Поиск по сайту
Начало >> Книги >> Архивы >> Охлаждающие устройства масляных трансформаторов

Способы увеличения отвода тепла баком трансформатора - Охлаждающие устройства масляных трансформаторов

Оглавление
Охлаждающие устройства масляных трансформаторов
Способы увеличения отвода тепла баком трансформатора
Способы увеличения отвода тепла
Геометрическая и эффективная теплоотдающая поверхности
Баки трансформаторов
Баки с круглыми охлаждающими трубами
Баки с овальными трубами
Волнистые баки
Тепловой расчет гладкого и трубчатого баков
Радиаторы с круглыми трубами
Радиаторы с овальными трубами
Другие конструкции радиаторов
Охлаждение трансформаторов с радиаторами, обдуваемыми вентиляторами
Другие конструкции принудительного воздушного охлаждения трансформаторов
Автоматическое управление принудительным воздушным охлаждением
Тепловой расчет радиаторного бака
Схема охлаждения
Аппараты системы охлаждения
Тепловой расчет системы водо-масляного охлаждения трансформаторов
Воздушно-масляное циркуляционное охлаждение трансформаторов
Конструкция охладителей и аппаратов системы
Расчет воздушно-масляной циркуляционной системы охлаждения
Сравнение различных систем охлаждения трансформаторов

ГЛАВА ВТОРАЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ТРАНСФОРМАТОРЕ

5. ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА И ПОТЕРИ ТРАНСФОРМАТОРА

Основными источниками тепла в трансформаторе являются обмотки и магнитопровод, где при работе трансформатора возникают основные потери энергии, выделяющиеся в виде тепла.
Потери энергии в трансформаторе складываются из потерь короткого замыкания и потерь холостого хода.
Потери короткого замыкания складываются из: 1) электрических потерь в обмотках, вызванных рабочим током последних;
добавочных потерь в обмотках, вызванных неравномерным распределением токов по сечению проводников;
электрических потерь в отводах;
добавочных потерь в отводах, вызванных потоками рассеяния отводов;
потерь в стенках бака и других металлических узлах трансформатора, вызванных потоком рассеяния обмоток и отводов.
Эти потери принимаются пропорциональными квадрату тока нагрузки: Рк.3=12.
Потери холостого хода являются в основном потерями энергии в стали магнитопровода. Потери в стали состоят из потерь энергии на гистерезис и на вихревые токи. Эти потери практически постоянны при любом режиме нагрузки трансформатора. Сумма потерь короткого замыкания и потерь холостого хода называется полными потерями в трансформаторе.
В настоящую книгу не входит расчет тех или других потерь. Поэтому в дальнейшем при тепловых расчетах охлаждающих устройств потери трансформатора будут считаться заданными.

