Для измерения температуры в доступных местах могут быть использованы термометры расширения (ртутные или спиртовые), термопары или термометры сопротивления.
Определение среднего превышения температуры обмотки над температурой Ф0 охлаждающей среды обычно производится по относительному возрастанию сопротивления
(14)
Сопротивление гг измеряется в нагретом состоянии обмотки и сопротивление гх соответствует практически холодному состоянию обмотки при температуре Ох. Для медного провода А = 235 и для алюминиевого А = 245.
Для непрерывного автоматического контроля теплового состояния в наиболее нагретых точках электрической машины во время работы применяются заложенные или встроенные температурные индукторы — термометры сопротивления и термопары. Температурные индикаторы закладываются при изготовлении электрической машины в точки, недоступные в готовой машине: по середине паза, между изолированными сторонами катушек и на дне паза.
Встроенные температурные индикаторы располагаются в готовой машине в доступных местах — в лобовых или пазовых частях обмотки или между листами сердечника.
Предельно допускаемые температуры и предельно допускаемые превышения температуры частей электрических машин
Для обеспечения необходимого срока службы электрической машины температура частей ее, выполненных из изоляционных материалов или соприкасающихся с ними, должна быть ограничена в соответствии с установленной предельной рабочей температурой Фп для этих материалов.
Чем больше нагрузка машины, тем больше потери в ней и больше превышение Ад температуры ее частей над температурой Ф0 охлаждающей среды при неизменных условиях теплоотдачи. Рабочая температура части машины
(15)
т. е. зависит не только от нагрузки машины, но и от температуры охлаждающей среды, которая, согласно ГОСТ 183—66 принимается равной 40° С.
Методы определения превышений температуры не гарантируют получения их максимальных значений, поэтому в стандартах в зависимости от метода определения превышения температуры и конструкции обмотки устанавливаются предельные допускаемые превышения температуры Ддд, которые на 5—10° С меньше Фп — О0.
Согласно ГОСТ 183—66, для машин общего применения, предназначенных для продолжительного номинального режима работы, для повторно-кратковременных номинальных режимов работы и для перемежающихся номинальных режимов работы предельные допускаемые превышения температуры должны соответствовать значениям, указанным в табл. 1.
Предельные допускаемые превышения температуры детей электрических машин, предназначенных для кратковременного номинального режима работы, а также для электрических машин с ограниченным сроком службы могут быть выше, указанных в табл. 1.
Для машин переменного тока на напряжение свыше И 000 в предельные допускаемые превышения температуры обмоток должны быть снижены по сравнению с указанными в п. 1 табл. 1.
Для закрытых машин на напряжение до 1500 в предельные допускаемые превышения температуры обмоток, определенные методом изменения сопротивления, допускается повышать на 5° С по сравнению с указанными в пп. 2 и 4 табл. 1.
Указанный в п. 10 табл. 1 класс изоляционного материала относится к изоляции коллектора или контактных колец или же к изоляции присоединенных к ним обмоток, если класс изоляции последних ниже класса изоляции коллектора или контактных колец.
Продолжение
Предельные допускаемые превышения температуры частей электрических машин при температуре газообразной охлаждающей среды
более 40 или менее 40° С, или на высоте над уровнем моря более 1000 м должны быть соответствующим образом изменены.
Температура подшипников не должна превышать следующих предельных допускаемых значений: для подшипников скольжения 80° С (температура масла при этом не должна быть более 65° С), для подшипников качения 100° С.
Более высокая температура допускается, если применены специальные подшипники качения или специальные сорта масел при соответствующих материалах вкладышей для подшипников скольжения.
10• Охлаждение и вентиляция электрических машин
Количество теплоты, которое может быть рассеяно в данной машине, зависит от способа охлаждения. Усовершенствование охлаждения дает возможность увеличить использование активных материалов машины и тем самым сделать ее легче.
Рис. 3. Радиальная система вентиляции
По способу охлаждения машины делят на следующие основные типы: 1) с естественным охлаждением; 2) с самовентиляцией; 3) с наружной самовентиляцией; 4) с независимым охлаждением.
Машины с естественным охлаждением не имеют никаких специальных приспособлений для охлаждения. В настоящее время этот тип не применяется, за исключением машин очень малой мощности.
