Трансформаторы, теория и устройство - Нагревание обмотки трансформатора

А. Перепады температуры по ширине и высоте обмотки.

Условия распределения тепла в обмотках значительно сложнее, чем в сердечнике, и зависят от целого ряда факторов, из которых наибольшее значение имеют: тип обмотки, число, размеры и устройство охлаждающих каналов и способ охлаждения.
В основном перепад температуры по ширине обмотки подчиняется тому же закону квадратичной параболы, что и в сердечнике (рис. 22-2). Но так как условия охлаждения внутренней и наружной поверхностей обмотки трансформатора чаще всего неодинаковы (τ1≠τ2), то наиболее нагретый участок ее сдвигается от середины обмотки к ее краю. На рис. 22-3 показан внутренний перепад температур в одном из сечении обмотки, с одной стороны которой имеется узкий масляный канал, а с другой масло течет свободно.
Также неравномерно распределяется превышение температуры по высоте обмотки (кривая 1 на рис. 22-1, б). Это объясняется тем, что при перемещении масла вверх температура его повышается (кривая 3 на рис. 22-1, б), а с другой стороны, сказывается влияние торцевых частей обмотки. В первом приближении можно считать, что разница между средней температурой обмотки, определенной по методу сопротивления. и наибольшей ее температурой составляет 10° С.

Б. Теплосъем с поверхности обмотки.

Так как распределение температуры по ширине и высоте обмотки неравномерно, то в расчет вводят среднее превышение температуры обмотки относительно масла το.м. Экспериментальные исследования показывают, что τо.м может быть выражено следующей эмпирической формулой:
(22-5)
Здесь k и n — экспериментально установленные постоянный коэффициент и показатель степени в зависимости от конструкции обмотки и способа охлаждения; q0 — удельная тепловая нагрузка обмотки, т. е. количество тепла, которое отводится в масло единицей поверхности обмотки в единицу времени при установившемся тепловом режиме. Обычно q0 выражается в ваттах на 1 м².

Рис. 22-4. Поверхности охлаждения обмоток различных типов

Если рм — все количество тепла, которое выделяется в обмотке, So — теплорассеивающая поверхность обмотки, то(22-6)

Величина рм определяется с большой степенью точности; наоборот, величина активной охлаждающей поверхности может быть определена только приблизительно. Если, например, обмотки выполнены так, как это показано на рис. 22-4, а, б, в, то в первом случае (рис. 22-4,а) величина охлаждающей поверхности определяется только наружной поверхностью обмотки, обычно без учета торцевых поверхностей; во втором случае (рис. 22-4, б) в расчет вводится поверхность обмотки с обеих сторон So с учетом места, занятого крепежными и распорными деталями и составляющего обычно 60—70% от So; наконец, в третьем случае (рис. 22-4, в) при ширине канала bк≥5 мм можно считать активной всю наружную поверхность катушки с учетом части поверхности ее, занятой крепежными деталями.
В трансформаторах с естественным охлаждением допускают το.м=25-30° С, соответственно чему q0=1200-1600 вт/м², в трансформаторах с дутьевым охлаждением q0=2000-2500 вт/м², в трансформаторах с принудительной циркуляцией масла q0=2500-3000 вт/м².

Рис. 22-6. Трубчатый охладитель, работающий на принципе противотока

Рис. 22-5. Трансформатор с принудительной циркуляцией масла

Г. Трансформаторы с принудительной циркуляцией масла.

 Скорость, с которой происходит естественная циркуляция масла, весьма невелика — порядка нескольких миллиметров в секунду. Исследование вопроса показывает, что если мы увеличим скорость циркуляции масла в т раз, то мощность трансформатора при тех же превышениях температуры обмотки возрастет в раз. Если, например, т=3, то мощность трансформатора увеличивается примерно на 30%. Чрезмерное увеличение скорости циркуляции масла неприемлемо, так как это сопряжено с большими потерями энергии в насосной установке.
Чтобы охладить масло, его заставляют циркулировать через специальный маслоохладитель. Различают маслоохладители: а) с естественным воздушным охлаждением, б) с добавочным обдувом и в) с водяным охлаждением.
В маслоохладителях с естественным воздушным охлаждением количество циркулирующего масла составляет 10—12 л/мин на 1 кВт потерь.

При обдувании охладителя мощность трансформатора возрастает примерно в той же степени, что и при обдувании бака.
В трансформаторах с водяным охлаждением циркулирующего масла применяются змеевики (рис. 22-5) и трубчатые охладители, работающие на принципе противотока (рис. 22-6). Поверхность охладителя на 1 кВт потерь составляет 0,18—0,25 м². Количество циркулирующего масла также на 1 кВт потерь равно примерно 6—8 л/мин, воды — около 1,5 л/мин. Разность температур входящей и выходящей воды обычно выбирают около 10° С.