6. ПРОЦЕСС ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТРАНСФОРМАТОРЕ

Тепловая энергия, выделяющаяся в обмотках и магнитопроводе трансформатора, отводится в окружающую среду, проходя при этом сложный путь. Этот путь состоит из нескольких участков. На каждом из участков возникает температурный перепад, т. е. разность температур. Эта разность тем большая, чем больше величина теплового потока. На участках, имеющих протяженность, например, в обмотке, перепад определяется разностью температур между наиболее нагретой внутренней точкой обмотки и наружной поверхностью обмотки. На границах участков, например обмотка — масло, температурный перепад определяется разностью температур наружной поверхности обмотки и масла.
Рассмотрим участки прохождения теплового потока.
1. Участок — от внутренних точек обмотки или сердечника до их наружных поверхностей, омываемых маслом. На этом участке теплопередача осуществляется путем теплопроводности. Считают, что в «идеальной» обмотке распределение температуры внутри нее происходит по закону квадратичной параболы (рис. 1).
При расчете принято определять не температуру наиболее нагретой точки обмотки, а среднюю температуру всей обмотки (по сопротивлению). Для квадратичной параболы среднее значение ординаты (температуры) примерно равно ее максимального значения.
«Идеальной» обмоткой считается такая обмотка, которая отвечает следующим условиям:
обмотка представляет однородное тело с одинаковой теплопроводностью во всех точках поперечного сечения;
в вертикальном направлении размер обмотки значительно больше, чем в горизонтальном; 3) масло омывает обмотку с двух сторон, причем имеет одну и ту же температуру; 4) потери в единице объема обмотки — величина постоянная.
Распределение температуры по сечению обмотки трансформатора
Рис. 1. Распределение температуры по сечению обмотки.
В реальной обмотке условия распределения температуры отличаются от условий распределения температуры в «идеальной» обмотке. Обычно наиболее нагретая зона сдвигается от середины сечения обмотки к ее внутренней поверхности, т. е. в сторону узкого масляного канала, если обмотка имеет охлаждающий канал с внутренней стороны. Она находится от внутренней поверхности обмотки на расстоянии примерно 0,2—0,3 радиального размера обмотки. Это происходит потому, что
условия охлаждения внутренних частей обмотки значительно тяжелее, чем наружной поверхности обмотки, так как масло, вошедшее в узкий масляный канал, из-за гидравлического сопротивления замедляет свою скорость. В осевом направлении распределение температуры в обмотке также неравномерно, так как температура масла, охлаждающего обмотку, вверху выше, чем внизу. Охлаждение торцовых поверхностей обмотки также несколько сказывается на распределении температуры по обмотке.
Усиленная изоляция катушек, которая обычно применяется на входных катушках мощных трансформаторов, в большой степени влияет на нагрев этих катушек. Поэтому чтобы такие катушки не перегревались, для них выбираются провода большего сечения, чтобы плотность тока в них была меньше плотности тока основной части обмотки. Таким образом компенсируется высокий перепад температуры по толщине изоляции.
Наиболее горячая точка обмотки находится в верхней зоне обмотки, и температура этой точки примерно на 15° С выше средней температуры обмотки, измерений по сопротивлению.
В силу изложенного при расчете температур необходимо пользоваться опытными данными для каждого типа обмотки и соответственно им вести расчет.   Для расчета охлаждения обмотки необходимо определить поверхность охлаждения этой обмотки.
Приведем пример, в котором определим, какие поверхности охлаждения цилиндрических обмоток являются действующими.
Для цилиндрической обмотки поверхности охлаждения считаются только внешние цилиндрические поверхности по высоте меди обмотки. Торцовые поверхности обычно закрыты опорными кольцами и в расчет не принимаются. Поверхность обмотки внутренняя, непосредственно прилегающая к изоляционному цилиндру, не считается теплоотдающей и также не входит в расчет. Если на наружную поверхность накладываются вертикальные рейки, чтобы создать необходимое расстояние между двумя обмотками, то из общей поверхности обмотки вычитают поверхность, закрытую рейками.
2. Переход от тепла от обмоток к маслу происходит при наличии разности температур обмоток и масла.
Разность температур поверхности обмотки и омывающего ее масла зависит от количества тепла, выделившегося с поверхности обмотки, расположения охлаждаемых маслом поверхностей обмотки, размеров масляных каналов и вязкости масла.
Опыт показал, что слой масла у поверхности обмотки, в котором происходит основной переход тепла от обмотки к маслу, имеет очень небольшую толщину порядка 1,5 мм и движется со сравнительно большой скоростью.
Движение масла в каналах обмотки трансформатора
Рис. 2. Движение масла в каналах обмотки.
Разность температур поверхности обмотки и масла определяется формулами, проверенными экспериментально.
3. Переход тепла на участке от обмотки до стенки бака. Масло, омывая обмотки трансформатора, уносит с поверхности обмотки выделяющееся в ней тепло. В этом случае передача тепла происходит путем конвекции, т. е. путем перемещения масла, которое возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц масла. Движение масла вокруг самой обмотки бывает различным в зависимости от типа обмотки и расположения охлаждающих каналов (рис.2).
Нагретое у поверхности обмотки масло поднимается в верхнюю часть бака трансформатора, соприкасается со стенками бака и отдает им часть тепла, а затем вновь возвращается к обмоткам. Если на стенках бака имеются охлаждающие трубы или радиаторы, то нагретое масло входит в трубы или верхний патрубок радиатора и, охлаждаясь в трубах, омываемых наружным воздухом, опускается по ним вниз, охлажденное входит в нижнюю часть бака трансформатора и направляется к обмоткам. Затем снова нагревается, поглощая тепло, выделяющееся в обмотках и магнитопроводе, и поднимается вверх. Конвекционный ток масла в баке является замкнутым (рис. 3). Таким образом, в работающем трансформаторе происходит непрерывный процесс циркуляции масла.
Распределение превышений температуры над воздухом и направление конвекционных токов масла в трансформаторе
Рис. 3. Распределение превышений температуры над воздухом и направление конвекционных токов масла в трансформаторе с трубчатым баком.
1 — обмотка; 2 — масло в баке; 3 — стенка трубы.
Переход тепла от масла к стенке бака трансформатора происходит при наличии разности температур между маслом и стенкой. Эта разность температур определяется теми же законами, что и разность температур между обмоткой и маслом.
Переход тепла через толщину стенки бака — разность температур между внутренней и наружной поверхностями стенки бака составляет меньше 1°С, и ею обычно пренебрегают.
Отвод тепла от стенки бака. С наружной поверхности стенки бака тепло отводится в окружающий воздух двумя путями: часть тепла отводится конвекционным потоком воздуха, вторая часть отводится путем излучения.
Теплоотдача путем излучения зависит от температуры излучающего тела и температуры воздуха, а также от конфигурации стенки бака и состояния ее поверхности. Излучение с блестящей поверхности меньше, чем с матовой.
Например, краски с металлическим наполнителем (алюминиевая) существенно снижают теплоотдачу с поверхности бака путем излучения по сравнению с красками, содержащими неметаллический наполнитель (например, черная). При этом экспериментально установлено, что превышение температуры поверхности гладкого бака, окрашенного алюминиевой краской, на 30% выше, чем бака, окрашенного неметаллической краской. Для трубчатых баков с несколькими рядами труб эта величина уменьшается до 12%, а для баков крупных трансформаторов с радиаторами до 5—7%.