Машины с самовентиляцией охлаждаются с помощью вентилятора, составляющего одно целое с вращающейся частью машины.
Вентилятор засасывает извне холодный воздух и прогоняет его через машину. В зависимости от того, в каком направлении движется по машине охлаждающий воздух, различают следующие две вентиляционные схемы: радиальную и осевую.
Радиальная схема вентиляции с радиальными вентиляционными каналами 1 показана на рис. 3. Сердечник охлаждаемой части состоит из пакетов 2 шириной 4—8 см каждый; ширина вентиляционного канала обычно 10 мм.
К преимуществам радиальной схемы вентиляции относятся простота и надежность конструкции, минимальные потери энергии на вентиляцию и достаточная равномерность теплоотдачи. Недостатки этой схемы вентиляции состоят в меньшей компактности машины (так как вентиляционные каналы занимают до 20% по длине якоря), в относительно меньшей по сравнению с другими системами теплоотдаче. Количество протекающего через машину охлаждающего воздуха существенно зависит от взаимного положения каналов статора и ротора: так, перемещение якоря на 2—3 мм в осевом направлении в ту или другую сторону от правильного положения влечет за собой изменение количества охлаждающего воздуха на 20—30%.
Осевая схема вентиляции показана на рис. 4. Если осевые каналы 4 устроены только на роторе 5, то такую систему вентиляции называют простой осевой, если же каналы 1 и 4 выполнены на статоре 2 и роторе 3, то получается двойная осевая схема.
Недостаток осевой схемы вентиляции состоит в неравномерности охлаждения. Действительно, левая часть машины на рис. 4 охлаждается лучше, а правая хуже, так как воздух, пройдя по осевым каналам, успел подогреться.
Рис. 4. Осевая система вентиляции
Машины с наружной самовентиляцией применяются в тех случаях, когда воздух содержит взрывчатые газы или пары кислот, разрушающие изоляцию, и машины должны быть закрыты, т. е. устроены так, чтобы наружный воздух не мог попасть внутрь машины. В этом случае всё потери в машине могут быть отведены в окружающую среду только с наружной поверхности станины. В условиях естественной вентиляции получается тяжелая и дорогая машина, тогда как, применяя обдувание наружной поверхности станины, можно увеличить мощность машины в два-три раза. Обдувание станины производится при помощи вентилятора, вынесенного за подшипниковый щит. Чтобы усилить передачу тепла от внутренних частей машины к ее наружной, поверхности, воздух внутри машины заставляют циркулировать при помощи внутренних вентиляторов.
В машинах с независимым охлаждением воздух подводится к машине при помощи независимого, т. е. имеющего собственный привод, вентилятора.. Независимая вентиляция бывает двух родов: протяжная и замкнутая.
Под протяжной схемой вентиляции понимают такую, когда к машине подводятся извне все новые массы холодного воздуха, которые, провентилировав машину, выводятся затем наружу в окружающую атмосферу. Чтобы предупредить загрязнение машины пылью, всегда содержащейся в воздухе, на входном отверстии трубы, подающей в машину воздух, устанавливают фильтр.
При замкнутой схеме вентиляции один и тот же объем воздуха совершает замкнутый цикл, а именно: проходит через машину, подогревается, попадает в охладители, здесь охлаждается, снова попадает в машину и т. д. Замкнутая схема позволяет применить для охлаждения машины не только воздух, но и другие газы. В настоящее время для этой цели используется водород.
11. Нагревание и охлаждение трансформаторов
В основном тепловой процесс в масляном трансформаторе происходит так же, как и во вращающейся машине закрытого типа, с той разницей, что вместо воздуха (или водорода) бак трансформатора заполнен маслом. Потери, возникающие при работе трансформатора в стали сердечника и в обмотках, преобразовываются в тепловую энергию, которая нагревает эти части; соприкасаясь с ними, масло начинает циркулировать в направлении от нагретой выемной части (сердечника и обмоток) к более холодной поверхности бака.
Рис. 5. Трансформатор с трубчатым баком: а — циркуляция масла, 6 — распределение превышений температуры
Температуры сердечника, обмоток и масла очень тесно связаны с условиями охлаждения трансформатора. Различают следующие основные способы охлаждения: естественное масляное; масляное с дутьем и принудительную циркуляцию масла с воздушным или водяным охлаждением его.
