3.2. Выделение тепла в трансформаторах и системы охлаждения

Температура, при которой работает изоляция обмоток, является определяющим фактором старения этой изоляции. Она зависит от многих причин и меняется в широких пределах.

В любом случае можно считать, что температура обмот-ки является результатом двух противоположных процессов - выделения тепла и его отвода в охлаждающую среду.

При работе трансформатора часть перерабатываемой энергии теряется за счет выделения теплоты. Хотя к.п.д. трансформаторов в сравнении с выпрямителями и вращающимися электрическими машинами высок, тепло выделяется и в трансформаторах.

Главными источниками тепла являются обмотки, потери в которых обусловлены законом Джоуля-Ленца и составляют 70-80% от всех потерь энергии в трансфор-маторах. Следующим источником тепла является магни-топровод. Потери в нем вызваны пульсациями магнитного потока и составляют почти всю остальную часть потерь. Потери в магнитопроводе зависят от квадрата напряжения и меняются очень мало.

Кроме того, есть потери в корпусе бака трансформа-тора, и в других металлоконструкциях, обусловленные воздействием полей рассеяния. Эти потери очень малы в сравнении с суммой потерь в обмотках и магнитопроводе, и ими в обычных расчетах пренебрегают.

Тепловой поток проходит сложный путь, который может быть разбит на следующие участки [л5], показанные на рисунке. 3.2:

1. От внутренних точек обмоток или магнитной сис-темы до их наружных, внешних поверхностей, омываемых

Рис 3.2.

Отведение тепла от обмотки масляного трансформатора

маслом (от точки 0 к точке 1) – теплопроводность, тепловое сопротивление R_о.

2. Переход тепла с внешних поверхностей обмоток в омывающее их масло (в точке 1) – теплопередача, тепловое сопротивление R_ом.

3. Перенос тепла маслом от активных частей к внут-ренним поверхностям стенок бака (от точки 1 к точке 2) – конвекционные токи масла, тепловое сопротивление R_м.

4. Переход тепла от масла к внутренним поверхностям стенок бака (в точке 2) - теплопередача, сопротивление R_мс.

5. Переход тепла от внутренних поверхностей стенок бака к их внешним поверхностям (от точки 2 к точке 3) - теплопроводность, тепловое сопротивление R_с.

6. Переход тепла от наружных поверхностей стенок бака трансформатора в окружающий воздух (в точке 3) - теплопередача и теплоизлучение, тепловое сопротив-ление R_св.

7. Перенос тепла воздухом в более удаленные от бака трансформатора слои (от точки 3 к точке 4) – конвекция, тепловое сопротивление R_в.

Выше говорилось, что теплоотдача увеличивается с увеличением поверхности контакта. Поэтому баки всех силовых масляных трансформаторов или выполняются ребристыми, или оснащаются радиаторами, по которым масло, поднявшееся в верхнюю часть бака в результате на-грева, возвращается вниз, охлаждаясь.

В настоящее время в отечественных масляных транс-форматорах применяются системы охлаждения "М", "Д", "МЦ", "ДЦ", "НДЦ" и ряд других [л2].

Система охлаждения "М" (ONAN) - естественная циркуляция масла и естественное воздушное его охлаждение. При этом виде охлаждения теплота, выделяющаяся в активной части трансформатора, передается путем естественной конвекции маслу, которое в свою очередь, отдает его воздуху также путем естественной конвекции и излучения.

Вопрос – Какие меры могут быть приняты для повыше-

ния эффективности системы охлаждения?

Которое сопротивление самое большое?

Ответ – Три самых больших составляющих теплового

сопротивления - переходные тепловые сопро-

тивления: R_ом, R_мс и R_св.

Еще Вопрос – Сколь сложно уменьшить последнюю сос-

тавляющую? Каким способом?

Ответ – Естественная конвекция воздуха как раз и явля-

ется причиной большого теплового сопротивле-

ния. Самым простым решением являются вен-

тиляторы в радиаторах.

Система охлаждения "Д" (ONAF) - естественная циркуляция масла с принудительным воздушным охлаждением радиаторов. В трансформаторах мощностью более 10 МВА затруднительно развивать теплоохлаждающую поверхность бака с целью отвода выделяющегося тепла. Известно, что с ростом мощности трансформатора (при постоянных плотности тока в обмотках и индукции в магнитопроводе) потери растут пропорционально кубу линейных размеров, а охлаждение - пропорционально их квадрату, то есть площади теплоотвода. При больших мощностях трансформаторов радиаторы будет трудно разместить на баке. Проблема легко решается созданием искусственного потока воздуха, обдувающего радиаторы. Для этого внутри радиаторов устанавливаются вентиляторы относительно малой мощности, которые значительно повышают эффективность теплоотвода. Тепловые сопротивления R_св и R_в уменьшаются при этом в 1,5 - 2 раза. При снижении температуры ВСМ ниже 50⁰С и при нагрузке ниже номинальной вентиляторы отключаются.

Вопрос – Вентиляторы свое дело сделали, но система ох-

лаждения должна быть еще более эффективной.

За какую составляющую взяться теперь?

Ответ – За переходное тепловое сопротивление R_ом и за

сопротивление самого масла R_м. Конвекция мас-

ла не должна быть естественной, это плохо.

Система охлаждения "МЦ" (OFAN) - принудительная циркуляция масла с естественным воздушным охлаждением радиаторов. Радиаторы в этом случае сооружаются на отдельных фундаментах, и направить туда масло можно только с помощью насосов. Благодаря принудительной циркуляции достигается более

равномерное распределение температуры масла по высоте бака, за счет чего снижается температура ВСМ (рис 3.3).

h 10⁰С

_oc _всм _ннто

"МЦ" "Д",

"М"

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 

30⁰С

Рис. 3.3.