Тепловой расчет бака трансформатора

При выборе конструкции бака для трансформатора главное внимание следует обращать на хорошую теплоотдачу, механическую прочность, простоту в изготовлении и по возможности меньший габарит.
Применяемые в трасформаторостроении баки с гладкими стенками, с трубами и трубчатыми радиаторами отвечают всем этим требованиям.
Типы баков в зависимости от мощности трансформаторов приводятся в табл. 1.
После выбора типа бака следует определить его минимальные внутренние размеры. После расчёта размеров выемной части трансформатора, т.е. его сердечника с обмотками и отводами, минимальные внутренние размеры бака в плане определяются внешними габаритами выемной части и минимально необходимыми изоляционными расстояниями от обмоток и отводов до стенок бака. На рис. 1. показан метод определения изоляционных расстояний между обмотками, отводами и стенкой бака. Определение изоляционных промежутков следует вести согласно табл. 3.9–3.

Таблица 1
Типы баков трансформаторов (ГОСТ 30830–2002)

Рис. 1. К определению  основных размеров бака

Необходимо проверить допустимое расстояние от отвода до обмотки и отдельно до прессующей балки ярма. Определение этих расстояний производится отдельно для отводов ВН и НН. Минимальные внутренние размеры бака определяются согласно рис. 1.
Минимальная длина, см, бака трехфазного трансформатора классов напряжения 6, 10 и 35 кВ 
А = 2С+D²2 +2S5. 
Минимальная ширина, см,

В = D²2 +S1+S2+d1+S3+S4+d2.

Для трансформаторов с классом напряжения обмотки ВН 110 кВ при расположении вводов в масле между ярмом сердечника и стенкой бака размеры бака в плане А и В могут быть приближённо приняты:
А @ 2С + D²2  + 80;
В @ D²2  + 80.
где    С       –       расстояние между осями соседних стержней.
Глубина бака определяется высотой выемной части и минимальным расстоянием от верхнего ярма до крышки бака. Высота, см, выемной части:
Нв =  + 2hя + n,       
где    n       –       толщина подкладки под нижнее ярмо (n = 3–5 см).
Выбор минимального расстояния от верхнего ярма трансформатора до крышки бака Няк может быть произведен по табл. 2.

Таблица 2
Минимальное расстояние от ярма до крышки бака

Примечания. * В случае применения трехфазного переключателя, прикреплённого к крышке бака, расстояние Няк = 85 см. ** При классе напряжения 110 кВ вводы ВН в масле располагаются между ярмом и стенкой бака; расстояние Няк  »50 см независимо от величины SР.

Глубина бака Нб = Нв + Няк.
Длительно допустимое среднее превышение температуры обмоток над температурой воздуха при номинальной нагрузке может быть принято равным 70 °С. Тогда среднее превышение температуры, °С, масла, омывающего обмотки над температурой воздуха, должно быть не более:

qмв = 70 – qом.ср,     

где     qом.ср   –         большее из двух значений, подсчитанных для обмоток Вн и НН.
Среднее превышение температуры стенки бака над температурой воздуха будет меньше qмв на величину перепада температуры,  °С, между маслом и стенкой бака
qб.в.= qмв – qМб         ,       
где    qМб = 5–6 °С.
Полученное значение qб.в. должно удовлетворять условию:
s (qб.в + qмв) £ 60 °С.                                                                                    (1)
В предварительном расчете s = 1,2.
В случае, если значение qб.в не удовлетворяет неравенству (1) следует принять (qб.в.+ qмв)1,2 = 60, и значение qб.в. определить из выражения :
qб.в. = 50 – qМб.
Поверхность излучения бака в предварительном расчете:
бак прямоугольного сечения,  м2, в плане
Пи = 2(А+В) Нб К 10-4;
бака овального сечения,  м2, в плане

Пи = [2(А-В) + pВ] Нб К 10-4,   

где    К       –      коэффициент, учитывающий отношение периметра поверхности излучения к поверхности гладкой части бака.
Коэффициент k принимается равным: 1,0 – для гладкого бака;
1,2–1,5 – для баков с трубами; 1,5–2,0 – для баков с навесными радиаторами.
После предварительного приближённого расчета  поверхности излучения бака рассчитывается поверхность, м2, конвекции бака,  требуемая для получения найденного выше значения qб.в, по уравнению:
Пк =  – 1,12 Пи ,                                (2)
где ,  – потери короткого замыкания, Вт;  – потери холостого хода, Вт.
Найденная таким образом поверхность конвекции является ориентировочной, позволяющей определить число и размер труб, волн, охладителей и гладких стенок бак. Они должны быть подобраны так, чтобы с учетом коэффициентов Кф1, Кф2, Кфn они в сумме давали полученное выше ориентировочное значение величины поверхности конвекции Пк. Значения коэффициентов Кф берутся из табл. 3.

