Сухі трансформатори:

– обмотки – при класах нагрівостійкості по стандарту

клас А – 60 ⁰С; клас Е – 75 °С; клас В – 80 °С; клас F – 100 °С; клас Н – 125 °С.

Нагрів поверхні магнітопроводу і конструктивних деталей обмежується допустимими перевищеннями температури стикованими з ними ізоляційних матеріалів.

Для вимірювання температури частин трансформатору встановлені наступні методи: вимірювання температури обмоток – по зміненню опору; вимірювання температури інших частин і масла – по тер­мометру. Встановлені також наступні граничні температури навколишнього середовища: для води – не більше +25 °С у вхід в охолоджувач; для повітря – температура, яка природно змінюється, не вище +40°С і не нижче - 45 °С; середнєдобова температура не вище +30 ⁰С і середнєрічна температура не вище +20 °С.

Технічні умови стандарту базуються на прийнятих у практиці реальних методах вимірювання температури обмоток і масла трансформатора. Тому в нормах не регламентована максималь­на температура обмоток або середня температура масла, вимірювання яких можливо далеко не при любих напругах обмоток транс­форматора і тільки у лабораторних умовах. У сучасних трансформаторах при правильному виборі щільності струму в обмотках і раціональному розподіленні охолоджувальних каналів перевірка нагріву обмоток по середній їх температурі забезпечує також не надто високу максимальну температуру окремих точок обмотки.

4. Порядок теплового розрахунку трансформатора

Тепловий розрахунок трансформатора проводиться після за­вершення електромагнітного і механічного розрахунків його обмоток і магнітної системи. При правильному виборі електромагнітних навантажень і правильному розподіленні і виборі розмірів охолоджувальних масляних каналів внутрішні температури в обмотках і магнітній системі виявляються не вище звичайно допустимих значень. Внаслідок цього тепловий розрахунок обмоток зводиться до перевірочного визначення перепадів температури всередині обмоток і на їх поверхні для прийнятої конструкції і розмірів обмотки. Визначення цих перепадів проводиться за (6.3) і (6.5) з урахуванням конструктивних особливостей обмоток різних ти­пів (див. § 6.5).

Тепловий розрахунок баку відрізняється тим, що сама конст­рукція баку залежить в першу чергу від того теплового потоку, який повинен бути відведений з поверхні баку в навколишнє повітря, і лише у другу чергу визначаються вимогами механічної міцності. Тому при теп­ловому розрахунку баку спочатку розраховується допустиме середнє перевищення температури стінки баку над навколишнім повітрям, потім по потрібній тепловіддачі приблизно визначається його охолоджувальна поверхня, потім підбираються розміри і число конструктивних еле­ментів, які створюють ці поверхні, – гладких стінок, труб, хвиль, охолоджувачів, і, нарешті, проводиться перевірочний розрахунок перевищення температури стінок баку і масла над навколишнім повітрям. При отриманні перевищень температури, які відрізняються від допустимих, про­водиться коректування охолоджувальної поверхні шляхом збільшення або зменшення числа або розмірів конструк­тивних елементів – труб, охолоджувачів і т.і. Після завер­шення теплового розрахунку баку проводиться перевірка його конструкції на механічну міцність.

4. Перевірочний тепловий розрахунок обмоток

Підрахунок внутрішнього перепаду температури у більшості обмоток із прямокутного проводу спрощується тією обставиною, що кожний провід, як правило, однією або двома сторонами свого перерізу стикається з мас­лом (рис. 6.9). Внутрішній перепад температури у цьому випадку є перепадом в ізоляції одного проводу і визначається за (6.9) як елементарний перепад для теп­лового потоку постійного значення:

(6.9)

де q – щільність теплового потоку на поверхні обмот­ки, яка визначається згідно вказівкам п. 3.8, 3.9 і 4.1, Вт/м²;

– товщина ізоляції на одну сторону за рис. 6.9, м;

При підрахунку внутрішнього перепаду в котушках із загальною ізоляцією всієї котушки (вхід­ні котушки обмотки) за (6.9) значення  слід визначати як сумісну товщи­ну ізоляції проводу і загальної ізоляції котушки на одну сторону.

При підрахунку внутрішнього перепаду в котушках із загальною ізоляцією всієї котушки (вхід­ні котушки обмотки) за (6.9) значення  слід визначати як сумісну товщи­ну ізоляції проводу і загальної ізоляції котушки на одну сторону.

