Стартовая >> Оборудование >> Трансформаторы >> Практика >> Нагрев и охлаждение трансформатора

Нагрев и охлаждение трансформатора

Электрическая энергия, теряемая в трансформаторе при его работе, выделяется в виде тепла в обмотках, магнитопроводе, деталях конструкции и в других частях трансформатора. При этом трансформатор нагревается, и температура его отдельных частей может превысить допустимую температуру.

Металлические части трансформатора могут без повреждения продолжительное время выдерживать довольно высокие температуры, а изоляция трансформатора и, в частности, изоляция обмоточных проводов не может. Установлено, что электрическая прочность бумажной изоляции, которая в современных масляных трансформаторах играет основную роль, не снижается до тех пор, пока сохраняется ее механическая прочность. При работе трансформатора бумажная изоляция постепенно изнашивается, стареет. Старение изоляции сопровождается уменьшением ее эластичности и механической прочности. Причем чем выше температура обмоток, тем интенсивнее происходит старение изоляции.

Сильно состарившаяся изоляция становится настолько неэластичной и хрупкой, что под влиянием вибраций и динамических усилий, имеющихся в трансформаторе, начинает растрескиваться и ломаться, т. е. механически повреждается. Следствием этого может быть резкое снижение электрической прочности, пробой и повреждение трансформатора.

Время, в течение которого изоляция изнашивается настолько, что становится непригодной к дальнейшей работе, зависит от температуры ее нагрева. С увеличением температуры при прочих равных условиях срок службы трансформатора уменьшается.

Для трансформаторов отечественного производства принята такая допустимая температура нагрева изоляции, при которой обеспечивается срок службы трансформаторов 20—25 лет. Опытным путем установлено, что наивысшая температура, которую выдерживает в масле бумажная изоляция без заметного снижения своих изоляционных свойств, 105° С.

Исходя из этого, ГОСТ 11677—75 установил, что у трансформаторов, предназначенных для мест с наибольшей температурой окружающего воздуха 40° С, превышение средней (определяемой по сопротивлению) температуры обмоток над температурой воздуха не должно быть больше 105°С - 40°С = 65°С. Однако температура окружающего воздуха как в течение года, так и в течение суток никогда не бывает постоянной, также колеблется и нагрузка. Следовательно, температура обмоток (и изоляции) никогда не будет равной 105°С.

Установлено, что если бы в процессе эксплуатации среднюю температуру обмоток каким-либо способом удалось поддерживать все время 105°С, то срок службы трансформатора едва бы превысил 2 года. Поэтому температуру обмоток 105°С надо понимать как наибольшую среднюю температуру, допустимую для безопасной работы трансформатора в течение нескольких часов в сутки в те немногие дни, когда температура окружающего воздуха достигает максимума (40°С).

Как уже указывалось, при работе трансформатора обмоточные провода, стальные пластины магнитопровода и различные металлические детали конструкции нагреваются и вследствие этого являются постоянными источниками тепловой энергии. Поэтому в магнитопроводе и обмотках происходит постоянный процесс передачи тепла от более нагретых внутренних частей к наружным поверхностям, отдающим тепло. Учитывая это, трансформаторы строят таким образом, чтобы размеры наружных поверхностей были достаточны для отвода тепла.

В трансформаторах мощностью в несколько киловольт-ампер поверхность охлаждения обмоток и магнитопровода достаточна для отвода того небольшого количества тепла, которое выделяется при их работе. Малые трансформаторы охлаждаются в окружающем их более холодном воздухе путем естественного излучения тепла. Никаких специальных устройств для охлаждения не предусматривается. Такие трансформаторы называют сухими.

По мере увеличения мощности потери в трансформаторе возрастают, причем они растут пропорционально его массе, т. е. приблизительно пропорционально кубу его линейных размеров. В то же время поверхность охлаждения растет пропорционально квадрату линейных размеров, т. е. потери в трансформаторе увеличиваются быстрее, чем поверхность, отводящая тепло.

Начиная с какой-то определенной мощности, этой поверхности оказывается недостаточно и приходится между частями обмоток, катушками, секциями делать специальные каналы, увеличивая омываемые воздухом поверхности охлаждения. Однако и такое увеличение оказывается достаточным только для трансформаторов мощностью 630—1000 кВ*А. При больших мощностях приходится делать специальные обдувные установки для увеличения теплоотдачи сухих трансформаторов.

Более действенным средством для отвода тепла трансформатора является применение минерального (трансформаторного) масла. Трансформатор погружают в наполненный маслом стальной бак. Слои масла, непосредственно соприкасающиеся с обмоткой и магнитопроводом, нагреваются, и нагретые частицы, имея меньшую плотность, поднимаются вверх; их место занимают поступающие снизу более холодные частицы масла. Поднявшиеся вверх нагретые частицы масла соприкасаются со стенками и крышкой бака и отдают им свое тепло, рассеивающееся затем в окружающий воздух. Охладившиеся частицы масла опускаются вниз, а их место занимают другие, нагревшиеся частицы.

