Тепловой расчет трансформатора

5.1 Порядок расчета

Трансформаторы работают, как правило, в длительном режиме при нагрузках, близких к номинальным. По этой причине тепловой расчет целесообразно производить применительно к установившемуся тепловому режиму при номинальной нагрузке. Задача теплового расчета состоит:

1) в определении перепадов температуры между обмотками и охлаждающей средой;

2) в подборе конструкции и размеров охлаждающего бака, обеспечивающих нормальную теплоотдачу при температурах обмоток и масла, которые не превышают допустимых значений.

Допустимый нагрев обмоток определяется материалом изоляции провода, который при нормальном температурном режиме должен обеспечивать надежную работу трансформатора в течение 15-20 лет. Превышение температуры частей трансформатора сверх температуры окружающей среды регламентируется ГОСТ и не должно быть больше следующих значений:

Масляные трансформаторы.

Обмотки – 65˚С

Поверхности магнитопровода - 75˚С

Масло в верхних слоях – 55 ˚С

Сухие трансформаторы.

Класс изоляции А - 60˚С

Класс изоляции Е - 75˚С

Класс изоляции В - 80˚С

Класс изоляции F - 100˚С

Класс изоляции H - 125˚С

В процессе теплового расчета вначале определяют среднее превышение температуры стенки бака по отношению к окружающему воздуху, затем выбирают форму и определяют размеры охлаждающего бака. После этого исходя из величины потерь в меди и в стали, которые выделяются в виде тепла, производят расчет необходимой поверхности охлаждения бака и сравнивают ее с реальной поверхностью гладкого бака, который выбран ранее. Если потребная поверхность бака больше реальной, то увеличение охлаждающей поверхности до величины потребной осуществляют применением охлаждающих труб или навесных радиаторов с дутьем воздуха электрическими вентиляторами или без дутья. В заключение теплового расчета необходимо определить превышение температуры в верхних слоях масла и в электрических обмотках по отношению к окружающему воздуху, которые при правильно выбранной системе охлаждения не должны быть больше предельно допустимых согласно ГОСТ значений. Для герметизированных трансформаторов допустимое превышение равно 55˚С.

Среднее превышение температуры стенки бака над воздухом Θ_бв определяют сначала предварительно, а затем уточняют после выбора размеров охлаждающего бака. Расчет температур ведут последовательно от источника тепла – обмоток трансформатора – до стенки бака.

5.2. Предварительный тепловой расчет

Внутренний перепад температуры обмотки НН из прямоугольного провода - это по сути дела перепад в изоляции провода для теплового потока в одну сторону, поскольку каждый провод одной или двумя сторонами своего сечения соприкасается с маслом. Поэтому для его определения справедлива формула

[˚C] (5.1)

где: q₁ – плотность теплового потока на поверхности обмотки НН (см.4.20), Вт/м²;

δ₁ – толщина изоляции провода с учетом общей изоляции катушки (если она есть) на одну сторону, см;

λ_из – теплопроводность изоляции провода, определяемая по табл.5.1, Вт/см ∙˚С.

Полный внутренний перепад температуры обмотки ВН из провода круглого сечения, если она не имеет горизонтальных охлаждающих каналов, определяют по формуле

[˚C] (5.2)

В этом выражении:

а₂ – радиальный размер катушки ВН, см;

Р_м – потери выделяющиеся в 1 см³ общего объема обмотки ВН, Вт/см³;

λ_ср – средняя теплопроводность обмотки ВН, приведенная к условному случаю равномерного распределения витковой и междуслойной изоляции по всему объему обмотки, Вт/см ∙˚С.

Значение можно определить и по формуле 5.1 с использованием величин q₂; δ₂; λ_из для обмотки ВН.

Потери Р_м для медного провода равны

(5.3)

где: Δ₂ – плотность тока в обмотке ВН, А/мм²;

- диаметр изолированного провода обмотки ВН, см;

d₂ – диаметр голого провода, см;

δ_мс – толщина междуслойной изоляции, см.

Потери Р_А для алюминиевого провода

(5.4)

Среднюю теплопроводность можно определить формулой

. (5.5)

Здесь:

λ_мс – теплопроводность междуслойной изоляции определяют по табл. 5.1.

λ – средняя условная теплопроводность обмотки ВН без учета междуслойной изоляции, Вт/см ∙˚С.

Значение величины λ определяют по формуле

, (5.6)

где: λ_из – удельная теплопроводность изоляции обмотки ВН, Вт/см ∙˚С (из табл. 5.1)

Поскольку значения Θ₀₁ и Θ₀₂ представляют собой полные внутренние перепады температуры обмоток НН и ВН и обусловлены наиболее их нагретыми точками, то необходимо определить средние перепады температур, обусловленные средними температурами нагрева обмоток.

, [˚C]; (5.7)

, [˚C]. (5.8)

Теперь по эмпирической формуле можно определить перепад температуры от поверхности обмоток НН и ВН к охлаждающему маслу

[˚C]; (5.9)

где: k = 0,285 – постоянный коэффициент;

q – тепловой поток соответствующей обмотки, Вт/м².

Среднее превышение температуры обмоток по отношению к средней температуре масла равно

[˚C]. (5.10)

Среднее превышение температуры масла, омывающего обмотки, над воздухом должно быть не более

[˚C], (5.11)

где: 65˚С – предельно допустимое значение температуры обмоток над воздухом, определенное ГОСТ.

В этой формуле следует взять наибольшее из двух значений Θ_Омср, подсчитанное для обмоток НН и ВН.

Предварительное значение среднего превышения температуры стенки бака над воздухом

[˚C]. (5.12)

В этом выражении перепад температуры между маслом и стенкой бака можно принять равным Θ_мб = 5 ÷ 6 ˚С.

Полученное значение Θ_бв должно удовлетворять неравенству

, (5.13)

которое вытекает из требования ГОСТ. Коэффициент σ в этом неравенстве определяет отношение максимального и среднего превышений температуры масла. Предварительно его можно принять равным σ = 1,2.

5.3. Выбор и расчет охлаждающего бака

Бак трансформатора может быть прямоугольным (рис.5.1) или овальным. Для прямоугольного бака сначала определяют минимальные значения длины А и ширины В бака по формулам