Повний внутрішній перепад температури в обмотках із круглого проводу, які не мають горизонтальних охолоджувальних каналів (рис. 6.10, а, б):

– теплопровідність ізоля­ції проводу, яка визначається для різних матеріалів за табл. 6.1, .



Рисунок 6.9 – До розрахунку внутрішнього перепаду температури в обмотках із прямокутного проводу

, (6.10)

де а – радіальний розмір котушки за рис. 6.10, м; при наявності в обмотці осьового охолоджувального каналу за рис. 3.20, в, г або д розмір а слід визначати як ширину – радіальний розмір найбільш широкий з двох котушок, на які розділена обмотка (на рис. 3.22, г і д правої котушки);

р – втрати, які виділяються в 1 м³ загального об’єму обмотки.

Для мідного проводу р_м, Вт/м³, визначається за фор­мулою у відповідності з рис. 6.11:

(6.11)

для алюмінієвого проводу:

, (6.11 а)

де , , виражені у метрах, у А/м².

0,75а

d

d^/

1см

а

а

а

а)

б)

в)

Рисунок 6.10 – До розрахунку внутрішнього перепа­ду температури у багатошарових обмот­ках із круглого і прямокутного про­воду

Рисунок 6.11 – Елемент об’єму обмотки – провід і міжшарова ізоляція

Середня теплопровідність обмотки , , приведена до умовного випадку рівномірного розподілення виткової і міжшарової ізоляції по всьому об’єму обмотки, визначається за формулою:

. (6.12)

Теплопровідність міжшарової ізоляції знаходить­ся за табл. 6.1.

Середня умовна теплопровідність обмот­ки без урахування міжшарової ізоляції:

, (6.13)

де – теплопровідність матеріалу ізо­ляції витків, яка визначається за табл. 6.1.

Якщо обмотка намотана безпосередньо на ізоляційному циліндрі (рис. 6.10, в) і має тільки одну відкриту поверхню охолодження, найбільш нагріта зона зсовується від центру перерізу обмотки в бік циліндра приблизно до 0,75^. а від зовнішньої поверхні.

Повний внутрішній перепад, °С,

, (6.14)

де визначається за (6.12); а – радіальний розмір ко­тушки, м.

Таблиця 6.1 – Питомі теплопровідності ізоляційних і інших матеріалів

Матеріал	,
Папір кабельний сухий	0,12
Папір кабельний у маслі	0,17
Папір кабельний, пропитаний лаком	0,17
Електроізоляційний картон	0,17
Лакотканини електроізоляційні	0,25
Гетинакс	0,17 – 0,175 175,162
Текстоліт	0,146 – 0,162 162\
Склотекстоліт	0,178 – 0,182
Лак бакелітовий і інші лаки	0,3
Масло при відсутності конвекції	0,1
Електротехнічна сталь в пакетах:
вздовж пластин	22,3
поперек пластин	4,75 – 4,85 85
Нагрівостійке покриття сталі	0,8
Мідь	390
Алюміній	226

Примітка. Теплопровідність електроізоляційних матеріалів залежить від технології їх обробки. При просоченні і зволоженні, а також при ущільненні зовнішнім тиском теплопровідність збільшується.

В котушковій обмотці із круглого проводу з каналами між котушками (див. рис. 3.22) тепловіддача відбувається в напрямах осьовому (вісь У) і радіальному (вісь X). Визначення внутрішнього перепаду температури для цієї обмотки, °С, якщо осьовий розмір котушки h_к , а радіальний а, може бути проводитися за формулою:

(6.15)

Для визначення теплопровідності в напрямах осей X і У можна скористатися формулами: для – (6.12), для – (6.13). Формули (6.10), (6.14) і (6.15) визначають перепад температур від найбільш нагрітої точ­ки обмотки із круглого проводу до її поверхні. В той же час нормами регламентується середнє перевищення температури обмотки, а отже, і внутрішній пе­репад температури. Середній перепад температури за (6.4) складає 2 / 3 повного перепаду:

.

