§ 10.3. Способы теплопередачи от обмотки и масла через стенки бака и охлаждающие устройства в окружающую среду
Путь, по которому проходит тепловая энергия, выделяющаяся в обмотках и магнитопроводе трансформатора, может быть разделен на несколько участков. На каждом из этих участков возникает перепад, температур, т. е. их разность на границах участков. Рассмотрим участки прохождения теплового потока.
Рис. 10.2. Распределение превышения температуры по сечению обмотки
1-й участок — от внутренних точек обмотки или магнитопровода до их наружных поверхностей, омываемых маслом. На этом участке теплопередача осуществляется путем теплопроводности. Если бы обмотка представляла собой однородное тело, равномерно охлаждаемое со всех сторон маслом, т. е. была в отношении ее охлаждения идеальной обмоткой, то распределение температуры по ее толщине (в радиальном направлении) происходило бы по закону квадратичной параболы (рис. 10.2). Однако в реальной обмотке условия распределения температуры отличаются от условий распределения температуры в идеальной обмотке.
Поэтому при расчете внутренних перепадов температуры в многослойной обмотке пользуются или эмпирическими формулами, или поправками к расчетной температуре, определенными по опытным данным.
Тепловой расчет силовых трансформаторов несколько упрощается тем, что поскольку каждый провод слоевой или непрерывной обмотки непосредственно омывается маслом, то перепад температуры внутри обмотки практически отсутствует. Температурная поправка дается только в случае применения усиленной (по толщине) витковой изоляции и дополнительной изоляции катушек.
2-й участок — это переход тепла от обмотки к маслу. На поверхности обмоток возникает разность температур между обмоткой и омывающим ее маслом, которая зависит от количества тепла, выделившегося с поверхности обмотки, расположения охлаждаемых маслом поверхностей обмотки, размером масляных каналов и вязкости масла. Разность температур (перегрев) τ0 поверхности обмотки и масла определяется формулами, составленными на основе экспериментальных данных для каждого типа обмотки. Величина перегрева обмотки над маслом зависит от удельной тепловой нагрузки поверхности обмотки может быть выражена в общем виде как:
где КТ— постоянный коэффициент;
q0 — удельная тепловая нагрузка (плотность теплового потока) поверхности обмотки, впг/м2;
n = 0,6÷0,7 — показатель степени, определяемый так же, как и коэффициент KТ экспериментально.
Расчетные формулы для каждого типа обмоток приведены в § 10.4. 3-й участок — это перенос тепла нагретым маслом от обмотки cтенкам бака и охлаждающим устройствам. Масло, омывая обмотки трансформатора, уносит с поверхности обмотки выделяющееся в ней тепло. В этом случае передача тепла происходит путем конвекции, т. е. перемещением масла, которое возникает вследствие разности плотностей нагретого и холодного масла. Движение масла вокруг самой обмотки бывает различным в зависимости от типа обмотки, формы, размеров и расположения масляных каналов.
.
Рис. 10.3. Определение эквивалентной излучающей поверхности для гладкого и трубчатого баков и бака с охладителями
Нагретое у поверхности обмотки масло поднимается в верхнюю часть бака трансформатора, соприкасается со стенками бака и отдает им полученное от обмотки тепло, опускается в нижнюю часть бака, а затем вновь возвращается к обмоткам. Если на стенках бака имеются охлаждающие трубы или охладители (радиаторы), то нагретое масло входит в трубы или в верхний патрубок радиатора и, охладившись в трубах, омываемых наружным воздухом, опускается по ним вниз, входит в нижнюю часть бака трансформатора и направляется опять к обмоткам. Затем масло снова нагревается, поглощая тепло, выделяющееся в обмотках и магнитопроводе, и поднимается вверх. Таким образом, в работающем трансформаторе возникает замкнутый конвекционный ток масла в его баке и происходит непрерывный процесс циркуляции масла (рис. 10.3).
4-й участок — это переход тепла от масла к стенке бака трансформатора при наличии разности температур между маслом и стенкой.
Эта разность температур определяется теми же законами, что и разность температур между обмоткой и маслом, т. е. она зависит от величины удельной тепловой нагрузки на стенку бака и охлаждающего устройства.
5-й участок — это переход тепла через толщину стенки бака. Разность температур на этом участке не превышает ГС и поэтому ею обычно пренебрегают.
6-й участок (последний) — это отвод тепла от стенок бака и охлаждающего устройства в окружающий воздух. С наружной поверхности стенки бака тепло отводится в окружающий воздух двумя путями: часть тепла отводится конвекционным потоком воздуха, вторая часть — излучением.
Рис. 10.4. Определение эквивалентной излучающей поверхности для гладкого и трубчатого баков и бака с охладителями
Теплоотдача путем излучения зависит от температуры излучающего тела и температуры воздуха, а также от конфигурации стенки бака и охлаждающего устройства и состояния их поверхности.
Теплоотдача путем излучения с поверхности гладких баков, окрашенных красками с неметаллическими наполнителями, достигает 50 — 55% общей теплоотдачи. У трубчатых баков или у баков с радиаторами она снижается до 15% общей теплоотдачи. Это происходит вследствие прямолинейного распространения лучистой энергии. Теплоотдача излучением в этом случае происходит не со всей поверхности, а только с внешней огибающей поверхности охлаждающего устройства (рис. 10.4).
Теплоотдача путем конвекции воздуха происходит в отличие от теплоотдачи излучением со всей поверхности бака, труб и охладителей. Она зависит от разности температур стенок бака и воздуха, высоты бака, формы его поверхности и от барометрического давления воздуха. Теплоотдача возрастает с увеличением поверхности бака и охлаждающих устройств, температуры стенок и при увеличении свободного доступа окружающего воздуха к стенкам бака.
При практическом тепловом расчете определяются два основных перепада превышения температуры: превышение температуры обмотки сверх температуры масла и превышение температуры масла сверх температуры воздуха (или, коротко, перегрев обмотки над маслом и перегрев масла над воздухом). Сумма этих перегревов дает перегрев обмотки над воздухом. При необходимости к перегреву обмотки над маслом прибавляются поправки, зависящие от теплопроводности усиленной витковой и междуслойной изоляции и от размеров масляных каналов, и к перегреву масла над воздухом — поправка, зависящая от отношения высот центров потерь (активной части) и охлаждающего устройства.