На рис. 5 показаны пути циркуляции масла и распределение превышения температуры по высоте в трансформаторе с естественным масляным охлаждением. Наиболее нагретой частью с наиболее неравномерно распределенной температурой является обмотка трансформатора (линия 1). Поэтому срок службы трансформатора определяется временем износа (старения) изоляции обмотки. Превышение температуры сердечника трансформатора показано линией 2.
Отвод тепла от обмоток в масло практически происходит только путем конвекции, которая представляет собой сложное явление, за-
висящее как от температуры масла, так и от свойств теплорассеивающей поверхности. Превышение температуры масла показано линией 3. Согласно опытным данным, можно считать, что в обычных условиях работы трансформатора Хк = 80 — 100 вт/(град*м2). Эта цифра примерно в 10 раз превышает Хк в воздухе, и в этом состоит роль масла как теплоотводящей среды. Учитывая средние значения повышения температуры обмотки относительно масла, можно допустить следующие тепловые нагрузки обмоток: а) в трансформаторах с естественным масляным охлаждением q0 = 1000—1500 вт/м2; б) в трансформаторах с дутьем q0 = 1400—2200 вт/м2; в) в трансформаторах с принудительной циркуляцией масла q0 = 2500 вт/м2 и выше.
Для охлаждения трансформатора конструкция бака имеет важное значение. Простейшая форма гладкого бака применима лишь в трансформаторах мощностью не более 20—30 кВ-а. При больших мощностях — до 2400 кВ • а — применяются трубчатые баки (рис. 19), а затем баки радиаторного типа с естественной циркуляцией масла для мощностей до 7500 кВА включительно или с обдувом (рис. 20) для мощностей от 10 000 кВА и выше. Превышение температуры поверхности труб показано линией 4 на рис. 5. Трансформаторы с принудительной циркуляциёй масла имеют гладкие баки и оборудованы насосной установкой.
Согласно ГОСТ 11677—65, превышения температуры частей масляного трансформатора над температурой охлаждающей среды при тепловых испытаниях не должны превышать следующих значений:
Части трансформатора | Повышение | Метод |
Обмотки | 65 | По изменению сопротивления |
Поверхности магнитопровода и конструктивных элементов | 75 | По термометру |
Масло в верхних слоях: исполнение герметизированное или с устройством, полностью защищающим масло от соприкосновения с окружающим воздухом | 60 | То же |
в остальных случаях | 55 | То же |
Превышение Температуры обмоток, сердечника и конструктивных деталей сухого трансформатора должно соответствовать табл. 1.
В аварийных случаях масляные трансформаторы должны допускать одну из следующих кратковременных перегрузок сверх номинального тока (независимо от длительности предшествующей нагрузки, температуры охлаждающей среды и места установки):
30% в течение 2 ч, 45% — 80 мин, 60% — 45 мин, 75% — 20 мин, 100% — 10 мин, 200% — 1,5 мин.
Для сухих трансформаторов перегрузка в аварийных случаях устанавливается значительно меньшей: 20% в течение 1 ч, 30% — 45 мин, 40% — 32 мин, 50% — 18 мин, 60% — 5 мин.
Температура окружающей среды установлена следующая: для воды не более 25° С у входа в охладитель, для воздуха — естественно изменяющаяся температура, не более 40° С. Таким образом, при пониженной температуре воздуха температура обмоток будет меньше установленной для изоляционных материалов соответствующего класса. Однако поддерживать непрерывно максимальную допускаемую температуру обмоток путем увеличения нагрузки трансформатора не следует, так как в этом случае значительно сокращается срок службы. Допускаемое превышение температуры установлено с учетом неизбежных суточного и годового колебаний температуры окружающего воздуха, так что среднесуточная температура не более 30° С и среднегодовая — не более 20° С, т. е. в предположении, что периоды максимальной температуры обмоток всегда в эксплуатации чередуются с периодами пониженной температуры.
При низкой температуре вязкость масла значительно увеличивается, следовательно, уменьшается Хк, поэтому ограничен нижний предел температуры окружающего воздуха, не менее —45° С.
В этих условиях, как показал долголетний опыт эксплуатации, установленные превышения температуры обеспечивают работу трансформатора в течение 15—20 лет.