Внутрішній перепад у багатошарових обмотках із про­воду прямокутного перерізу підраховується за такою ж методикою за формулами (6.4), (6.10), (6.14), (6.15) із заміною формул (6.11), (6.11а), (6.12) і (6.13) на наступні:

; (6.16)

; (6.16a)

; (6.17)

, (6.18)

де а і – розміри проводу без ізоляції і з ізоляцією, які орієнтовані в напрямі руху тепла, м;

b і – те ж в напрямі, перпендикулярному руху тепла, м;

– товщина ізоляції проводу (на дві сторони), м.

У (6.15) для визначення слід користуватися (6.17) і (6.18), а для визначення – формулою (6.18) із заміною b на а, на і на .

Перепад температури на поверхні обмотки є функцією щільності теплового потоку на поверхні обмотки, яка підраховується як частка від ділення втрат, виникаючих в обмотці, на відкриту охолоджувальну маслом поверхню. Підрахунок теплового потоку про­водиться згідно вказівкам, які дані в § 3.8, 3.9 і 4.1. Формули, які застосовуються у практиці розрахунку для визначення перепаду температури на поверхні обмотки, отримані емпірично і можуть застосовуватися тільки в тих випадках, для яких вони перевірені досвідом.

Для циліндричних обмоток із прямокутного або круглого проводу або із алюмінієвої стрічки (див. § 3.3 і 3.4), а також для гвинтових обмоток, які не мають радіаль­них (горизонтальних) каналів (див. § 3.5), перепад на по­верхні обмотки масляного трансформатора, °С,

, (6.19)

де = 0,285.

Формула (6.19) справедлива при осьових (вертикаль­них) каналах у обмотці шириною не менш, ніж вказано в табл. 6.2а – 6.2в.

В сухих трансформаторах для ізоляції різних класів нагрівостійкості допускаються різні перевищення температури обмоток над температурою охолоджувального повітря. Розміри вертикальних і горизонтальних каналів охолодження для трансформаторів можуть бути вибрані в залежності від класу ізоляції і щільності теплового потоку на поверхні обмотки за табл. 6.26 і 6.2в.

При дотриманні цих розмірів каналів і допустимих щільностей теплового потоку на поверхні обмоток су­хих трансформаторів перевищення температури обмоток цих трансформаторів над повітрям, як правило, не перевищує нормованого значе­ння і необхідність їх спеці­ального теплового розрахунку відпадає.

При визначенні перепаду температури на поверхні обмоток із прямокутного або круглого проводу з гори­зонтальними каналами необ­хідно ураховувати спосіб охолодження трансформатора, розташування обмотки і розміри горизонтальних масля­них каналів (рис. 6.12).

Таблиця 6.2а – Мінімальна ширина охолоджувальних каналів в обмотках. Масляні трансформатори

Вертикальні канали				Горизонтальні канали
Довжина каналу; мм	Обмотка —обмотка, мм	Обмотка — циліндр, мм	Обмотка— стрижень, мм	Довжина каналу, мм	Обмотка— обмотка, мм
До 300 300—500 500—1000 1000—1500	4—5 5—6 6—8 8—10	4 5 5—6 6—8	4—5 5—6 6—8 8—10	До 40 40—60 60-70 70—80	4 5 6 7

Таблиця 6.26 – Сухі трансформатори, вертикальні канали. Вибір ширини каналу за допустимим перевищенням температури і щільності теплового потоку на поверхні обмотки q

Клас ізоляції	Допустиме перевищення температури, °С	Щільність теплового потоку, Вт/м2, при ширині каналу, мм
		7	10	15
А Е, В F Н	60 75—80 100 125	160 230 300 380	300 450 600 800	380 550 720 950

Таблиця 6.2в – Сухі трансформатори, горизонтальні канали. Вибір ширини каналу за допустимим перевищенням температури і щільності теплового потоку на поверхні обмотки q

Клас ізоляції	Допустиме перевищення температури, °С	Щільність теплового потоку, Вт/м2, при ширині каналу, мм
		8	12	15
А Е, В F Н	60 75—80 100 125	280 320 420 580	380 420 540 720	450 540 720 1000

а

а

Перепад на поверхні обмотки масляного трансформатора може бути підрахований за емпіричною формулою:

. (6.20)

Коефіцієнт k₁ ураховує швидкість руху масла всередині обмотки. Швидкість руху масла залежить від системи охолодження. Коефіцієнт k₁ приймає наступні значення для різних видів охолодження:

Для природного масляного охолодження.………….1,0

Для масляного охолодження с дуттям..……………..0,9

Для масляного охолодження з примусовою циркуляцією масла….………………………………………………………0,7

Рисунок 6.12 – До визначення пере­паду температури за (6.20)

– для природного масляного охолодження.…………………………...….1,0;

– для масляного охолодження с дуттям..……………………………...…..0,9;

– для масляного охолодження з примусовою циркуляцією масла…...…0,7.

