2.4.1 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.
2.4.2 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.
2.4.3 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/м2 °С, а для излучения αи = 6 Вт/м2 °С.
Эффективность масла как охладителя заключается в том, что для него коэффициент теплоотдачи конвекцией αк = 90 – 110 Вт/м2 °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.
РАЗДЕЛ 3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТРАНСФОРМАТОРА
Ниже изложена краткая методика расчета. Полная методика изложена в [1].
3.1 СХЕМА РАСЧЕТА ТРАНСФОРМАТОРА
3.1.1. Определение основных электрических параметров
● Определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН.
● Определение испытательных напряжений обмоток.
● Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания при заданном значении
3.1.2. Определение основных размеров трансформатора
● Выбор схемы, конструкции и технологии изготовления магнитной системы.
● Выбор марки и толщины листов стали и вида изоляции пластин. Выбор индукции в магнитной системе.
● Выбор материала обмоток.
● Предварительный выбор конструкций обмоток.
● Выбор конструкции и размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток.
● Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношения основных размеров β с учетом заданных величин uк, Рк и Рх.
● Определение диаметра стержня и высоты обмотки. Определение активного сечения стержня.
3.1.3. Расчет обмоток ВН и НН
● Выбор типа обмоток ВН и НН.
● Расчет обмотки НН.
● Расчет обмотки ВН.