Глава двадцать вторая
НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ
1. Предварительные замечания
Проблема нагревания и охлаждения трансформаторов принципиально та же, что и для вращающихся машин, с той разницей, что у трансформатора не имеется вращающихся частей, как в электрических машинах, что влияет на вентиляцию и соответственно на нагревание последних. Так же как и в машинах, потери, выделяющиеся в сердечнике и обмотках трансформатора при его работе, преобразовываются в тепловую энергию и вызывают нагревание соответствующих частей трансформатора. От места своего выделения тепло направляется под действием тепловых градиентов к тем местам, где оно может быть передано охлаждающей среде, т. е. воздуху или воде в зависимости от способа охлаждения трансформатора. Рассеяние тепла происходит так же, как в электрических машинах, путем лучеиспускания и конвекции.
Теория нагревания и охлаждения твердого тела, лежащая в основе анализа теплового режима работы электрических машин, распространяется и на трансформаторы. В дальнейшем будем иметь в виду масляный трансформатор как основной тип силового трансформатора. По сравнению с тепловым режимом вращающихся машин тепловой режим этого трансформатора имеет ряд специфических особенностей, нуждающихся в дополнительном рассмотрении.
2. Способы охлаждения масляных трансформаторов
Тепловой режим масляного трансформатора в сильной степени зависит от способа его охлаждения. Различают трансформаторы: а) с естественным масляным охлаждением; б) с форсированным воздушным охлаждением — дутьем; в) с принудительной циркуляцией масла и охлаждением последнего с помощью водяных или воздушных охладителей.
Отечественные трансформаторы в единицах мощностью до 7500 кВ*А выполняются с естественным масляным охлаждением, на большие мощности — с дутьем и в специальных случаях — с принудительной циркуляцией масла.
3. Тепловые потоки и условия рассеяния тепла в масляном трансформаторе
Будем считать, что тепловой процесс трансформатора установился и что, следовательно, все части трансформатора имеют постоянную температуру и постоянное превышение температуры относительно температуры θ0 охлаждающей среды.
Картина распределения тепловых потоков и температура в различных частях масляного трансформатора носит сложный характер и с трудом поддается исследованию. Для облегчения расчета трансформатора в тепловом отношении весь путь теплового потока от нагретой части до охлаждающей среды делят на ряд естественных участков, а именно: а) от внутренних наиболее нагретых точек данной активной части сердечника или обмотки до их наружных поверхностей, омываемых маслом; б) от наружной поверхности данной части трансформатора в омывающее ее масло; в) от масла к стенке охладителя, например бака, и г) от стенки бака к охлаждающей среде — воздуху или воде.
На участке 1 перенос тепла происходит путем теплопроводности, на участках 2 и 3 — путем конвекции масла и на участке 4 — путем лучеиспускания и конвекции.
Рис. 22-1. Конвекция масла (а) и кривые (б) распределения превышений температуры в трансформаторе с трубчатым баком 1 — обмотка; 2 — сердечник; 3 — масло: 4 — поверхность трубы
Из числа этих участков важнейшее значение имеет участок 3. На рис. 22-1, а показан путь конвекционных потоков масла в трансформаторе с трубчатым баком (естественное масляное охлаждение). Исследования показали, что при средней рабочей температуре масла θ=50-60° С и соответствующей этой температуре вязкости масла коэффициент теплопередачи конвекцией масла
Здесь τ — превышение температуры поверхности относительно температуры масла, °С; Н — высота теплорассеивающей поверхности, м.
Если считать, что в среднем τ=20° С и Н=0,5-1 м, то λкв. м=80-100 вт/(град-м2).
Эти значения примерно в 10 раз превышают коэффициент конвекции в воздухе. В этом и состоит ценная положительная роль масла как теплопроводящей среды.
При рассмотрении распределения температур в сердечнике и обмотках принимают для упрощения, что между сердечником и обмотками, а равно и между обмотками нет теплообмена, поскольку они отделены друг от друга масляными каналами.
Рис. 22-3. Кривая распределения температуры внутри обмотки