Таблица 3
Значение коэффициентов Kф

Примечание. Для трубчатых радиаторов без дутья Kф = 1,4.
1. Гладкий бак

Для гладкого бака Пи = Пк. Поверхность теплоотдачи, м2:
для прямоугольного бака:
Пи = Пк = 2(А+В)Нб 10-4 + 0,5Пкр;   
для овального бака
Пи = Пк = [2(A-B) + pB]  Нб 10-4 + 0,5 Пкр.,         
где Пкр       –       геометрическая поверхность крышки бака.

2. Трубчатый бак

Рис. 2. Элементы трубчатого бака

Трубчатый бак является одним из наиболее распространенных (рис. 2). Число рядов труб выбирается обычно от одного до четырех в зависимости от необходимой по расчету поверхности конвекции Пк. Однако следует отметить, что последние десятилетия более широко стали применяться баки с радиаторами из прямых овальных труб с одним или двумя рядами.
В нормальных сериях трансформаторов в России применяются трубы круглого сечения с наружным диаметром 5,1/4,8 см и толщиной стенки
0,15 см и овальные трубы с размерами поперечного сечения 7,5×2,0 см при толщине стенки 0,15 см.
Сравнительные данные тех и других труб приведены в табл. 4.
Расстояние в между центрами отверстий наружного ряда труб ( на  рис. 2) должно быть  меньше Нб на сумму расстояний С и . Эти расстояния зависят от конструкции верхней  рамы бака, длины прямого участка наружного ряда труб а (d2 на рис. 2), формы сечения трубы и метода приварки дна и верхней рамы к стенке бака.
Таблица 4
Данные круглых и овальных труб, применяемых в нормальных сериях трансформаторов

После определения основных размеров бака и выбора формы сечения трубы и числа рядов труб определяются размеры труб во всех рядах и подсчитываются поверхности излучения и конвекции бака трансформатора в следующем порядке.
Размеры поперечного сечения трубы, радиус закругления, шаг в ряду tr и шаг между рядами tp определяются по табл. 5. Прямой участок а для внутреннего ряда труб принимается равным а1 = 5,0 см. Далее определяется:
a2 = a1 + tp;             a3 = a2 + tp и т. д.

Таблица 5
Геометрия труб трубчатого бака  

Из табл. 5 для принятой формы сечения трубы по размеру а наружного ряда труб выбираются минимальные значения С и . Затем находится расстояние, см, между осями труб на стенке бака, начиная с наружного ряда труб (с номером n):
наружный ряд      bn = H – C – l;
второй ряд снаружи              bn-1 = bn – 2tp;
третий ряд            bn-2 = bn-1 – 2tp.
Развёрнутая длина трубы соответствующего ряда определяется:
1-й (внутренний) ряд  l1 = b1 – 2R + ПR + 2a1 = b1 + 1,14R + 2a1;
2-й ряд                   l2 = l1 + 4tp;
3-й ряд                   l3 = l2 + 4tp и т. д.
Число труб в одном ряду на поверхности бака овального типа
mp = .
Поверхность, м2, излучения бака с трубами:
Пи = [2(А-В) +p (B + 2а1 + 2R + 2t(n-1)] H 10-4 + 0,5Пкр,
где    d       –       диаметр круглой трубы или больший размер поперечного сечения овальной трубы, см.

Поверхность конвекции бака, м2,
Пк = Пк глКф гл+ПктрКфтр ,           
где    Кф гл, Кфтр   –       коэффициенты, определяемые по табл. 3; Пк гл – по-верхность конвекции гладкого бака и крышки; Пктр     –       поверхность конвекции труб; Пктр = Пм(m1l1+m2l2+… …+mnln) 10-2; где Пм   –       поверхность погонного метра труб по табл. 4.
Если полученная Пк равна или немного больше необходимой поверхности конвекции, найденной по (2.), то следует переходить к расчету превышения температуры обмоток и масла трансформатора над температурой воздуха. Если полученная поверхность конвекции меньше необходимой или существенно больше ее, следует произвести корректировку размеров бака или труб за счет увеличения или уменьшения высоты бака или числа рядов труб, или числа труб в ряду.

