Процесс теплопередачи в маслянных

ТРАНСФОРМАТОРАХ

Потери электрической энергии, возникающие при работе трансформатора в его магнитпроводе, обмотках и конструктивных деталях, преобразуются в тепло и нагревают трансформатор. Для изоляционных материалов и масла установлены допустимые температуры, при превышении которых срок службы резко сокращается. Поэтому необходим проверочный тепловой расчет, при котором определяется температура нагрева различных частей трансформатора и сравнивается с допустимой.

Стандартом определяются следующие нормы превышения температуры частей масляного трансформатора над окружающей средой, температура которой принимается за 40°С:

· обмотки - 65°С

· магнитопровод – 75°С

· масло в верхних слоях – 60°С

Например, предельная температура обмотки в этом случае равна

θ = 40°+ 65° = 105°С, что соответствует допустимой температуре нагрева изоляции класса А.

Температура трансформатора через определенное время работы становится неизменной вследствие того, что тепло передается в окружающую среду.

Теплота передается от более нагретого тела к менее нагретому тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Закономерности этих процессов различны.

Основной характеристикой, которая определяет перепад температур при различных способах теплопередачи, является удельный тепловой поток или плотность теплового потока на поверхности:

 Вт/м².

где Р – тепловая мощность, проходящая через заданную поверхность П 0 . Для обмоток трансформатора Р – потери мощности в данной обмотке,

П – её полная поверхность. Для трансформаторов с масляным охлаждением рекомендуемое значение q доп  1200 Вт/м².

При определении поверхности охлаждения П 0 необходимо учитывать, что часть поверхности обмотки может быть закрыта конструктивными деталями, вследствие чего эффективная поверхность охлаждения будет меньше реальной. Это учитывается введением коэффициента закрытия поверхности

К з ≤ 1,0, на который надо умножить реальную поверхность. Предварительно принимается данный коэффициент равным К з =0,75 – 0,8.

Если закрытая поверхность определяется рейками, которые обеспечивают определенное расстояние обмотки от изоляционного цилиндра или одной части обмотки от другой для образования охлаждающего канала, то коэффициент закрытия

где D – диаметр обмотки, n -  число реек, с – ширина рейки. При определении n и с можно ориентироваться на следующие рекомендации: ширина рейки с = 40 – 60 мм.; количество реек по окружности обмотки в зависимости от мощности n = 6 при S = 100 кВА, n = 8 при S = 100 – 630 кВА, n = 8 – 12 при S = 1000 – 1400 кВА и n = 12 – 16 при S = 2500 – 10000 кВА.

Удельный тепловой поток q можно определить без расчета поверхности обмотки. Вывод соответствующей формулы основывается на выражении для потерь в обмотке через удельное сопротивление ρ и плотность тока J, полученное в пункте 2.2. С учетом добавочных потерь имеем:

,

где К д – коэффициент добавочных потерь (п. 3.10), V пр – объем металла обмотки.

Для цилиндрической обмотки с двумя поверхностями, охлаждаемыми маслом, можно приближенно получить

,

где δ – размер обмотки в направлении теплопередачи (для цилиндрической обмотки – радиальный размер), К ₀ - коэффициент заполнения объема обмотки металлом проводника, равный отношению суммарной площади сечения всех проводников к общей площади поперечного сечения обмотки. Этот коэффициент зависит от конструкции обмотки, формы проводника – круглый или прямоугольный и ряда других факторов.

Из этих двух выражений находим удельный тепловой поток

 Вт/м2

Если пренебречь межслойной изоляцией, неплотностью намотки и рядом других факторов, то приближенно

для прямоугольного провода

для круглого провода

Размеры проводов a, b, d – без изоляции, , ,  - с изоляцией.

Рассмотрим определение перепада температур в зависимости от удельного теплового потока при разных способах теплопередачи.