Таким образом, в баке происходит непрерывный процесс нагревания и охлаждения масла, циркулирующий поток которого является как бы переносчиком тепла от нагретых частей трансформатора к стенкам бака. Конечно, температура масла не остается одинаковой по высоте бака: внизу она самая низкая, в середине бака средняя, а верхние слои масла нагреты до наибольшей температуры.

Согласно нормам (ГОСТ 11677—75) в верхних слоях допустимо превышение температуры масла над температурой окружающего воздуха 60° С, если масло в баке полностью защищено от соприкосновения с окружающим воздухом (герметизированное исполнение трансформатора), и 55° С — во всех остальных случаях. Этот перегрев можно установить, если из температуры верхних слоев масла, определенной по термометру, вычесть температуру окружающего воздуха в момент измерения. Например, температуpa верхних слоев масла составляет по термометру 75° С. В момент измерения температура воздуха была 25° С, следовательно, перегрев масла 75°С - 25°С = 50°С, что ниже допустимого.

Применение трансформаторного масла в качестве теплопередающей среды исключительно эффективно. По опытным данным теплоотдача от единицы поверхности при масляном охлаждении в 6—8 раз больше, чем при отдаче тепла непосредственно воздуху. При масляном охлаждении поверхности обмоток и магнитопровода можно сделать значительно меньшими, чем у такого же по мощности сухого трансформатора с воздушным охлаждением.

Однако поверхность бака, с которого тепло отводится в воздух, должна быть при этом достаточно большой, иначе температура масла станет выше допустимой. Таким образом, у масляных трансформаторов для улучшения охлаждения надо подбирать бак трансформатора с достаточно большой поверхностью.

Самый простой путь — это увеличение линейных размеров (длины, ширины, высоты) бака. Но этот путь ведет к увеличению общих размеров трансформатора и поэтому не экономичен. Более правильный путь — это увеличение поверхности бака путем применения волнистых стенок, труб, ввариваемых в его стенки, или трубчатых охладителей (радиаторов), специально пристраиваемых к баку трансформатора.

У трансформаторов мощностью до 6300 кВА такое увеличение поверхности бака позволяет успешно отводить тепло и не допускать увеличения температуры масла над воздухом выше допустимой величины. У этих трансформаторов происходит, как говорят, естественное охлаждение с помощью масла и циркуляции воздуха. У трансформаторов большой мощности естественное охлаждение оказывается недостаточным. В этих случаях применяют искусственное охлаждение масла. Существует несколько способов принудительного охлаждения трансформаторов. Рассмотрим наиболее распространенные.

Первый способ — это вид охлаждения трансформатора с использованием принудительного ускорения движения воздуха, охлаждающего радиаторы, с помощью вентиляторов. Этот способ называют дутьевым (Д) охлаждением.

Устанавливая вентиляторы под радиаторами и создавая таким образом принудительную циркуляцию воздуха вдоль их наружной поверхности, можно увеличить эффективность (теплоотдачу) радиаторов на 40—50% по сравнению с естественным охлаждением. Вообще система дутьевого охлаждения рассчитывается так, чтобы при снижении нагрузки до 50—60% можно было бы отключить вентиляторы, т. е. вернуться к естественному масляному охлаждению.

Второй способ — это вид охлаждения трансформатора с использованием принудительного ускорения движения как трансформаторного масла, так и воздуха. Этот способ называют системой охлаждения ДЦ.

Обычно для системы ДЦ применяют специальные охладители, собранные из трубок, через которые встроенные в трубопровод насосы прогоняют нагретое масло. Необходимое число вентиляторов создает направленные потоки воздуха, обдувающие поверхность трубок (рисунок 1).

схема охладителя трансформатора системы ДЦ

Рисунок 1 - Схема охладителя системы ДЦ

Третий способ — это вид охлаждения трансформатора, при котором нагретое масло принудительно (с помощью насоса) прогоняется через ряд труб охладителя, заключенных в «рубашку», в которой циркулирует вода. Такой способ называют масляно-водяной системой или охлаждением вида Ц.

Водяное охлаждение — одно из наиболее эффективных. Объясняется это тем, что коэффициент теплоотдачи от масла в воду значительно выше, чем в воздух. Поэтому такие охладители получаются значительно компактнее, чем в системе ДЦ. Это обстоятельство часто является определяющим при выборе системы охлаждения. Особенно важно это для специальных (например, электропечных) трансформаторов, устанавливаемых внутри производственных помещений, где габариты трансформатора существенно влияют на стоимость строительных работ и всего предприятия в целом.

Принудительная циркуляция масла очень эффективна. Во-первых, она значительно улучшает (выравнивает) распределение температуры масла по высоте бака, т. е. снижает температуру наиболее нагретых верхних слоев масла. Во-вторых, ускоренное движение масла улучшает теплоотдачу нагретых элементов конструкции трансформатора.

Особенно эффективна принудительная циркуляция в тех случаях, когда масло с повышенной скоростью проходит не только между активной частью и баком, но и непосредственно в каналах обмоток и магнитопровода трансформатора.

Для обеспечения такого «направленного» движения масла в конструкции предусматривают специальные перегородки и другие устройства, направляющие масло именно в те места, где это необходимо.

 
« Монтаж, изолировка, крепление и пайка отводов после ремонта   Нагрев силовых трансформаторов »
электрические сети