконовая диэлектрическая жидкость Софекисл ТСЖ – 16; магнитопровод – 17; обмотки – 18; изоляция из эпоксидной или полиэфирной смолы с минеральными добавками – 19; отводы – 20; микроконтроллер – 21.
Стеклопластиковый бак, соединён с крышкой и расширительным баком, заливной пробкой, указателем и датчиком уровня диэлектрической жидкости, установленными на расширительном баке, двухконтурным спиральным медным теплообменником с трубками двойного профиля.  Теплообменник размещён внутри бака по периметру его стен, соединён с клапанами подключения контуров теплообменника, установленными на трубках теплообменника.  Изоляция обмоток трансформатора выполнена из эпоксидной или полиэфирной смолы с добавлением минерального наполнителя, размещенной между витками обмоток. Свободное пространство внутри бака заполнено диэлектрической жидкостью Софексил ТСЖ. Бак соединён с микроконтроллером, установленным на поверхности бака, и датчиком температуры, размещенным внутри бака.  Спиральный теплообменник соединен также с системой использования избыточного тепла силового масляного трансформатора для обогрева расположенных поблизости объектов, которая обеспечивает циркуляцию промежуточного жидкого теплоносителя по спиральному теплообменнику и управляется этим микроконтроллером, установленным на поверхности бака. Датчики температуры и уровня подключены к вводам микроконтроллера, клапаны включения основного и резервного контуров на входе и выходе спирального теплообменника подключены к выходам микроконтроллера.
Силовой трансформатор с системой отбора избыточного тепла работает следующим образом. В силовой трансформатор по проводам через герметичные контакты 5 в верхней части бака 1 поступает электроэнергия более высокого уровня напряжения и попадает через отводы 20 в первичную обмотку 18 ВН. Создаваемый при этом магнитный поток проходит через магнитопровод 17 и индуктирует электродвижущую силу в первичной ВН и вторичной НН обмотках 18. В результате во вторичной обмотке 18 НН наводится электрическая энергия более низкого уровня напряжения и, проходя через отводы и герметичные контакты в верхней части бака 1, отдается в сеть. Возникающие в результате этой работы в обмотках 18 и магнитопроводе 17 силового трансформатора потери электрической энергии преобразуются в тепло и приводят к нагреву данных элементов. Это тепло от магнитопровода 17 сразу передается в жидкость ТСЖ 16, а из обмоток 18 тепло сначала проходит через слой изоляции 19, после чего с поверхности изоляции 19 передается жидкости ТСЖ 16. Диэлектрическая жидкость путем внутренней теплопроводности и естественной циркуляции внутри бака 1 доставляет это тепло к теплообменнику 9. Стеклопластиковый бак 1 в свою очередь не дает данному теплу улетучиться в окружающую среду. Теплообменник 9 равномерно распределен по всей внутренней поверхности стен бака 1 от дна до крышки 2, что обеспечивает равномерное охлаждение всего объёма жидкости ТСЖ 16. Также равномерному распределению температуры внутри бака 1 способствует подача охлажденного промежуточного теплоносителя в теплообменник 9 именно с верхней части объёма ТСЖ 16, которая является самой нагретой. Наличие двойного профиля на трубках теплообменника 9 значительно увеличивает площадь поверхности теплообмена и ускоряет процесс отбора тепла. Нагревшийся в теплообменнике 9 промежуточный теплоноситель отправляется в систему использования избыточного тепла силового масляного трансформатора для обогрева расположенных поблизости объектов, движимый насосами 14 и 15, и, охладившись в этой системе, возвращается в теплообменник 9.
0
0
0
0
Контроль за состоянием и управление устройством осуществляет микроконтроллер 21. Если уровень ТСЖ 16 в баке падает ниже критического уровня датчик 8 подает сигнал в микроконтроллер 9, который передает сигнал об этом на пост диспетчерского пункта и отключает силовой трансформатор от электрической сети. После устранения утечки и долива жидкости устройство можно вновь запускать в работу. Контроль за уровнем ТСЖ 16 в баке нужно периодически осуществлять визуально по указателю 6 и при необходимости доливать ТСЖ 16 через пробку 4. Контроль за тепловым состоянием осуществляет датчик 7. Температура ТСЖ 16 должна находиться в диапазоне +60-70 С. Если датчик 7 сигнализирует о падении температуры ниже + 60 С, то микроконтроллер 21 снижает обороты насосов 14 и 15, а если показывает рост выше + 70 С, то микроконтроллер 21 обороты повышает. Если же после повышения оборотов насосов до предельного значения при сильной перегрузке трансформатора температура ТСЖ 16 продолжает расти, то микроконтроллер 21 подает об этом сигнал на пост диспетчерского пункта и, воздействуя на клапаны 10 и 11, подключает к работе резервный контур спирального трубчатого теплообменника до тех пор, пока температура ТСЖ 16 не опустится ниже + 60 С.
Таким образом, предлагаемый силовой трансформатор с системой отбора избыточного тепла поддерживает стабильный тепловой режим активных элементов на благоприятном уровне и улучшает их охлаждение, а также обеспечивает максимальный отбор выделяемого избыточное тепло для обогрева расположенных вблизи объектов с сохранением требуемого уровня производительности, надёжности и безопасности.