Определение эквивалентной излучающей поверхности
Рис. 4. Определение эквивалентной излучающей поверхности для гладкого и трубчатого баков и бака с охладителями.
Теплоотдача путем излучения с поверхности гладких баков достигает около 50% общей теплоотдачи бака. У трубчатых баков или у баков с радиаторами она снижается до 15% общей теплоотдачи. Это получается вследствие прямолинейного распространения лучистой энергии. С части поверхности бака, закрытой трубами, излучение не происходит, и поэтому она определяется не всей величиной поверхности, а только ее внешним периметром (рис. 4).
В отличие от теплоотдачи путем излучения теплоотдача конвекцией происходит со всей поверхности бака, а также с поверхности труб и охладителей. Теплоотдача конвекцией зависит от разности температур стенки бака и воздуха, высоты бака, конфигурации его поверхности и барометрического давления воздуха. Теплоотдача возрастает при увеличении поверхности бака, температуры стенки и при увеличении свободного доступа окружающего воздуха к стенке бака.
Конвекционный поток воздуха около стенки бака является незамкнутым.
Тепловой расчет трансформатора сводится к определению среднего превышения температуры обмотки над охлаждающей средой и превышения температуры верхних слоев масла над охлаждающей средой. Данные превышений температур нормированы ГОСТ 401-41.
Правильный выбор плотности тока обмоток при проектировании трансформатора, а также форма обмоток, расположение и величина охлаждающих каналов дают возможность выдержать температуру обмоток в пределах заданной нормы и тем самым обеспечить необходимый срок службы трансформатора.
Тепловой расчет трансформатора по среднему превышению температуры обмотки и по превышению температуры верхних слоев масла возможен потому, что нагрев и охлаждение обмоток по отношению к маслу и нагрев и охлаждение масла по отношению к воздуху являются независимыми процессами; поэтому они легко могут быть проверены экспериментально: средняя температура обмотки может быть измерена по изменению ее активного сопротивления, а температура верхних слоев масла — термометром.
Теплоотдача путем излучения и конвекции с единицы поверхности бака трансформатора, как уже говорилось выше, зависит от разности температур стенки бака и окружающего воздуха, т. е. от превышения температуры стенки над температурой воздуха. ГОСТ 401-41 содержит предельные превышения температуры обмоток и масла над воздухом независимо от мощности трансформаторов. Поэтому превышение температуры стенки над воздухом для трансформаторов разных мощностей должно быть одинаковым.
Но известно, что потери в трансформаторе пропорциональны весу активных материалов — меди и стали, а следовательно и их объему или кубу линейных размеров. Охлаждающая же поверхность трансформаторов растет пропорционально квадрату линейных размеров. Поэтому с ростом мощности трансформатора охлаждающая поверхность возрастает значительно медленнее, чем потери в активных материалах и удельная тепловая нагрузка поверхности Значит, для того чтобы с ростом мощности трансформатора превышение температуры стенки бака над воздухом оставалось одинаковым, необходимо увеличивать поверхность бака трансформатора путем приварки охлаждающих труб или присоединения к баку радиаторов или применять другие пути увеличения отвода тепла.
Удельная тепловая нагрузка поверхности охлаждения будет зависеть от вида охлаждения. Она будет постоянной для трансформаторов разных мощностей, но имеющих один и тот же вид охлаждения, например: для трансформаторов разных мощностей, имеющих гладкие баки, удельная тепловая нагрузка будет одинакова; для всех трансформаторов с трубчатыми баками она будет также одинакова, но величина ее будет отличаться от величины удельной тепловой нагрузки трансформаторов с гладкими баками.



 
« Организация ремонта и технического обслуживания оборудования   Переключения в электроустановках 0,4-10 кВ распределительных сетей »
Карта сайта + все метки | Контакты
© Электроэнергетика При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна.