TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE
Analiza narażeń cieplnych szyn wielkoprądowych układów prostowniczych dużej mocy – studium przypadku Streszczenie
Wysokoprądowe systemy szynowe szczególnie chętnie stosowane są w różnych dziedzinach przemysłu i energetyki, w których wymagany jest przesył prądu o stosunkowo dużych wartościach, np. w: elektrochemii, kolejnictwie, układach wzbudzenia wielkich generatorów. Szerokie stosowanie tego typu rozwiązań oraz upowszechnienie nowoczesnych technik obliczeniowych opartych o metodę elementów skończonych MES (ang. Finite Element Method FEM) sprawia, że możliwa i celowa jest optymalizacja tradycyjnych systemów szynowych. Dla zilustrowania możliwości wykorzystania analizy numerycznej przedstawiono studium przypadku zagrożeń występujących w moście szynowym zasilającym zespół prostowników wielkiej mocy.
Tabela 1. Dane znamionowe transformatora Parametr moc
Wartość 30 MVA
napięcie strony GN
30 kV
napięcie strony DN
0,5 kV
częstotliwość
50 Hz
liczba faz grupa połączeń
3 YN/Y/y/y YN/Y/y/d
napięcie zwarcia
9,98%
straty jałowe
59,58 kW
straty obciążeniowe
251,49 kW
Wstęp
W energetyce zawodowej i licznych gałęziach przemysłu przesył prądu o dużych wartościach realizowany jest z wykorzystaniem wysokoprądowych systemów szynowych. Szybki rozwój energetyki odnawialnej oraz magazynów energii powodują, że należy spodziewać się coraz szerszego stosowania tego typu rozwiązań. Istotnym problemem technicznym na etapie konstrukcji i eksploatacji układów szynowych jest zagadnienie nadmiernego nagrzewania się toru prądowego. Zadanie optymalizacji przekroju i rozmieszczenia przestrzennego szyn jest zatem ekonomicznie uzasadnione. Dla układu rzeczywistego o złożonej geometrii rozwiązanie metodami analitycznymi nie jest możliwe. Analizę jakościową przebiegu zjawiska można natomiast przeprowadzić metodą symulacji komputerowych z wykorzystaniem metody elementów skończonych. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych oraz obliczeń numerycznych przepływu ciepła w przykładowym systemie szyn wielkoprądowych układu prostowniczego dużej mocy. Obliczenia wykonano metodą elementów skończonych z zastosowaniem oprogramowania Ansys. Wyniki analizy numerycznej porównano z wynikami badań eksperymentalnych.
Opis obiektu
Rozpatrzono przypadek systemu szyn wielkoprądowych w układzie zasilania prostownika 12-pulsowego sterowane-go o prądzie znamionowym IDC = 47 kA (rys. 1). Prostownik zasilany jest za pośrednictwem transformatora o danych znamionowych przedstawionych w tabeli 1. Spodziewana wartość skuteczna prądu fazowego uzwojeń transformatora IRMS, a tym samym każdej fazowej szyny zasilającej, wynika z szacunkowej zależności: IRMS = 0,41 IDC (1) gdzie: IDC - wartość skuteczna w obwodzie prądu stałego zespołu prostownika zasilanego z transformatora
URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 1/2022
Rys. 1. Schemat zastępczy zasilania analizowanego prostownika 12-pulsowego
Dla nominalnej wartości prądu zespołu prostowników (IDC = 47 kA) wartość skuteczna zasilającego prądu fazowego IRMS wynosi około 20 kA. Ze względu na spodziewany prąd IRMS i dopuszczalną gęstość prądu (Jdop = 1,75 A/mm2) wyznaczono minimalną wymaganą liczbę szyn 160x10 mm, n = 7. Fotografię mostu szynowego w układzie płaskim przedstawiono na rysunku 2. W przedstawionej konfiguracji mostu (rys. 2) zaobserwowano nadmierne nagrzewanie szyn. Przy obciążeniu zespołu prostownika prądem znamionowym zarejestrowano temperaturę 170 °C w temperaturze otoczenia wynoszącej 30 °C. Zmierzone wartości temperatury powierzchni szyn fazy środkowej były o 50 °C wyższe w stosunku do szyn faz skrajnych. Niepomijalną przyczyną nierównomiernego nagrzewania szyn jest zjawisko zbliżenia i naskórkowości. Prądy płynące w fazach poszczególnych uzwojeń oddziałują na siebie, wywołują wypieranie prądu fazy sąsiedniej i tym samym zwiększanie realnej rezystancji szyn tej fazy. Stopień intensywności
31