Коефіцієнт k₂ ураховує утруднення конвекції мас­ла в каналах внутрішніх обмоток НН і СН і може бути прийнятим рівним:

– для зовнішніх обмоток ВН…………………………….…………..…..…1,0;

– для внутрішніх обмоток НН и СН ………………………………………1,1.

Коефіцієнт k₃ ураховує вплив на конвекцію масла відносно ширини (висоти) горизонтальних масляних каналів і може бути взятий за табл. 6.3 в залежності від відношення висоти до глибини каналу (ширині обмотки) .

Таблиця 6.3 – Значення коефіцієнта k₃ в (6.20)

	0.07-0.08	0.08-0.09	0.1	0.11-0.12	0.13-0.14	0.15-0.19	0.2 і більше
K3	1,10	1,05	1,0	0,95	0,9	0,85	0,8

Після визначення внутрішнього і зовнішнього перепадів температури в обмотках для кожної із обмоток підраховується середнє перевищення її температури над середньою температурою масла

. (6.21)

6.6 Тепловий розрахунок баку

При виборі конструкції баку для трансформатора головну увагу слід звертати на хорошу тепловіддачу, механічну міцність, простоту у виготовленні і за можливістю менший зовнішній габарит. Баки з гладкими стінками, з трубами і трубчатими радіаторами, які застосовуються у вітчизняному трансформаторобудуванні, відповідають усім цим вимогам.

Зважаючи на те, що втрати у трансформаторі зв’язані з його потужністю, при виборі конструкції баку можна орієнтуватися на потужність трансформатора (табл. 6.4).

Таблиця 6.4 – Типи баків масляних трансформаторів

Тип баку	Рисунок	Вид охолодження	Межі застосування за потужністю,
Бак з гладкими стінками	-	М	До 25-40
Бак із стінками у вигляді хвиль	6.14	М	Від 40-63 до 630
Бак з увареними охолоджувальними гнутими трубами (трубчатий)	6.15	М	Від 40-63 до1600
Бак з начіпними радіаторами з прямими трубами	6.16	М	Від 100 до 6300
Бак з начіпними радіаторами з гнутими трубами	6.17	М	Від 2500 до 10000
Бак з начіпними радіаторами з гнутими трубами з дуттям	6.6	Д	Від 10000 до 80000
Бак з охолоджувачами з примусовою циркуляцією масла і з дуттям	-	ДЦ	Від 63000 і вище

Після вибору типу бака слід визначити його міні­мальні внутрішні розміри. При заданих розмірах ак­тивної частини трансформатора, тобто його остову з обмотками і відводами, мінімальні внутрішні розміри баку в пла­ні визначаються зовнішніми габаритами активної частини і мінімально необхідними ізоляційними відстанями від обмоток і відводів до стінок баку.

Визначення ізоляційних проміжків від відводів до обмотки ВН і стінки баку слід проводити у відповідності з вказівками, які приведені в гл. 4 [1] (див. табл. 4.11 і 4.12), ураховуючи виробничі допуски в розмірах час­тин трансформатора і товщину відводу.

Згідно рис. 6.13, а повинні бути визначені наступні мінімальні відстані і розміри:

– ізоляційна відстань від ізольованого відводу обмотки ВН (зовнішньої) до власної обмотки і рівна йому відстань цього відводу до стінки баку за табл. 4.11[1];

d₁ – діаметр ізольованого відводу обмотки ВН при класах напруги 10 і 35 кВ, d₁ = 20 мм – при потужностях до 10 000 і d₁ = 25 мм при більших потужностях;

– ізоляційна відстань від неізольованого відводу або ізольованого відводу обмотки НН або СН до обмотки ВН за табл. 4.12 [1];

– ізоляційна відстань від відводу обмотки НН або СН до стінки баку за табл. 4.11[1];

d₂ – діаметр ізольованого відводу від обмотки НН або СН, рівний d₁, або розмір неізольованого відводу НН (шини), рівний 10 – 15 мм.

