Поиск по сайту
Начало >> Статьи >> О возможном механизме повышенного газообразования в реакторах

О возможном механизме повышенного газообразования в реакторах

С. М. Коробейников, А. Ю. Рыжкина, ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»
Известно, что в маслонаполненных реакторах напряжением 500 кВ наблюдается повышенное газообразование по сравнению с трансформаторами. Ясно, что это вызывает беспокойство эксплуатирующих организаций. Однако производитель реакторов считает, что повышенное газообразование допустимо в этом виде оборудования и даже предлагает принять в качестве граничных концентраций более высокие значения. Это вызывает интерес к проблеме газообразования в реакторах.
Цель настоящей работы - выявить отличия в конструкции реактора и трансформатора и проанализировать роль этих отличий в газообразовании.
Конструкции реакторов и трансформаторов принципиально отличаются двумя обстоятельствами. Во-первых, в реакторе нет вторичной обмотки, а во- вторых, в магнитной системе реактора имеется немагнитный зазор. На наш взгляд, именно последнее обстоятельство и играет главную роль в газообразовании.
Процессами, вызывающими газообразование, обычно являются нагрев различных частей оборудования, частичные разряды в пузырьках и непосредственно в жидкости, химические реакции. Однако наличие немагнитного зазора может привести к совершенно другой причине газообразования, связанной с вибрацией, а именно к кавитации.
Покажем возможность возникновения кавитации в немагнитном зазоре. При оценке необходимо учесть силы, возникающие в элементах магнитной системы. Во-первых, за счет магнитного давления будет возникать напряжение в металле и соответственно изменение немагнитного зазора. Во-вторых, за счет магнитострикции размер магнитопровода должен меняться, соответственно изменяя и размер немагнитного зазора. Оба этих фактора будут приводить к уменьшению магнитного зазора в момент максимума тока и магнитного поля и к увеличению в момент минимума тока. Таким образом, немагнитный зазор будет вибрировать с частотой, равной удвоенной частоте переменного напряжения.
Оценим изменение зазора за счет первого фактора. Считаем, что в магнитопроводе создается магнитное поле Н, при этом в немагнитном зазоре напряженность поля больше в μ раз, где μ - магнитная проницаемость стали сердечника. За счет разницы магнитных давлений μ0 μΗ2/2 в магнитном и немагнитном материалах магнитопровод будет удлиняться. Оценку давления (натяжения) можно сделать из следующих соображений. Натяжение в немагнитном зазоре можно представить следующим выражением:

Натяжение со стороны магнитопровода


Здесь В1 и Вш - индукция в магнитном зазоре и магнитопроводе соответственно. По условиям магнитостатического равновесия В1 = Вш. Значение индукции в магнитопроводе можно определить из значения тока, числа витков и конструкции магнитной системы. Нам они неизвестны. Но можно сделать примерные оценки и без использования конкретных значений параметров. Известно, что реактор работает в режиме, близком к насыщению. Это видно, например, из результатов измерения токов в реакторе [ 1]. Тогда можно положить Вш примерно равным индукции насыщения материала магнитопровода реактора: Вш = Втс~ 1,5-2 Т.д.
Разница натяжений, создаваемых в магнитном поле, будет приводить к удлинению магнитопровода до тех пор, пока не уравновесится упругой силой, возникающей вследствие механического напряжения в материале магнитопровода (электротехнической стали). Из этого условия можно получить следующее выражение:
где Δ/Μ - изменение длины магнитопровода; /м - длина магнитопровода; Ε - модуль Юнга.
Изменение длины магнитопровода по своему смыслу равно изменению толщины немагнитного зазора Δ13. Отсюда получим окончательное выражение, в котором будем считать, что μ » 1 (μ = 600 для стали Э3412).

Вторым фактором, приводящим к изменению размеров немагнитного зазора, является магнитострикция. Для современной анизотропной электротехнической стали константа магнитострикции λΛ находится в диапазоне от -0,4· 10 6 до 1,5· 10 6 (при индукции 1,5 Тл) [2]. По физическому смыслу λΛ - это отношение удлинения за счет магнитострикции Al„ls к длине магнитопровода /м. Окончательно максимальное изменение зазора можно рассчитать по следующему выражению:

Зависимость изменения зазора от времени можно представить в виде синусоиды с амплитудой Δ/> и частотой 100 Гц.
Оценим изменение зазора для реактора. Если взять сталь Э3412, имеющую /)'П.1С 1,75 Тл, Ε =2- 10й Па [3], длину магнитной силовой линии реактора 10 м, то изменение немагнитного зазора должно находиться в диапазоне от 10 5 до 2· 10 3 см. Много это или мало? И к чему это приводит? Это приводи т к возникновению течений. При уменьшении зазора масло должно выталкиваться из зазора, а при увеличении - втягиваться в зазор. Скорость течения можно оценить из изменения объема зазора V.

