Реферат диссертация 152 стр, 75 рис, 19 табл, 116 библ. Ключевые слова. Тепловой анализ, параметрическая генерация цепных моделей, электрические схемы замещения, неоднородность магнитного поля, распределительные трансформаторы, системы инженерного анализа cae системы.
 Скачать 6.09 Mb.
|
|
ТСЛ ТМГ Рис. 4.3. Упрощенная блок-схема подсистемы поверочного расчета САПР распределительных трансформаторов Структура подсистемы поверочного расчета САПР состоит из следующих основных модулей, написанных в среде MATLAB: 1. PPR.m – подпрограмма поверочного расчета. Начало Расчет параметров КЗ Расчет параметров ХХ Тепловой расчет ТСЛ Тепловой расчет ТМГ Тип Тепловой расчет го уровня на основе методики РД 16 Тепловой расчет го уровня на основе цепных моделей Тепловой расчет обмоток го уровня на основе методики РД 16 452-88 Тепловой расчет системы охлаждения трансформатора ТМГ Тепловой расчет активной части го уровня на основе цепных моделей Оптимизация конструкции Конец Тепловой расчет активной части го уровня на основе полевых моделей 112 2. InitPPR.m – подпрограмма инициализации поверочного расчета. 3. Optimum_TMG.m – подпрограмма оптимизации. 4. BeginOptimumTMG.m – подпрограмма оптимизационного расчета. Упрощенная блок-схема подсистемы поверочного расчета САПР трансформаторов и место SHAPT в ней приведены на рис. 4.3. Программная реализация Программная реализация SHAPT проведена с помощью взаимосвязанного комплекса приложений Microsoft Excel о встроенной средой программирования (рис. 4.4). Рис. 4.4. Взаимосвязь программных сред, используемых в программной реализации системы теплового анализа SHAPT в САПР распределительных трансформаторов Диалог SHAPT с пользователем осуществляется через интерфейс, реализованный в файле Excel (рис. Все исходные данные для расчета передаются из файла Excel с помощью макросов среды Visual Basic в среду Matlab посдедчтво интерфейса ExcelLink. В Matlab осуществляются вычисления, в том числе и тепловые расчеты го иго уровней. Результаты расчетов выводятся в виде графиков в Matlab и передаются обратно в файл Excel. Параметрическая генерация полевой модели активной части и тепловой расчет 3- го уровня осуществляются программными средствами Solidworks Flow Simu- lation. EXCEL Исходные данные, вывод результатов MATLAB Параметрическая генерация цепной модели и тепловой расчет го иго уровней SOLIDWORKS: FLOW SIMULATION Параметрическая генерация и тепловой расчет го уровня полевой модели 113 Рис. Интерфейс системы теплового анализа SHAPT в САПР трансформаторов 4.3. Апробация системы теплового анализа в САПР трансформаторов 4.3.1 Тепловой расчет сухих трансформаторов слитой изоляцией типа ТСЛ 400-1600 кВА класса напряжения 10 кВ Разработанная система теплового анализа SHAPT была использована при расчете сухих трансформаторов типа ТСЛ слитой изоляцией, производимых на ООО «Трансформер» (рис. 4.6 – 4.7). Рис. 4.6. Сухой трансформатор типа ТСЛ Рис. 4.7. Тепловая модель трансформатора типа ТСЛ в полевой постановке 114 Допущения, принятые в тепловой модели трансформатора ТСЛ: 1. Ярмовые балки и опоры трансформатора в модели не учитываются. 2. Выводы шин НН и нулевая шина в модели не учитываются. Результаты расчета и сравнение с результатами тепловых испытаний трансформаторов ТСЛ приведены в табл. 4.1 – 4.2. Таблица 4.1. Средние превышения температуры обмоток НН трансформатора ТСЛ над температурой окружающего воздуха, С Тип трансформатора 1 уровень 2 уровень 3 уровень Тест ТСЛ-400/10 55,89 71,24 74,83 78,12 ТСЛ-630/10 58,05 72,81 77,45 80,37 ТСЛ-1000/10 65,12 83,12 85,98 89,51 ТСЛ-1600/10 70,87 91,49 93,21 95,16 Таблица 4.2. Отклонения результатов расчета температуры обмоток НН трансформатора ТСЛ над температурой окружающего воздуха от результатов тепловых испытаний, % Тип трансформатора 1 уровень 2 уровень 3 уровень ТСЛ-400/10 -33,18% -9,21% -4,30% ТСЛ-630/10 -32,25% -9,87% -3,70% ТСЛ-1000/10 -31,55% -7,40% -4,02% ТСЛ-1600/10 -29,26% -3,93% -2,07% Таблица 4.3. Средние превышения температуры обмоток ВН трансформатора ТСЛ над температурой окружающего воздуха, С Тип трансформатора 1 уровень 2 уровень 3 уровень Тест ТСЛ-400/10 51,52 79,83 82,29 85,95 ТСЛ-630/10 50,08 78,25 80,90 83,14 ТСЛ-1000/10 53,26 73,64 75,74 79,21 ТСЛ-1600/10 61,38 82,14 86,67 87,84 Таблица 4.4. Отклонения результатов расчета обмоток ВН трансформатора ТСЛ над температурой окружающего воздуха от результатов тепловых испытаний, % Тип трансформатора 1 уровень 2 уровень 3 уровень ТСЛ-400/10 -50,09% -7,38% -4,35% ТСЛ-630/10 -49,63% -6,06% -2,73% ТСЛ-1000/10 -39,18% -7,29% -4,48% ТСЛ-1600/10 -35,46% -6,71% -1,34% Испытание