8,16. Нагревание и охлаждение трансформаторов

Мощность потерь в трансформаторе относительно мала, но ее абсолютное зна­чение в мощных трансформаторах весьма значительно; поэтому одной из важней­ших задач при конструировании трансформаторов является обеспечение отвода в окружающую среду теплоты, нагревающей обмотки и магнитопровод. Задача эта тем сложнее, чем мощнее трансформатор. При заданных индукции в магнитопро­воде и плотности тока в обмотках мощность потерь в трансформаторе возрастает пропорционально увеличению его объема, т. е. пропорционально кубу увеличения его линейных размеров, а поверхность теплоотдачи увеличивается лишь пропорцио­нально квадрату увеличения линейных размеров.

Следовательно, с увеличением мощности трансформатора быстро растет необ­ходимая мощность теплоотдачи с единицы его поверхности. Приходится искусственно увеличивать поверхность охлаждения мощных трансформаторов и усиливать теп­лоотдачу с этой поверхности. Ухудшение условий теплоотдачи с" ростом мощности Наблюдается в большинстве электрических машин и аппаратов.

Для охлаждения трансформатора применяются: естественное воздушное охла­ждение; естественное масляное охлаждение; масляное охлаждение с принудительным воздушным охлаждением масляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла. Естественное воздушное охлаждение применяется в сухих трансформаторах: теплота, выделяющаяся в трансформаторе, отдается непосредственно окружающему воздуху. Вследствие плохой теплопередачи распределение температуры в сухом тран­сформаторе может быть весьма неравномерным. Кроме того, низкая электрическая прочность воздуха (2,1 МВ/м) ухудшает условия изоляции в сухом трансформа­торе; приходится считаться и с тем, что пыль, оседая на обмотках, существенно ухудшает их изоляцию. По этим причинам воздушное охлаждение применяется преимущественно в трансформаторах малой мощности и низкого напряжения.

Основное значение в настоящее время имеют масляные трансформаторы, у ко­торых собственно трансформатор, т. е. магнитопровод с обмотками, помещен в сталь­ной бак, наполненный тщательно очищенным минеральным маслом. Последнее, нагреваясь, циркулирует в баке и, омывая обмотки и магнитопровод, охлаждает их (конвекция). Поэтому можно допустить значительное увеличение мощности потерь в трансформаторе. Электрическая прочность масла в несколько раз выше, чем воз­духа, так что возможно значительное уменьшение расстояний от проводов обмоток до магнитопровода.

В трансформаторах до 20—30 кВА достаточную поверхность охлаждения дает гладкий бак. Но с. увеличением мощности необходимо увеличить поверхность охлаждения бака, что достигается в трубчатых баках для трансформаторов мощ­ностью до 15—20 тыс. кВА (см. рис. 8.3). С целью дальнейшего усиления охла­ждения, которое необходимо для более мощных трансформаторов, применяются ра­диаторные баки с естественным или принудительным воздушным охлаждением ра­диаторов. Для трансформаторов больших мощностей (примерно от 90MBА) при­меняются принудительные циркуляция масла и воздушное охлаждение радиаторов. Объем масла в баке трансформатора во время работы значительно изменяется при нагревании и охлаждении. В трансформаторах мощностью до 100 кВ-А при напряжении до 6,6 кВ в баке под крышкой оставляют достаточное воздушное про­странство; при расширении масла воздух в той или иной степени выдавливается через специальную пробку. Когда масло сжимается, внутрь бака проникает влажный воздух и отдает влагу весьма гигроскопичному маслу. В результате на дне бака со­бирается слой воды, а электрическая прочность масла резко уменьшается. Кроме того, кислород воздуха вызывает процессы окисления в масле, также снижающие его электрическую прочность. Чтобы защитить масло от соприкосновения с воз­духом, баки более мощных трансформаторов наполняют маслом доверху, а резервуа­ром для избытка нагретого масла служит расширитель (см. рис. 8.3) — цилиндр из листовой стали. Он укрепляется на крышке трансформатора и соединяется с ба­ком трубопроводом, который заканчивается в расширителе несколько выше его дна. Объем расширителя составляет примерно 10 % объема бака. Влага воздуха и осадки в большей части оседают на дне расширителя, откуда периодически уда­ляются через спусковой кран. Поверхность соприкосновения масла с воздухом в расширителе значительно меньше, чем в баке без расширителя; кроме того, масло здесь более низкой температуры, поэтому меньше окисляется.

Недостатком масляного охлаждения является горючесть масла (температура возгорания масла около 160 °С), оно пожаро- и взрывоопасно. Газы, образующиеся при загорании масла, могут сорвать крышку трансформатора, и масло будет вы­брошено из бака. Для предупреждения деформации бака при образовании газов трансформаторы мощностью 1000 кВ-А и выше имеют выхлопную трубу (см. рис. 8.3), которая закрывается стеклянной пластинкой — мембраной. При образовании боль­шого объема газов они выдавливают мембрану и выходят в атмосферу.

Для особо ответственных установок применяются трансформаторы, баки кото­рых заполняются кристаллическим кварцевым песком или негорючей синтетической жидкостью (совтолом); эта жидкость и ее пары ядовиты.

Применение жидких хладагентов существенно осложняет эксплуатацию транс­форматоров, так как необходимы постоянный надзор за состоянием этих охладите­лей и периодическая их очистка или замена.