3. Бак с навесными охладителями

Для трансформаторов, мощностью от 3200 до 123500 кВ*А широко применяются навесные охладители с гнутыми трубами, которые бывают двух типов: одинарные и двойные. Конструкция таких навесных радиаторов показана на рис. 3.
 а                                                                              б

Рис. 3. Трубчатый охладитель (радиатор) для естественного масляного охлаждения с гнутыми трубами (размеры в см): а – двойной радиатор с числом труб 2×2×16 = 64; б – одинарный радиатор с числом труб 2×16 = 32

Основные параметры трубчатых радиаторов с гнутыми трубами по рис.3 приведены в табл. 6.
Таблица 6
Основные данные трубчатых радиаторов с гнутыми трубами

Рис. 4. Трубчатый радиатор с прямыми трубами

Последние десятилетия стали широко применяться баки с трубчатыми радиаторами, с прямыми трубами. Конструкция таких радиаторов показана на рис. 4.
Основные параметры таких радиаторов представлены в табл. 7.
Такие охладители применяются в трансформаторах мощностью от 63 до 630 кВ*А.
При тепловом расчете бака с навесными охладителями предварительно приближённо, применительно к основным размерам бака определяется поверхность излучения бака Пи. Затем по (2.) рассчитывается необходимая поверхность конвекции Пк и по этой величине по табл. 6 и 7. подбираются соответствующие числа и размеры трубчатых охладителей.
При этом поверхность конвенции гладкого бака Пк.гл и крышки Пкр подсчитываются для реальных размеров бака, а поверхности конвекции труб Пк.тр и коллекторов охладителей Пкк – также по табл. 6 и 7.
Для бака овальной формы, м2,
Пк.гл = [2(A-B) + pВ] Нб 10-4 + 0,5Пкр,       
При подборе размеров охладителей следует учитывать, что минимальное расстояние от дна или крышки бака до горизонтальной оси ближайшего патрубка охладителя должна быть не меньше 17 см, и следовательно, размер А, см, охладителей с гнутыми трубами (рис.3.) должен удовлетворить неравенству:
А £ Нб – 34.
Для охладителей (радиаторов) с прямыми трубами (рис. 4)
размер А, см, должен удовлетворять условию:
А £ Нб – 20.
При размещении охладителя на баке следует оставлять минимальные промежутки между трубами соседних охладителей, при параллельном расположении коллекторов: 16 см для двойных и 10 см одинарных охладителей; при размещении коллекторов  под углом 10 см для двойных и 7 см для одинарных охладителей.

Таблица 7
Основные данные трубчатых радиаторов с прямыми трубами

Примечание. Поверхность двух коллекторов Пк = 0,4м2

При расстановке охладителей с прямыми трубами также следует оставить расстояние между соседними радиаторами не менее 10 см.
Полная поверхность, м2, конвекции определяется по формуле
Пк = Пк.глКф.гл+ПкрКф.кр+Пк.трКф.тр+ПккКф.гл.
Полная поверхность конвекции бака с охладителями должна быть равной или несколько больше найденной по (2). После окончательного размещения охладителей на баке, поверхность излучения уточняется  по реальным размерам бака и охладителей.
В трансформаторах очень большой мощности применяется дутье – обдув радиаторов-охладителей с помощью вентиляторов. Увеличение интенсивности охлаждения учитывается посредством увеличения коэффициента Кф до 2,24 (см. табл. 3).

4. Окончательный расчет превышения температуры обмоток и масла трансформатора

После окончательного установления размеров бака и определения поверхности излучения  и конвекции необходимо подсчитать действительные превышения температур обмоток и масла над температурой воздуха. Подсчет производится для потерь, повышенных на 5% против расчетной величины Рх+Рк.
Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха, °С:
qбв =,
где     К = 1,05–1,10 –     коэффициент, учитывающий увеличение потерь на 5 %.
Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой и стенки бака:
qМб = К1 0,165,
где    Пк      –      сумма поверхностей конвекции гладкой части труб, волн, крышки без учета коэффициентов улучшения или ухудшения конвенции;
К1      –      коэффициент, равный 1,0 при естественном масляном охлаждении  и 0,9 – с дутьем.
Превышение температуры, °С, масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха:
qмвв = ,
где    s       =       1,2.
Превышение температуры, °С, обмоток над температурой окружающего воздуха подсчитывается для обмоток ВН и НН отдельно:
qов = qоср + qом +  +  .
Превышения температуры масла в верхних слоях и обмоток над температурой окружающего воздуха, не должны быть больше величин, допустимых по государственным стандартам или техническим условиям. При получении более высоких значений qмв или qов следует увеличить поверхность охлаждения бака. А если они ниже нормы более, чем
на 5 °С, поверхность охлаждения бака должна быть уменьшена.
Для масляных трансформаторов в большинстве случаев допустимый перепад, qов, температуры обмотки над воздухом окружающей среды составляет,
qов = 65 ± 70 °С.