где а,b геометрические размеры зазора (глубина и ширина).
Этот объем жидкости должен успеть втекать и вытекать из зазора за время, равное полупериоду 5 мс.

Полученное максимальное отрицательное давление находится в диапазоне от 1,5 до 3,0 МПа.
Здесь возникает важное обстоятельство. Если жидкость успевает втекать в зазор, то изменения давления может и не возникнуть. А если она не успевает втечь в зазор, то в зазоре может возникнуть отрицательное давление (натяжение), которое должно приводить к периодическому образованию пузырьков с частотой 100 Гц. В принципе максимальное натяжение, которое может возникнуть, когда жидкость совсем не втекает, можно оценить из выражения

где ρ - плотность жидкости, ρ = 895 кг/м3; с - скорость звука в трансформаторном масле, с = 1390 м/с [4]; Р0 - внешнее давление. Приведем это выражение к виду, удобному для расчета:
В реальном зазоре определить, когда жидкость успевает втечь в зазор, а когда не успевает, можно, рассматривая гидродинамические потоки. Оценим значение скорости жидкости ν в зазоре. Изменение объема, рассмотренное выше, происходит за счет возникновения потока жидкости, направленного в зазор либо из зазора. Сделаем оценку для одномерного втекания и вытекания, считая ширину зазора b много большей, чем глубина а, и что зазор изменяется по синусоидальному закону.

где S - площадь сечения втекающего потока. Подставив, получим окончательное выражение для скорости на выходе из зазора:

Оценим, каким должен быть перепад давления внутри зазора (между центром и периферией), чтобы жидкость успевала втечь либо вытечь. Для оценки можно воспользоваться решением одномерной задачи о движении жидкости между двумя параллельными плоскостями при наличии градиента давления, меняющегося со временем по синусоидальному закону [5]. Не показывая математических преобразований, приведем окончательный результат для распределения давления в щели немагнитного зазора:

где χ - расстояние от центра зазора.
Из данного выражения видно, что давление меняется по синусоидальному закону причем в глубине зазора давление меняется сильнее. При этом в какие- то моменты времени оно превышает внешнее давление, а в другие становится меньше внешнего давления. Что это может означать с точки зрения образования пузырьков? Если давление станет отрицательным, это может привести к кавитации, т. е. разрыву жидкости и образованию пузырьков. В моменты отрицательного давления пузырьки растут, при смене знака давления должны схлопываться. Интересно, что температура внутри пузырьков в зоне схлопывания увеличена, при малом газосодержании она может стать достаточной для разложения материала и свечения этой области (сонолюминесценция). Если газосодержание значительное, то на стадии схлопывания пузырек не исчезает, а остается и даже в среднем будет расти со временем, так что после нескольких периодов сжатия и растяжения он может всплыть.
Какое отношение рассматриваемая картина имеет к реакторам? Нам неизвестны точные значения размеров немагнитных зазоров. Чтобы оценить порядок величины, примем а = 5 см, вязкость 20 мПа с, максимальное изменение зазора 10 мкм. Тогда значения давления станут отрицательными при толщинах зазоров менее 150 мкм. Это означает, что рассматриваемый механизм газообразования может реализоваться при образовании щелей, по-видимому, между твердой частью немагнитной вставки и сталью магнитопровода. Известно, что повышенная вибрация приводит к разбалтыванию магнитной системы [4] и тем самым к появлению щелей в ней.
Выявить кавитацию и образование пузырьков при моделировании можно различными способами, например зарегистрировав свечение или обнаружив микропузырьки либо путем хроматографического анализа масла. Предварительные экспериментальные результаты показали, что при слабом закреплении магнитопровода действительно появляются микропузырьки в немагнитном зазоре.
Таким образом, предложен новый механизм повышенного газообразования в реакторах, заключающийся в возникновении кавитации в немагнитном зазоре.

  1. Вопросы релейной защиты высоковольтных шунтирующих реакторов с точки зрения инженера релейной защиты [Электронный ресурс]. URL: http://www.eknis.net/href/rza
  2. Строганов Ю. Снижение шума и вибрации трансформаторов и реакторов в эксплуатации // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2008. № 10. С. 9-20.
  3. Фесик С. П. Справочник по сопротивлению материалов. 2-е изд., переработанное и доп. Киев: Будвельник, 1982.
  4. Цветаев С. К. Изоляция электрооборудования. Акустическая регистрация разрядных процессов //Новости электротехники. 2008. № 1(49). С. 50-52.
  5. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика : учеб. пособие : в 10 т. Т. 6. Гидродинамика. 4-е изд., стер. М.: Наука; Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.
 
« О вакуумных выключателях   Об элегазе »
Карта сайта + все метки | Контакты
© Электроэнергетика При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна.