Тепловой расчет трансформатора

Задача теплового расчета трансформатора заключается:
1) в определении перепадов температуры между обмотками и сердечником с одной стороны и маслом с другой;
2) подборе конструкции и размеров бака, обеспечивающих нормальную теплоотдачу всех потерь при температурах обмоток, сердечника и масла, не превышающих допустимых значений;
3) поверочном расчете превышающей температуры обмоток, сердечника и масла над температурой окружающего воздуха.
Тепловой расчет трансформатора проводится после электромагнитного и механического расчета обмоток и сердечника. При правильном выборе электромагнитных нагрузок и правильном распределении и выборе размеров охлаждающих масляных каналов  внутренние перепады температуры в обмотках и сердечнике оказываются не выше обычно допускаемых величин. Вследствие этого тепловой расчет обмоток сводится к поверочному определению перепадов температуры внутри них и на поверхности для принятой конструкции  и размеров обмотки. Для обмотки из прямоугольного провода внутренний перепад температуры, °С, можно определить:
qо =  10-4,
где     q         –         плотность теплового потока на поверхности обмотки, Вт/м2, определяемая:
для обмотки ВН
 ,
для обмотки НН
 ,
где    d        –       толщина изоляции на одну сторону по рис. 1, см; lиз         –         теплопроводность изоляции провода, Вт/(см×°С), определяемая для различных материалов по табл. 1.

Таблица 1

Удельные теплопроводности различных изоляционных материалов

Рис. 1. К расчету внутреннего перепада температуры в многослойных обмотках из круглого и прямоугольного проводов

                         а                  б                    в

Рис. 2. К расчету внутреннего перепада температуры в обмотках  из прямоугольного провода

Определяется внутренний перепад температуры, °С, для каждой обмотки:
обмотка НН  qо1 = 10-4;
обмотка ВН  qо1 = 10-4.
Обмотка из провода круглого сечения обычно выполняется многослойной цилиндрической.
Полный внутренний перепад температуры, °С, в обмотках из круглого провода, не имеющих горизонтальных охлаждающих каналов:

qо2 =  ,
где  –     радиальный размер обмотки, см; Р  –       потери, выделяющиеся в 1 см3 общего объема обмотки (рис. 2).
Для медного провода Р, Вт/см3,  определяется по формуле
Рм = 1,6810-2;                                                              (1)
для алюминиевого провода
Ра = 2,7110-2,                                                              (1′)
где    dn.c.    – толщина межслойной изоляции, см (определялась выше).
Средняя теплопроводность обмотки, Вт/(см×°С),
lср =  ,                                                                         (2)
Теплопроводность межслойной изоляции lм.с. находится по табл. 1. Средняя условная теплопроводность обмотки l без учета межслойной изоляции, Вт/(см×°С),
l =  ,                                                                                                         (3)
где a = ; lиз   – теплопроводность материала изоляции витков (табл. 1).
В случае если обмотка намотана непосредственно на изоляционном цилиндре и имеет только одну открытую поверхность охлаждения, полный внутренний перепад, °С,   
qо =  = 0,28 ,                                                            (4)
где    lср     –       определяется по формуле 1;         –       радиальный размер катушки, см.
Средний перепад температуры qср, °С, составляет 2/3 полного перепада:
qср = .                                                                                                                      (5)

Внутренний перепад в многослойных обмотках, Вт/см3, из провода прямоугольного сечения  подсчитывается по такой же методике, т. е. по формулам (3)–(5) с заменой формул (1), (2) и (3) на следующие:
Рм = ;

Ра = ;

lср = ;

l = lиз ,
где a¢ и a – размеры провода в направлении движения  тепла соответственно с изоляцией и без изоляции, см;  в¢ и в         –      то же в направлении, перпендикулярном движению тепла, см; 2d       –      толщина изоляции провода, см (на две стороны).
Перепад температуры на поверхности обмотки является функцией плотности теплового потока q, Вт/м2, на поверхности обмотки. В практике расчета применяются эмпирические формулы для каждого частного случая.
Для цилиндрических обмоток из прямоугольного и круглого проводов, а также для многослойных цилиндрических катушечных обмоток, не имеющих радиальных каналов, перепад, оC, на поверхности обмотки

qОм = К×q06, 
где    К = 0,285.
Для расчета q06  можно воспользоваться табл. 2.

Таблица 2
Значение q06 и q08

При определении перепада температуры на поверхности обмоток из прямоугольного и круглого проводов с радиальными (горизонтальными) каналами необходимо учитывать способ охлаждения трансформатора, расположение обмотки и размеры радиального масляного канала.
Перепад,      °С, на поверхности обмотки может быть подсчитан:

qОм = К1К2К3 0,35 g06.
Коэффициент К1 учитывает скорость движения масла внутри обмотки, зависящую от системы охлаждения: для естественного масляного охлаждения... К1 = 1,0; для масляного охлаждения с дутьем К1 = 0,9; для масляного охлаждения с принудительной циркуляцией масла К1 = 0,7.
Коэффициент К2 учитывает затруднение конвекции масла в каналах внутренних обмоток НН и СН и может быть принят: К2 = 1,0 для наружных обмоток ВН, К2 = 1,1 для внутренних обмоток НН и СН.
Коэффициент К3 учитывает влияние на конвекцию масла относительной ширины (высоты) горизонтальных масляных каналов и может быть взят из следующей таблицы в зависимости от отношения высоты к глубине канала (ширины обмотки) , принимается по табл. 3.

Таблица 3
Значение коэффициента К3

После определения внутреннего и внешнего перепадов температуры в обмотках, °С, для каждой из них подсчитывается среднее превышение ее над средней температурой масла:
qо.м. ср. = qо.ср. + qо.м.          .       

Это превышение должно быть в пределах, предусмотренных для современных масляных трансформаторов.