2.16. Нагревание и охлаждение трансформатора

Электроэнергия, теряемая в процессе преобразования переменного тока, выделяется в виде тепла в различных частях трансформатора. Тем­пература их может значительно превышать температуру окружающей среды. Нагревание зависит от режима работы трансформатора, интенсивности охлаждения его обмоток, магни­топровода и т. д. Она является главной причиной, ограничивающей мощность трансформатора.

Изоляционные материалы, применяемые в трансформаторостроении, по-разному реагируют на повышение температуры. Наименее нагревостойкой является бумажная изоляция ( ). Превыше­ние допустимых температур изоляции приводит к более интенсивному ее старению, что значительно сокращает срок службы. Для масляного трансформатора, например, превышение температуры обмоток на 8⁰С снижает срок службы их изоляции вдвое.

Стандарты предусматривают для отдельных частей трансформатора наивысшие расчетные температуры. Расчетные температуры нельзя поддерживать искусст­венно, они установлены в предположении, что из-за колебаний нагрузки и температуры окружающей среды периоды высоких расчетных температур чередуются с периодом более низких [5].

Трансформатор в тепловом отношении представляет неодно­родное тело. При работе трансформатора листы магнитопровода и об­мотки являются источником тепловой энергии. В масляных трансформа­торах магнитная система и обмотки погружены в трансформаторное масло. Передача тепла происходит посредством конвекции, то есть частицы масла соприкасаются с горячими поверхностями, нагреваются, устремля­ются вверх и отдают свое тепло в окружающую среду через стенки бака. При охлаждении частицы движутся вниз, уступая место более горячим частицам. Таким образом, температура масла по высоте бака различна. В сухих трансформаторах отвод тепла от обмоток и магнитопровода идет путем конвекции и лучеиспускания.

Тепловые процессы в трансформаторе достаточно сложны, поэтому при из анализе делается ряд допущений. Активная часть представляется как однородное тело. Оно должно при тех же наружных размерах и том же количестве выделяе­мого тепла обладает эквивалентной теплоемкостью. Для каждого элемента тепловой цепи вводится некоторая средняя температура. В любой момент времени соблюдается баланс тепловой энергии. Согласно (1.30) получим

. (2.77)

Зависимости, характеризующие нагревание и охлаждение в соответствии с решением (2.77) имеют вид:

; (2.78)

, (2.79)

где , – температуры нагрева и охлаждения; – установившаяся температура перегрева; и – постоянные времени нагрева и охлаждения.

Графики переходных процессов в трансформаторе, который представлен в качестве однородного тела, аналогичны графикам, представленным на рис. 1.3. Если это так, то можно полагать, что установившийся тепловой процесс трансформатора наступает через . Для однородного тела постоянная времени :

, (2.80)

где – удельная теплоемкость тела, т.е. количество теп­лоты, необходимое для нагревания 1 кг этого тела на 1⁰С; – количество теплоты, рассеиваемое с поверхности тела в окружающее пространство при разнице между температурами тела и окружающей среды в 1⁰С; - количество теплоты, выделяемое в теле за единицу времени; – масса тела.

В трансформаторах охлаждающей средой для обмоток и магнитных систем является масло (масляные) и воздух (воздушные). Для масла и бака трансформаторов всех типов охлаждающей средой является воздух. В тепловых расчетах приходится рассматривать раздельно нагрев частей трансформатора относительно масла или воздуха и нагрев масла относительно воз­духа, причем используются средние температуры. Рассмотрим как наиболее вероятный установившийся тепловой режим трансформатора. Постоянная времени обмотки трансформатора при ее нагревании относительно масла (воздуха) равна:

, (2.81)

где , – удельные теплоемкости материала обмотки (меди, алюминия) и их изоляции; , – масса материала обмотки и их изоляции; – элементарные потери в обмотках; – установив­шаяся разность температур между обмоткой и охлаждающей средой (масло, воз­дух) при потерях ; – коэффициент, учитывающий, что темпера­тура металла обмотки меньше температуры изоляции, .

Постоянная времени нагрева магнитной системы:

, (2.82)

где – удельная теплоемкость материала магнитопровода (электротехнической стали); – масса материала магнитопровода; – элементарные потери в магнитопроводе; – установив­шаяся разность температур между магнитопроводом и охлаждающей средой (масло, воз­дух) при потерях .

Постоянная времени нагрева всего трансформатора:

. (2.83)

Нагрев обмоток относительно масла определяется зависимостью:

. (2.84)

При установившемся номинальном режиме разность температур об­мотки и масла равна . Поэтому нагрев магнитной системы относительно масла:

, (2.85)

где – отношение первичного напряжения при рассматриваемом режиме к номинальному первичному напряжению.

При установившемся номинальном режиме разность температур магнитной системы и масла соответствует . Следовательно . Нагрев масла относительно воздуха при установившемся режиме ра­боты, отличном от номинального:

, (2.86)

где – отношение потерь в магнитной системе и обмотках.

П ревышение температуры масла в верхних частях бака относительно воздуха в среднем бывает на 15–20% больше температуры . Нагрев обмотки и магнитной системы относительно воздуха опреде­ляется как:

(2.87)

В трансформаторах с естественным масляным охлаждением превышения температур имеют значения: С, , С.

В сухих трансформаторах нагревы обмоток и магнитной системы относительно охлаждающего воздуха равны:

(2.88)

где , – нагрев обмоток и магнитной системы относительно воз­духа при холостом ходе и номинальном напряжении ; , – нагрев обмоток и магнит­ной системы относительно воздуха при номинальной нагрузке ( ; ).

Расчет нагрева в случае переменной нагрузке имеет практическое значе­ние. Он позволяет определять нагрузочную и перегрузочную способ­ности трансформатора при разных условиях его работы с учетом измене­ния температуры окружающей среды.

Для масляных трансформаторов расчет проводят в следующем по­рядке. График нагрузки делят на интервалы, в пределах которых нагрузка принимается постоянной. Затем для каждого интервала при заданной тем­пературе воздуха определяют изменение температуры обмоток , масла , магнитной системы в функции времени:

(2.89)

Характер кривых, получаемых по (2.89), приведен на рис. 2.37.

В сухих трансформаторах процесс нагревания при переменной нагрузке протекает более сложно, т.к. на этот процесс оказывает влияние непрерывный тепловой обмен между магнитной системой и обмоткой. Приближенно можно считать, что

(2.90)

Эффективность охлаждения нагревающихся частей трансформаторов является важной задачей при их эксплуатации. В зависимости от мощности применяются различные системы охлаждения и конструктивные элементы [4].