на нагрев трансформаторов проводилось в соответствии с ГОСТ 3484.2 [1] п. 2.4 (метод условной нагрузки. В результате испытаний на 115 нагрев в соответствии с [1] определяются средние превышения температур обмоток трансформатора над температурой охлаждающей среды. В связи с этим для установления достоверности результатов теплового расчета с применением системы теплового анализа SHAPT в табл. 4.1 и 4.3 определены соответствующие средние превышения температур обмоток трансформатора над температурой охлаждающей среды с использованием моделей 1, 2 и 3 уровня. Сравнение результатов расчета распределения температуры по высоте обмоток ВН ТСЛ с помощью цепных моделей 2 уровня и полевых моделей 3 уровня представлено на рис. Стоит отметить, что модели 1 уровня на основе [14] не только не дают картины распределения температуры по высоте обмоток и других частей трансформатора, а также дают большие погрешности (см. табл. и табл) при расчете среднего превышения температуры над температурой охлаждающей среды. Рис. 4.8. Расчет распределения температуры на поверхности обмоток ВН ТСЛ-630/10 на основе разработанных цепных и полевых моделей Рис. 4.9. Расчет распределения температуры на поверхности обмоток ВН ТСЛ-1000/10 на основе разработанных цепных и полевых моделей 116 а) б) в) г) Рис. 4.10. Результаты тепловых испытаний трансфоматора ТСЛ-1000/10/0,4 D/Y-11: а) Термограмма, снятая с помощью тепловизора б) распределение температур вдоль обмотки фазы А – линия 1 риса в) распределение температур вдоль обмотки фазы В – линия 2 риса г) распределение температур вдоль обмотки фазы С – линия 3 риса 117 Рис. 4.11. Гистограмма распределения температур в трансформаторе ТСЛ-1000/10/0,4 Рис. 4.12. Результаты теплового анализа трансформатора ТСЛ-1000/10/0,4 с применением моделей 3 уровняв полевой постановке Анализ результатов рис. 4.10 - 4.15 показывает, что распределение температурного поля по поверхности корпусов обмоток трансформаторов ТСЛ-с литой изоляцией характеризуется значительной неоднородностью. Области с максимальными температурами реализуются в межкатушечнах зонах, что связано с ухудшенными условиями теплоотдачи. Гистограмма распределения температур (рис. 4.11 ирис) имеет несколько экстремумов в области температур С С, что характеризует тот факт, что на поверхностях катушек реализуется несколько зон с различным уровнем тепловыделения и теплоотдачи. Аналогичные результаты получены с использованием моделей 3 уровняв полевой постановке (рис. 4.12 ириса) б) в) г) Рис. 4.13. Результаты тепловых испытаний трансфоматора ТСЛ-1600/10/0,4 D/Y-11: а) Термограмма, снятая с помощью тепловизора б) распределение температур вдоль обмотки фазы А – линия 1 риса в) распределение температур вдоль обмотки фазы В – линия 2 риса г) распределение температур вдоль обмотки фазы С – линия 3 риса 119 Рис. 4.14 Гистограмма распределения температур в трансформаторе ТСЛ-1600/10/0,4 Рис. 4.15. Результаты теплового анализа трансформатора ТСЛ-1600/10/0,4 с применением моделей 3 уровняв полевой постановке Следует обратить внимание на то, что на высоте равной половине высоты обмоток наблюдается снижение температуры. Это связано стем, что в центре обмоток расположены катушки с регулировочными витками, ив номинальном режиме задействовано только половина витков, соответственно и тепловыделение в этих катушках в 2 раза меньше, чем в основных катушках. 120 4.3.2. Тепловой расчет герметичных масляных трансформаторов типа ТМГ 400-1600 кВА класса напряжения 10 кВ Для теплового расчета масляных трансформаторов также была использована система теплового анализа SHAPT в САПР распределительных трансформаторов. Особенности использования SHAPT в тепловом расчете масляных трансформаторов 1. Решениезадачи в полевой постановке сводится к решению двух зависимых задач тепловой расчет системы охлаждения и тепловой расчет обмоток в условиях, моделирующих в качестве окружающей среды трансформаторное масло при температуре, близкой к С. Приложение Flow simulation обладает возможностью решения задачи с двумя хладагентами, разделенных твердой стенкой, нов данном случае расчетная модель гофрированного бака значительно усложняется большим количеством гофр, числом концентров обмоток НН и ВН, а также наличием шихтованного магнитопровода, что занимает значительные ресурсы и не позволяет широко применять данный метод. В связи с этим для проведения теплового расчета активной части масляного трансформатора необходимо провести расчет системы охлаждения, в результате которого рассчитывается температура масла в средних слоях и верхних слоях. Следует отметить особенность