POMIARY WSPÓŁCZYNNIKA PRZEJMOWANIA CIEPŁA OLEJU MINERALNEGO STOSOWANEGO JAKO IZOLACJA TRANSFORMATORÓW W ZALEŻNOŚCI OD DŁUGOŚCI ELEMENTU GRZEJNEGO

Transkrypt

1 POZNAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ACADEMIC JOURNALS No 94 Electrical Egieerig 2018 DOI /j Przemysław GOŚCIŃSKI *, Zbigiew NADOLNY * POMIARY WSPÓŁCZYNNIKA PRZEJMOWANIA CIEPŁA OLEJU MINERALNEGO STOSOWANEGO JAKO IZOLACJA TRANSFORMATORÓW W ZALEŻNOŚCI OD DŁUGOŚCI ELEMENTU GRZEJNEGO Poprawa praca trasformatora elektroeergetyczego uwarukowaa jest wieloma czyikami. Jedym z ich jest odpowiedio iska temperatura pracy trasformatora. Zbyt wysoka ma wiele egatywych astępstw, do których zaliczyć moża przede wszystkim szybkie starzeie się układu izolacyjego. Temperatura zależy od obciążeia liii przesyłowej i wymiay ciepła w trasformatorze. Wymiaa ciepła zależy między iymi od współczyika przejmowaia ciepła oleju, który staowi izolację trasformatora. Współczyik te zależy od wielu czyików, do których ależy długość elemetu grzejego (uzwojeń), która może występować w szerokim zakresie wartości, od kilkuastu do kilkuset cetymetrów. W artykule przedstawioo wyiki pomiaru współczyika przejmowaia ciepła w zależości od długości elemetu grzejego. Długość ta rówa była 0,4; 0,8 i 1,6 m. Uzyskae wyiki posłużą kostruktorom i operatorom trasformatorów elektroeergetyczych do wyzaczaia temperatury, co wpłyie a bezpieczą ich pracę. SŁOWA KLUCZOWE: współczyik przejmowaia ciepła α, trasformator, pole temperaturowe, olej mieraly, długość elemetu grzejego. 1. WPROWADZENIE Ciecze elektroizolacyje są ieodzową częścią trasformatora eergetyczego wysokiego apięcia. Wraz z elemetami celulozowymi, takimi jak papier trasformatorowy, przegrody preszpaowe oraz przekładki izolacyje, staowią układ izolacyjy trasformatora. Główymi zadaiami cieczy, stosowaych w trasformatorach, są zapewieie odpowiediego poziomu izolacji elektryczej oraz odprowadzeie ciepła będącego skutkiem strat w uzwojeiach i w rdzeiu. Poadto, ciecze elektroizolacyje staowią barierę przed przedostawaiem się wilgoci i powietrza, oraz ograiczają itesywość wyładowań iezupełych. Wskutek impregacji materiałów celulozowych cieczami elektroizolacyjymi poprawiają oe ich wytrzymałość elektryczą [1-3]. * Politechika Pozańska

2 10 Przemysław Gościński, Zbigiew Nadoly Najchętiej stosowaą cieczą elektroizolacyją w trasformatorach jest obecie olej mieraly. Główą przyczyą jest to, że a przestrzei ostatiego stulecia zacząco udoskoaloo proces jego produkcji, który jest produktem destylacji ropy aftowej. Wskutek tego olej mieraly jest adal ajtańszą i ajczęściej stosowaą cieczą elektroizolacyją w trasformatorach. Należy rówież dodać, że właściwości materiałowe oleju zostały bardzo dobrze rozpozae, co daje możliwość zaprojektowaia i zbudowaia trasformatorów cechujących się pożądaymi właściwościami kostrukcyjymi i eksploatacyjymi. Niestety, restrykcyje regulacje przeciwpożarowe, oraz odoszące się do środowiska aturalego, dotyczące p. biodegradowalości, sprawiły, że produceci trasformatorów eergetyczych poszukują alteratywych dla oleju cieczy elektroizolacyjych [4, 5]. Najważiejszymi właściwościami cieplymi cieczy są lepkość kiematycza υ, przewodość cieplą λ, gęstość ρ, ciepło właściwe c p oraz rozszerzalość ciepla β. Wzrost współczyika przewodości cieplej λ, gęstości ρ, ciepła właściwego c p oraz rozszerzalości β pociąga za sobą wzrost zdolości cieczy do chłodzeia. Natomiast wzrost lepkości υ skutkuje obiżeiem jej zdolości do trasportu ciepła. Opisae właściwości mają wpływ a współczyik przejmowaia ciepła α, a co za tym idzie a wartość spadku temperatury między poszczególymi elemetami trasformatora [6]. Temperatura uzwojeń oraz układu izolacyjego są kluczowymi parametrami determiującymi czas techiczego życia urządzeia elektroeergetyczego. Podwyższoa ma wiele egatywych astępstw, do których zalicza się spadek apięcia przebicia, spadek rezystacji, rozpad łańcuchów celulozy, wzrost współczyika strat dielektryczych, zagrożeie pożarowe, wzrost ciśieia w kadzi, lub spadek żywotości izolacji trasformatora wg prawa 8-miu stopi Motsigera. Zatem waże jest pozaie zjawisk fizyczych, od których zależy trasport ciepła w trasformatorze [7, 8]. Wymiaa ciepła w trasformatorze odbywa się a drodze: źródło ciepła papier zaimpregoway cieczą elektroizolacyją ciecz elektroizolacyja metalowa obudowa powietrze, co przedstawioo a rysuku 1. Ciecz elektroizolacyja asyca izolację stałą wikając w jej strukturę oraz wypełia wętrze trasformatora. Zatem odpowiada oa za trasport ciepła. Trasport te zależy od dwóch zjawisk. Pierwsze związae jest z przewodzeiem ciepła przez papier zaimpregoway cieczą, drugie z kolei z przejmowaiem ciepła przez ciecz [6]. Przewodzeie ciepła przez papier powiązae jest z współczyikiem przewodości cieplej właściwej λ papieru. Natomiast przejmowaie ciepła przez ciecz obejmuje wiele właściwości, jak przewodość cieplą λ cieczy, lepkość υ, gęstość ρ, ciepło właściwe c p oraz rozszerzalość cieplą β. Parametrem łączącym wszystkie te właściwości cieple cieczy jest jej współczyik przejmowaia ciepła α.

3 Pomiary współczyika przejmowaia ciepła 11 Rys. 1. Rozkład temperatury w trasformatorze olejowym [7, 8] Na podstawie rysuku 1 moża stwierdzić, że całkowity spadek temperatury w trasformatorze między źródłem ciepła a otoczeiem składa się z spadku temperatury między uzwojeiem a cieczą elektroizolacyją ΔT uzw w-ciecz oraz spadku pomiędzy cieczą a otoczeiem ΔT ciecz z-otocz. Spadek temperatury między uzwojeiem a cieczą składa się ze spadku w uzwojeiach ΔT uzw, w izolacji pap-ciecz.. Na- pierowej ΔT pap oraz spadku między izolacją papierową a cieczą ΔT pap tomiast spadek temperatury między cieczą a otoczeiem składa się ze spadku temperatury między cieczą a kadzią ΔT ciecz- ΔT kadź-o otocz. kadź, spadku w kadzi ΔT kadź oraz spadku pomiędzy kadzią a otoczeiem Jak zatem widać, spadek temperatury w cieczy elektroizolacyjej ma istoty wpływ a całkowity spadek temperatury w trasformatorze. Wyzacza się go z poiższej zależości: p T ciecz (1) gdzie: ΔTT ciecz - spadek temperatury w cieczy elektroizolacyjej, w K, p - powierzchiowe obciążeie cieple, w W m -2, α - współczyik przejmowaia ciepła cieczy, w W m -2 K -1. Z kolei współczyik α wyraża się astępującąą zależością:

4 12 Przemysław Gościński, Zbigiew Nadoly c 1 g 3 1 T c gdzie: c - stała zależa od rodzaju przejmowaia ciepła (lamiary, turbulety), δ char. - wymiar charakterystyczy (długość elemetu grzejego), w m, g - przyspieszeie ziemskie, w m s -2, - stała zależa od rodzaju przejmowaia ciepła. Narzędziem służącym do aalizy rozkładu temperatury w trasformatorze jest symulacja komputerowa. Obecie popularym podejściem jest przeprowadzaie symulacji a modelu trójwymiarowym. W okresie ostatich kilku lat astąpił rozwój programów, które są stosowae do symulacji rozkładu temperatury w trasformatorze (ANSYS Fluet, SOLIDWORKS Flow Simulatio, COMSOL Multiphysic) [9]. Obecie w biurach kostrukcyjych w trakcie przeprowadzaia symulacji komputerowej rozkładu temperatury stosuje się procedurę, posługując się zależościami (1) i (2). We wzorze (1) zakłada się, że współczyik przejmowaia ciepła α oleju ma stałą wartość. Poieważ jedak współczyik α zależy między iymi od długości elemetu grzejego δ char. (patrz zależość (2)), takie założeie może skutkować błędym wyzaczeiem rozkładu temperatury. 2. CEL I ZAKRES BADAŃ Jak wspomiao we wcześiejszym rozdziale, współczyik przejmowaia ciepła α oleju mieralego zależy od długości elemetu grzejego δ char., co ie jest uwzględiae w symulacji komputerowej rozkładu pola temperatury w trasformatorze. Wyikiem tego może być błęde wyzaczeie rozkładu temperatury, a tym samym zaczące skróceie żywotości trasformatora. Z tego powodu autorzy podjęli się zadaia wyzaczeia współczyika przejmowaia ciepła α oleju mieralego w zależości od parametru δ char.. Długość elemetu grzejego rówa była 0,4; 0,8 i 1,6 m. Jest to typowy przedział długości stosoway w dzisiejszych kostrukcjach trasformatorów. Powierzchiowe obciążeie cieple p wyosiło 3000 W m -2, co odpowiada ajwyższemu obciążeiu stosowaemu w trasformatorach. Układ pomiarowy do wyzaczaia współczyika α przedstawioo a rysuku 2 i został o szczegółowo opisay w publikacji [10]. 3. WYNIKI POMIARÓW W tabeli 1 przedstawioo wyiki pomiarów współczyika przejmowaia ciepła α w zależości od długości elemetu grzejego δ char.. Współczyik α został wyzaczoy według poiższego rówaia, które jest przekształcoą formą rówaia (1) i procedury pomiarowej szczegółowo opisaej w publikacji [10]: p (2)

5 Pomiary współczyika przejmowaia ciepła 13 p T ciecz (3) Rys. 2. Układ do wyzaczaia współczyika przejmowaia ciepła α cieczy elektroizolacyjej [10] Tabela 1. Współczyik przejmowaia ciepła α oleju mieralego w zależości od długości elemetu grzejego δ char.. Długość ele- metu grzeje- har. [m] go δ ch 0,4 0,8 1,6 Seria pomiarowa Średia Średia Średia T kadź [ C] T grzałka a [ C] ΔT [ C] 39,7 57,55 17,8 39,6 57,2 17,6 39,5 57,4 17,9 39,1 57,1 18,0 39,2 57,55 18,3 39,4 57,3 17,9 50,6 77,2 26,6 49,6 76,1 26,5 50,7 76,5 25,8 52,0 78,3 26,3 52,5 78,5 26,0 51,1 77,3 26,2 80,9 110,11 29,2 80,2 109,00 28,8 81,0 110,11 29,1 79,9 109,00 29,1 80,8 109,3 28,5 80,6 109,5 28,9 Średi współczyik przejmowaia [W m -2 K ciepła α K -1 ] 168,49 114,89 104,09 Na podstawie wyików pomiarów, zamieszczoych w tabeli 1, moża stwierdzić, że wraz ze wzrostem długości elemetu grzejego δ char. współczy- ik przejmowaia ciepła α oleju mieralego maleje. Czterokrotemu wzrosto-

6 14 Przemysław Gościński, Zbigiew Nadoly wi δ char. towarzyszy spadek współczyika α o około 38%. Uzyskae wyiki są zgode z rówaiem (2). Współczyik α zależy od długości elemetu grzejego w potędze 3-1. Stała dla przepływu lamiarego, a taki rodzaj przepływu oleju mieralego występuje w trasformatorze, rówa jest 0,125. Ozacza to, że potęga wyrażeia δ char. rówa jest -0,652, Moża powiedzieć, że współczyik α zależy w przybliżeiu od odwrotości pierwiastka z wyrażeia δ char.. 4. PODSUMOWANIE W artykule przedstawioo wyiki pomiarów współczyika przejmowaia ciepła α oleju mieralego w zależości od długości elemetu grzejego δ char.. Dowiedzioo, że wraz ze wzrostem długości elemetu grzejego współczyik α maleje w sposób ieproporcjoaly, co jest zgode z ogólie przyjętym rówaiem opisującym współczyik przejmowaia ciepła. Uzyskae wyiki dla oleju mieralego cieczy elektroizolacyjej ajczęściej stosowaej jako elemet izolacji trasformatora będą z pewością bardzo przydate zarówo kostruktorom jak i operatorom trasformatorów elektroeergetyczych wysokiego apięcia LITERATURA [1] Moleda J., Makowska M., Oleje trasformatorowe, eksploatacja-diagostyka, regeeracja, Istytut Techologii i Eksploatacji, Radom, [2] Flisowski Z., Techika Wysokich Napięć, WNT, Warszawa, [3] Gacek Z., Wysokoapięciowa techika izolacyja, Wydawictwo Politechiki Śląskiej, Gliwice, [4] Rouse T.O., Mieral oil i trasformers, IEEE Electrical Isulatio Magazie 1998, r 3, t. 14, s [5] CIGRE Workig Group A2.35, Experieces i service with ew isulatigs liquids, CIGRE Brochure 2010, r 436, s [6] Gościński P., Dombek G., Nadoly Z., Bródka B., Aaliza współczyika przejmowaia ciepła cieczy elektroizolacyjych wykorzystywaych, jako izolacja w urządzeiach elektroeergetyczych, Poza Uiversity of Techology Academic Jourals. Electrical Egieerig, vol. 82, pp , [7] Jezierski E., Trasformatory. Podstawy teoretycze, Wydaie III, WNT, Warszawa, [8] Jezierski E., Trasformatory, WNT, Warszawa, [9] Gościński P., Dombek G., Nadoly Z., Bródka B., Matematycze modelowaie pola temperaturowego trasformatora eergetyczego, Poza Uiversity of Techology Academic Jourals. Electrical Egieerig, vol. 85, pp , [10] Gościński P., Dombek G., Nadoly Z., Autorski układ do pomiaru współczyika przejmowaia ciepła cieczy elektroizolacyjych, Poza Uiversity of Techology Academic Jourals. Electrical Egieerig, vol. 90, pp , 2017.

7 Pomiary współczyika przejmowaia ciepła 15 MEASUREMENT OF HEAT TRANSFER COEFFICIENT OF MINERAL OIL, USED AS TRANSFORMER INSULATION, AS A FUNCTION OF LENGTH OF HEAT ELEMENT This paper presets results of measuremet of heat trasfer coefficiet of mieral oil as a fuctio of heat elemet legth. The legth was 0.4, 0.8 ad 1.6 m. Obtaied results ca be used by desiger ad operators of trasformers to estimate temperature distributio, what makes the work of trasformer more safe. (Received: , revised: )

8