Визначення цих відстаней проводиться окремо для відводів сторони ВН і НН. Мінімальні внутрішні розміри баку визначаються згідно рис. 6.13.

а

H

H_як

d₁

В

s₅

s₂

s₃

s₄

s₁

d₂

h_я

h_я

а)

б)

n

H_а.ч

l_c

n

Рисунок 6.13 – До визначення основних розмірів баку

Мінімальна ширина, м:

. (6.22)

Мінімальна довжина баку трифазного трансформато­ра класів напруги 6, 10 і 35 кВ, м,

. (6.23)

Відстань при випробувальних напругах до 85 кВ може бути прийнята така ж, як і відстань від неізольованого відводу до обмотки, і визначена за табл. 4.12 [1]. В деяких випадках відстань приймають рівним сумісній відстані від баку, м:

.

Для трансформаторів з класом напруги обмотки ВН 110 кВ при розташуванні вводів ВН в маслі між ярмом і стінкою баку розміри баку в плані А і В, м, можуть бути приблизно прийняти:

– для трифазних ;

– для однофазних ;

– розмір (в обох випадках).

Внутрішні розміри баку, знайдені за (6.22) і (6.23), звичайно виявляються достатніми і по розумінням тепловіддачі.

Глибина баку визначається висотою активної частини і мінімальною відстанню від верхнього ярма до кришки баку, яка забезпечує розміщення внутрішніх частин прохідних ізоляторів, відводів і перемикачів, якщо перемикачі закріплюються під кришкою баку.

Висота активної частини, м:

, (6.24)

де п – товщина підкладки під нижнє ярмо (n =30 50 мм).

Вибір відстаней від верхнього ярма трансформатора до кришки баку Н_я,_к може бути зроблений за табл. 6.5 по класу напруги (робочій напрузі) обмотки ВН. Відстань, знайдена за табл. 6.5, є мінімаль­ною і звичайно виявляється достатньою для отримання необхідної тепловіддачі баку для трансформатора з повними втратами за стандартом.

Таблиця 6.5 – Мінімальні відстані від ярма до кришки баку

Клас напруги обмотки ВН, кВ	Мінімальна відстань, мм	Примітка
6, 10 20 35 110	160 300 400 500	- - При перемикачі відгалужень, який розташований горизон­тально між ярмом і криш­кою баку При класі напруги 110 кВ вводи ВН розташовуються між ярмом і стінкою баку

Загальна глибина баку (рис. 6.13, б), м:

. (6.25)

Зовнішня поверхня стінок баку, труб, хвиль, охолоджувачів має середнє перевищення температури над навколишнім повітрям . Воно визначається для даного ба­ку тепловим потоком, який відводиться з його охолоджувальної по­верхні.

Тепловіддача шляхом випромінювання із всієї поверхні ба­ку, Вт:

, (6.26)

де – питома тепловіддача випромінюванням з одиниці випроміню-вальної поверхні при різниці температур стінки баку і повітря, рівній 1 ^oС;

– поверхня випромінювання баку, яка визначається як зовнішня обтягувальна поверх­ня згідно рис. 6.3.

Тепловіддача з поверхні шляхом конвекції

, (6.27)

де – питома тепловіддача конвекцією з одиниці по­верхні конвекції при різниці температур в 1 °С;

– поверхня конвекції баку, тобто повна розгорнена сумісна поверхня його гладкої частини, труб, хвиль, охолоджувачів,

(6.28)

де – дійсні геометричні поверхні окремих частин баку; – кое­фіцієнти, які ураховують поліпшення або погіршення теп­ловіддачі конвекцією для даної форми поверхні у зрівнянні з вертикальною гладкою стінкою.

Ці коефіцієнти залежать від форми поверхні кон­векції (гладка стінка, труба, хвиля і т.і.) і розмірів її елементів (діаметр труби, відстань між трубами, глибина і ширина повітряного каналу хвилі). Значення коефіцієнтів для поверхонь різної форми, знайдені дослідним шляхом, приведені в табл. 6.6.

Таблиця 6.6 – Значення коефіцієнта для труб діаметром 51 мм і овальних мм

Форма поверхні	Без дуття							З дуттям
	Гладка стінка	Труби				Радіатор		Гладка стінка	Радіатор за рис. 6.17
		в один ряд	у два ряди	у три ряди	у чотири ряди	за рис. 6.16	за рис. 6.17
kф	1,0	1,4				1,26	1,4	1,6

Примітка. Для труб діаметром близько 30 мм к_ф, отриманий із таблиці, помножити на 1,15.