полевых моделей активной части трансформатора в полевых моделях нет возможности задать разную температуру охлаждающей среды по высоте. Это возможно сделать только при наличии твердой границы между жидкостями Но введение твердой границы между средними и верхними слоями масла вносит сущест- Рис. 4.16. Трансформатор типа ТМГ, производимый ООО «Трансформер» 121 венное искажение в постановку задачи и, соответственно, приводит к неверным результатам. Поэтому при расчете полевой модели принято допущение о том, что температура масла по всему объему равна температуре масла в средних слоях. Описанный недостаток полевой модели устраняется путем использования цепных моделей го уровня на основе разветвленных электрических схем замещения. Разные температуры масла по высоте активной части учитываются путем расчета коэффициента теплоотдачи с элементов секций соответствующих обмоток. Результаты расчета и сравнение с результатами тепловых испытаний трансформаторов ТМГ приведены в табл. 4.5 – 4.6. Таблица 4.5. Средние превышения температур обмоток НН ТМГ над температурой окружающей среды, С Тип 1 уровень 2 уровень 3 уровень Тест ТМГ-400/10 69,90 56,53 50,31 52,04 ТМГ-630/10 67,86 53,95 49,14 50,84 ТМГ-1000/10 75,87 57,12 51,4 53,92 ТМГ-1600/10 76,94 59,34 55,08 56,12 Таблица 4.6. Отклонения результатов расчета температуры обмоток НН трансформатора ТМГ над температурой окружающего воздуха от результатов тепловых испытаний, С Тип трансформатора 1 уровень 2 уровень 3 уровень ТМГ-400/10 29,29% 8,27% -3,38% ТМГ-630/10 28,68% 5,94% -3,40% ТМГ-1000/10 33,82% 5,76% -4,79% ТМГ-1600/10 31,29% 5,58% -1,87% Таблица 4.7. Средние превышения температур обмоток ВН ТМГ над температурой окружающей среды, С Тип 1 уровень 2 уровень 3 уровень Тест ТМГ-400/10 71,24 58,12 60,19 61,01 ТМГ-630/10 68,96 54,79 61,14 58,67 ТМГ-1000/10 76,67 58,24 63,28 61,71 ТМГ-1600/10 82,25 64,51 62,18 62,59 122 Таблица 4.8. Отклонения результатов расчета температуры обмоток ВН трансформатора ТМГ над температурой окружающего воздуха от результатов тепловых испытаний, С Тип трансформатора 1 уровень 2 уровень 3 уровень ТМГ-400/10 15,47% -4,85% -1,35% ТМГ-630/10 16,12% -6,84% 4,12% ТМГ-1000/10 21,62% -5,79% 2,51% ТМГ-1600/10 27,15% 3,02% -0,66% Рис. 4.17. Гистограмма распределения температур в трансформаторе ТМГ-630/10/0,4 Рис. 4.18. Результаты теплового анализа трансформатора ТМГ-630/10/0,4 с применением моделей 3 уровняв полевой постановке Анализ гистограммы на рис показывает то, что температурное поле по поверхности баков масляных трансформаторов характеризуется монотонностью без значимых неоднородностей. 123 а) б) в) г) Рис. 4.19. Результаты тепловых испытаний трансфоматора ТМГ-630/10/0,4 D/Y-11: а) Термограмма, снятая с помощью тепловизора б) распределение температур вдоль горизонтальной линии по длине бака – линия 1 риса в) распределение температур вдоль вертикальной линии – линия 2 риса г) распределение температур вдоль вертикальной линии – линия 3 риса. 124 ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ 1. Разработан прикладной программный комплекс, позволяющий проводить всесторонний тепловой анализ распределительных трансформаторов сухого и масляного исполнения. 2. Программный комплекс может быть использован при проектировании новых моделей распределительных трансформаторов. Использование программного комплекса позволяет значительно уменьшить объем натурных испытаний при расчете новых моделей распределительных трансформаторов. 3. Использование разработанного программного комплекса в рамках конструкторского отдела ООО «Трансформер» позволило на 23 % сократить затраты на проведение проектных работ и испытаний опытных образцов распределительных трансформаторов при разработке новых моделей. 4. Результаты тепловых испытаний распределительных трансформаторов и сравнение сними результатов теплового анализа с применением разработанного программного комплекса говорить о достоверности работы разработанного программного комплекса. 5. Применение программного комплекса в совместной работе с подсистемами оптимизации САПР трансформаторов позволяет рассчитывать оптимальные модели распределительных трансформаторов с высокой точностью и высоким быстродействием. 125 ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основании созданных в рамках данной работы моделей и программных средств была создана система теплового анализа распределительного трансформатора, являющаяся элементом САПР трансформаторов. Данная система является приложением, способным работать в связке с существующими системами. Сравнение этой системы с существующими программными продуктами показало, что поточности и универсальности моделей она не уступает современным системам. Кроме того, для проверки точности работы подсистемы были использованы данные, полученные экспериментальным путем. Сравнение результатов эксперимента с результатами расчета говорит о допустимой для инженерных задач точности. При разработке моделей, лежащих в основе разработанной системы теплового анализа САПР распределительных трансформаторов, основное внимание уделялось повышению скорости расчета при сохранении точности, характерной для полевых моделей. При этом были предложена модель, которых представляет собой разветвленную электрическую схему замещения, основанную на использовании явления изоморфизма уравнений физических процессов и практически не уступающую по быстродействию традиционным цепным моделям, а поточности и расчета и учету особенностей конструкции распределительного трансформатора – полевым моделям. Для повышения эффективности взаимодействия «проектировщик-система» разработан метод параметрической генерации и численного исследования цепной модели на основе разветвленной электрической схемы замещения, не имеющий аналогов в существующих САПР распределительных трансформаторов и позволяющий осуществлять многократную перегенерацию цепных моделей на этапе оптимизации проекта. Дальнейшее направление работ состоит в расширении использования библиотеки моделирования цепных моделей на основе разветвленных ЭСЗ в применении к другим процессам, протекающим в трансформаторе, например, 126 распределение импульсных перенапряжений, электродинамических усилий в режиме КЗ, тем самым создавая единую среду проектирования трансформаторов, обладающую высокой точностью и быстродействием. Основные результаты работы 1. Разработана эффективная подсистема теплового анализа САПР распределительных трансформаторов. 2. Разработана универсальная автономная библиотека моделирования электрических цепей. 3. Разработаны цепные модели на основе ЭСЗ физических процессов в обмотках трансформатора, позволяющие решать с высокой точностью исследовательские задачи и задачи инженерных расчетов. 4. Разработаны методы параметрической генерации цепных моделей, позволяющие автоматизировать процесс построения и численного исследования моделей, значительно снижающие трудоемкость проектирования. 5. Разработаны способы интеграции тепловых моделей в рамках единой проектной среды, в частности, на базе математических процессоров. 6. Получены экспериментальные результаты, подтверждающие достоверность работы разработанного программного комплекса. Основные положения, выносимые на защиту 1. Параметрически генерируемая комбинированная модель и метод для расчета распределения токов в обмотках распределительного трансформатора с учетом неоднородности магнитного поля. 2. Параметрически генерируемая цепная модель на основе разветвленных электрических схем замещения и метод анализа теплового состояния активной части распределительного трансформатора. 3. Библиотека моделирования электрических цепей в среде MatLab. 4. Программный комплекс, представляющий собой быстродействующую систему теплового анализа САПР распределительного трансформатора, обладающую высокой точностью расчетов и результаты его практического использования при тепловом расчете распределительных трансформаторов. Практические рекомендации по совершенствованию моделей трансформаторов, выпускаемых ООО «Трансформер» (г. Подольск) Личный вклад автора состоит 1) в непосредственном участии разработке, отладке и адаптации к САПР распределительных трансформаторов универсальной библиотеки моделирования электрических цепей 2) в разработке параметрически генерируемых цепных моделей для расчета распределения потерь в обмотках с учетом эффекта вытеснения тока и теплового расчета активной части распределительного трансформатора 3) в разработке методов параметрической генерации и численного исследования цепных моделей. 4) в разработке многоуровневой системы теплового анализа распределительного трансформатора 5) в проведении численных и натурных экспериментов и разработке рекомендаций по совершенствованию моделей распределительных трансформаторов БИБЛИОГРАФИЯ Нормативные документы 1. ГОСТ 3484.2-88 Трансформаторы силовые. Испытания на нагрев. 2. ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Термины и определения. 3. ГОСТ 23501.101-87 Системы автоматизированного проектирования. Основные положения. 4. ГОСТ Р 52719-2007 Трансформаторы силовые. Общие технические условия Трансформаторы силовые. Часть 7. Руководство по нагрузке масляных силовых трансформаторов. Руководящие документы 6. |