 

Теплопроводность

Под теплопроводностью понимается перенос теплоты путем соприкосновения тел или частей тела с различной температурой, не связанный с перемещением частиц тела.

Если удельный тепловой поток q передаётся через плоскую однородную стенку, толщиной δ (например, изоляционный цилиндр, прокладку, стенку бака), то перепад температур (рис. 4,а):

где θ1 - температура более нагретой поверхности, θ2 - температура менее нагретой поверхности, λ – коэффициент теплопроводности материала стенки.

 

                                                                    

 

Рис. 4 Теплопередача через плоскую стенку при подводе тепла извне (а)

и при выделение тепла в самой стенке (б)

 

Коэффициент теплопроводности λ для различных материалов приводится в табл. 32.

Некоторые элементы трансформатора можно рассматривать как плоские стенки, внутри которых выделяется определенное количество тепла, которое передаётся через боковые поверхности (рис. 4,б). Такими элементами являются обмотки и магнитопровод, внутри которых имеются потери электроэнергии, преобразующиеся в тепло. Распределение источников тепла внутри тела применительно к трансформатору можно считать равномерным. Теплопередача при наличии внутренних источников будет проходить иначе, поскольку тепловой поток по пути прохождения не остается постоянным, как в первом случае, а непрерывно увеличивается от середины к поверхности.

Для плоской стенки внутренними источниками тепла, например, обмотки максимальное превышение температуры между центром стенки θ1 и наружной поверхностью θ2 (рис. 4,б):

где λср – средняя теплопроводность, учитывающая неоднородность материала обмотки, δ – размер обмотки в направлении теплового потока.

Конвекция

Под конвекцией понимается передача теплоты за счет движения частиц жидкости или газа. В трансформаторе роль жидкости играет трансформаторное масло, роль газа – окружающий воздух.

Удельный тепловой поток при конвективном теплообмене

где αк – коэффициент теплоотдачи конвекцией, θ1 – температура поверхности нагретого тела, θ2 – температура жидкости или газа.

Коэффициент теплоотдачи αк зависит от многих факторов: разности температур, высоты поверхности, её расположения, типа омывающей среды и других факторов. Определяется экспериментально или с помощью эмпирических формул.

Превышение температуры

.

Так как αк зависит от температуры, то часто разность температур определяется по эмпирической формуле вида

где к – опытный коэффициент зависящий от условий теплообмена,

n = 0,6 – 0,8 – показатель степени.

 

Излучение

 

В нагретом теле часть тепла превращается в энергию электромагнитных волн, называемых тепловыми. Такой процесс передачи тепла называется тепловым излучение или лучеиспусканием.

Удельный тепловой поток при лучистом теплообмене зависит от абсолютной температуры в четвертой степени:

,

и в значительной мере проявляется при высоких температурах.

В трансформаторах температуры относительно невелики, поэтому для упрощения расчета его ведут как при конвекции с введением коэффициента теплоотдачи излучением

и рассматривают общую теплоотдачу

В трансформаторе теплоотдача конвекцией происходит от нагретых поверхностей обмоток и магнитопровода в масло, а конвекцией и излучением – от внешней поверхности бака в окружающую среду. Например, при разности температур в десятки градусов для конвекции с поверхности бака в воздух αк = 8 Вт/м^{2 °}С, а для излучения αи = 6 Вт/м^{2 °}С.

Эффективность масла как охладителя заключается в том, что для него коэффициент теплоотдачи конвекцией αк = 90 – 110 Вт/м^{2 °}С, что более чем в 10 раз выше, чем для воздуха.

 Рассмотрим кратко путь теплового потока в трансформаторе: от внутренних точек обмоток и магнитопровода до их наружных поверхностей (теплопроводность), затем от наружных поверхностей в масло (конвекция); масло переносит все тепло к внутренней поверхности бака (конвекция); за счет теплопроводности через стенки бака тепло переносится на его наружную поверхность, а затем конвекцией и излучением отдается в окружающую среду.