5.2.2. Охлаждение трансформаторов

Отсутствие у трансформаторов вращающихся частей уменьшает нагрев трансформаторов из-за отсутствия механических потерь, но и усложняет процесс охлаждения, т. к. исключает самовентиляцию. Поэтому основной способ охлаждения трансформаторов – естественное охлаждение, однако в мощных трансформаторах применяют более эффективные способы охлаждения. Основные способы охлаждения трансформаторов:

1). Естественное воздушное охлаждение – происходит за счёт излучения теплоты и естественной конвекции воздуха, его применяют в трансформаторах низкого напряжения при их установке в сухих закрытых помещениях.

2). Естественное масляное охлаждение – при этом магнитопровод с обмотками помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом, которое омывает нагреваемые части трансформатора, путём конвекции отводит теплоту и передаёт её стенкам бака, которые охлаждаются путём излучения теплоты и конвекции воздуха. Для увеличения охлаждаемой поверхности бака его делают ребристым или устанавливают на нём трубчатые радиаторы. Трансформаторное масло обладает высокими электроизоляционными свойствами и, пропитывая изоляцию обмоток, улучшает её свойства и повышает надёжность трансформаторов, однако масляное охлаждение усложняет и удорожает эксплуатацию трансформаторов, т. к. требует периодического контроля качества масла и периодической его замены.

3). Масляное охлаждение с дутьём – при этом трансформатор снабжают вентилятором, который обдувает радиаторы трансформатора снаружи, а внутри остаётся естественная конвекция. Его применяют в трансформаторах мощностью свыше 10000 кВт. При снижении нагрузки до 50% вентиляторы обычно отключают, т. е. переходят на естественное масляное охлаждение.

4). Масляное охлаждение с дутьём и принудительной вентиляцией масла – при этом с помощью насоса создают принудительную циркуляцию трансформаторного масла через специальный охладитель (радиатор), собранный из трубок и, кроме того через воздухоотделитель и фильтр, где освобождается от нежелательных включений. Одновременно вентиляторы обдувают поверхность трубок охладителя.

5). Масляно-водяное охлаждение – при этом нагретое в трансформаторе масло с помощью насоса прогоняется через охладитель, в котором циркулирует вода. Это наиболее эффективный способ охлаждения, т. к. коэффициент теплопередачи от масла в воду значительно выше, чем в воздух. Кроме того масло прогоняют через воздухоочиститель и фильтр.

Тяговые трансформаторы подвижного состава обычно выполняют с масляным охлаждение, дутьём и принудительной вентиляцией масла.

5.2.3. Новые принципы создания электрических машин

В настоящее время резервы по усовершенствованию электрических машин традиционной конструкции во многом исчерпаны. Исследования показали, что дальнейшее увеличение мощности их возможно только до (2÷3)× кВт, в то время уже необходимы машины значительно большей мощности. И уже создаются принципиально новые машины, основными из которых являются:

1). Криогенные электрические машины – это машины, у которых обмотки выполнены из сверхпроводников или химически чистых металлов (гиперпроводников). При снижении температуры удельное электрическое сопротивление сверхпроводников вначале плавно уменьшается, а затем при температуре критического перехода (ниже - 253˚С) резко падает до нуля, т. е. они переходят в состояние сверхпроводимости (рис. 69, кривая 1). У химически чистых металлов (гиперпроводников) нет состояния сверхпроводимости, но при глубоком охлаждении их электрическое сопротивление становится в (5÷7) тысяч раз меньше, чем при комнатной температуре. Это свойство сверхпроводников и чистых металлов позволяет по проводам небольшого сечения пропускать значительные токи, доводя плотность тока до 100 А/ и выше. Электрические потери на нагрев обмоток при этом либо отсутствуют, либо незначительны. Всё это даёт возможность получать в криогенных машинах сильные магнитные поля с магнитной индукцией В = (5÷10) Тл (в обычных машинах В = (0,8÷1,5) Тл.

Рис. 69 .Зависимость удельного электрического сопротивления полупроводника от температуры.

Криогенная машина не содержит ферромагнитного сердечника, который, обладая свойством магнитного насыщения, не позволил бы получить столь высокие значения В и вызвал бы в машине значительные магнитные потери. Снижение электрических и магнитных потерь позволяет повысить КПД машин и более эффективно использовать их габариты, создавая машины весьма большой мощности.

Необходимым элементом криогенной машины является криостат, представляющий собой теплоизолированную от внешней среды ёмкость, заполненную хладагентом (например, жидким гелием). Внутри криостата располагают охлаждаемую обмотку или же электрическую машину целиком.

Из изложенного следует, что в ближайшие годы криогенное электромашиностроение станет одним из ведущих направлений при создании машин гигантской мощности (до 3000÷5000 МВт), выполнение которых по традиционным принципам невозможно.

2). Магнитогидродинамические (МГД) электрические машины – это машины принцип действия которых основан на том, что при движении рабочего тела, обладающего достаточной электропроводностью (электролита, жидкого металла, ионизированного газа), поперёк силовых линий магнитного поля в этом рабочем теле индуцируется ЭДС и возникает электрический ток, который у МГД-генераторов через соответствующие электроды отводится во внешнюю цепь, а у МГД-двигателей электрический ток от внешнего источника взаимодействует с магнитным полем и «проталкивает» рабочее тело через межполюсное пространство (рис. 70). Т. о. МГД-машины, как и другие электрические машины обратимы, и могут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах.

Рис. 70. Принцип действия МГД-генератора (а) и МГД-двигателя (б).

Исследования показали, что МГД-машины приобретают существенные преимущества лишь при условиях значительной мощности (более 100 МВт) и изготовлении обмотки электромагнита из сверхпроводника, помещённого в криостат.