Теплопроводность обмоток и охлаждение трансформаторов малой мощности

Мощность трансформатора повышается с повышением плотности тока. Допустимая плотность тока определяется балансом количества тепла, выделяемого в проводе обмотки (I²R), и количеством тепла, выделяемого поверхностью обмотки во внешнюю среду, при которой максимальная температура в обмотке не превысит допустимую для изоляции данного провода и применяемых видов изоляции (каркас, прокладки). При этом существенна не средняя температура меди, а температура наиболее нагретой части обмотки. Так как теплопроводность меди бесконечно велика по сравнению с теплопроводностью всех диэлектриков, то теплопроводность обмотки определяется теплопроводностью изоляции провода, кладок и прослоек воздуха. Поэтому для повышения теплопроводности надо значительно снижать общую суммарную толщину всех видов изоляции, применяя изоляционные материалы с высокой электрической и механической прочностью.
На рисунке 1 дано сечение однородной обмотки и примерные характеристики обмоток с хлопчатобумажной непропитанной изоляцией и из провода ПЭВ-2. Наличие прокладок в обмотке ухудшает теплопередачу.

1 — хлопчатобумажная изоляция (непропитанная); 2 - изоляция из эмальлака; t₀-температура воздуха Рисунок 1 - Распределение температуры нагрева по толщине обмотки
Высокая теплопроводность обеспечивает небольшой перепад температуры в толще обмотки. Если перепад составит 30—40° С, а наибольшая температура в обмотке будет 105° С, то температура поверхности обмотки составит 65—75°С. С повышением перепада температуры между поверхностью обмотки и воздухом повышается конвекция тепла. Если требуемая теплоотдача не будет обеспечена, то повышение теплопроводности лишь снизит максимальную температуру обмотки за счет ее выравнивания, но не даст возможности более полноценного использования меди обмотки и допустимой плотности тока.
При расчете трансформаторов обычно принимают температуру окружающего воздуха не выше 35° С. По местным условиям может быть принята и другая температура. К этой температуре добавляется превышение наружной поверхности обмотки и перепад в толще обмотки. Площадь охлаждения обычно принимается по наружной стороне обмотки (без торцевых сторон). При большой толщине обмотки последние иногда учитываются, но с коэффициентом не более 0,5.
Если раньше, при хлопчатобумажной изоляции, площадь охлаждения иногда превышала 40 см² на 1 Вт, то при современных электроматериалах достаточно легко обеспечить хорошую теплопроводность при 20 и даже 15 см² на 1 Вт. В трансформаторах, работающих в форсированном режиме (с материалами по нагревостойкости класса В), можно снизить площадь охлаждения до 10 и даже 8 см² на 1 Вт (но при высокой теплопроводности и высокой теплоотдаче).
Пропитка обмоток значительно снижает влияние прослоек воздуха на теплопроводность обмоток не только при проводах в хлопчатобумажной изоляции, но и при эмалевых проводах. Так, например, обмотка, выполненная проводом ПЭВ-2 диаметром 0,31 мм, после пропитки повышает теплопроводность на 45—75% в зависимости от марки лака. Второе значение относится к пропитке лаком на кремнийорганической основе.
При пропитке значительно повышается влаго- и химостойкость, в особенности при применении кремнийорганических лаков. Последние, являясь гидрофобными, придают пропитываемым материалам водоотталкивающие свойства.
Мероприятия по повышению теплопроводности и повышению конвекции тепла в окружающую среду следует проводить на всех трансформаторах независимо от их назначения и требований их надежности (конечно, без ущерба для качества изоляции). Во всех случаях это способствует снижению максимальной температуры и уменьшает старение материалов.
Пропитку обмоток трансформаторов следует применять при их работе в сырых помещениях и в местах с активными газами, при работе в форсированных режимах, а также при предъявлении к ним повышенных требований надежности.
При больших плотностях тока должны быть приняты все меры для повышения конвекции тепла. Часто стремятся полностью использовать окно магнитопровода, кроме того, обмотка покрывается иногда лакотканью, а часто и кабельной бумагой, закрывающей зазоры между обмотками и сталью магнитопровода. Это создает вокруг обмотки тепловой экран, значительно снижающий теплоотдачу. На рисунке 2 приведен разрез трансформатора с повышенной теплоотдачей, установленного на шасси. Обмотка выполнена проводом ПЭВ, ПЭТВ (или другим в эмалевой изоляции). Покрытием является слой покровного лака толщиной 0,1 мм (не более 0,15 мм) с глянцевой поверхностью. Между обмоткой и сталью магнитопровода имеется зазор 3—4 мм. При нагреве обмотки в зазоре создается тяга воздуха, тем более интенсивная, чем выше температура обмотки. При качественной штамповке и сборке поверхность торца магнитопровода в зазоре ровнее, что повышает циркуляцию воздуха. Если в поддоне шасси имеются нагревательные элементы, можно отделить отсеком участок под трансформатором, не закрывай отдельными деталями доступ внешнего воздуха к окнам трансформатора. При установке над трансформатором кенотрона тяга воздуха усилится.

Стрелки показывают направление охлаждающего воздуха Рисунок 2 - Трансформатор с повышенной теплоотдачей
Тепловой режим трансформатора в устройствах необходимо рассматривать с учетом общего количества выделяемого тепла и объема. Это в большой степени относится к испытательным переносным устройствам, где размеры (и вес) часто имеют решающее значение.
Вопросы теплоотдачи имеют значение не меньшее, чем теплопроводность, но решаются они различно в каждом конкретном случае.