Повна тепловіддача баку Q повинна бути рівною пов­ним втратам трансформатора:

,

або

(6.29)

де P – сумісні розрахункові втрати трансформатора.

Коефіцієнт 1,05 ураховує можливе відхилення дійсних втрат у трансформаторі від розрахункових і застосовується при індивідуальному розрахунку трансформато­ра. У цьому випадку слід в (6.29) підставляти Р – сум­у розрахункових втрат короткого замикання і холостого хо­ду. При розрахунку серій трансформаторів під Р слід розуміти суму гарантованих втрат короткого замикання і холостого ходу і приймати коефіцієнт 1,1, враховуючи можливість відхилення дійсних втрат від гаран­тованих на 10 %.

Якщо значення питомої тепловіддачі q_в і q_к із (6.7) і (6.8) підставити у (6.29) і віднести коефіцієнт, який ураховує форму поверхні к_ф в (9.8), до поверхні (6.28), отримуємо:

звідкіля

(6.30)

(6.31)

Ці вирази покладені в основу викладеного методу теплового розрахунку баку трансформатора і дозволяють при­близно визначити розміри баку у попередньому розрахунку (6.30) і знайти його середнє перевищення темпера­тури після з’ясування всіх розмірів (6.31).

Втрати трансформатора Р при тепловому розрахунку ба­ку задаються. Середнє перевищення температури стінки ба­ку над повітрям також може бути приблизно визначено виходячи із середнього допустимого перевищення температури обмоток над середньою температурою масла. Після вибору мінімальних внутрішніх розмірів баку з достатньою точністю можна визначити дійсну випромінювальну поверхню баку . Після цього за (6.30) можна при попередньому тепловому розрахунку баку при­близно визначити необхідну поверхню конвекції і потім підібрати потрібну кількість і розміри елементів конструкції баку (труб, хвиль, радіаторів), які забезпечують потрібну тепловіддачу.

Після остаточного встановлення основних розмірів всіх елементів баку, а отже, і поверхонь випромінювання і конвекції , користуючись (9.31), можна визначити для даного баку і заданих втрат серед­нє перевищення температури стінки баку над навколишнім повітрям.

Середнє перевищення температури стінки баку над навколишнім повітрям в попередньому розрахунку ба­ку повинно бути вибране таким, щоб середні перевищення температури обмоток і максимальне перевищення температури масла над повітрям не перевищували значе­нь, які допускаються стандартом.

Тривало допустиме середнє перевищення температу­ри обмоток над повітрям при номінальному навантаженні мо­же бути прийняте рівним 65 °С. Тоді середнє перевищення температури масла, яке омиває обмотки, повинно бути не більше:

. (6.32)

В (6.32) слід взяти більше з двох значень, підрахованих для обмоток ВН і НН за (6.21).

Середнє перевищення температури стінки баку над повітрям буде менше на перепад температури між маслом і стінкою баку:

(6.33)

Звичайно не перевищує 5 – б °С.

Отримане значення повинно задовольняти не­рівності:

, (6.34)

яке виникає із вимог стандарту, щоб перевищення температури верхніх шарів масла над повітрям не перевищувало 60°С для трансформаторів з розширювачем і герметичних.

Коефіцієнт , який визначає відношення максималь­ного і середнього перевищень температури масла, в попередньому розрахунку можна прийняти рівним 1,2. Якщо значення, отримане із (6.32) і (6.33), не задовольняє не­рівності (6.34), треба прийняти і значення визначати за виразом:

.

Поверхня випромінювання баку, м², в попередньому розрахунку може бути приблизно визначена: для баку прямокутного перерізу у плані:

; (6.35)

для баку овального перерізу у плані:

, (6.35а)

де А, В, Н – розміри баку за рис. 6.13, м;

k – коефі­цієнт, який ураховує відношення периметра поверхні випромінювання до поверхні глад­кої частини баку і приблизно рівний: 1,0 – для гладкого баку; 1,2 – 1,5 – для баку з тру­бами і 1,5 – 2,0 – для баку з начіпними радіаторами.

Після попереднього приблизного розрахунку по­верхні випромінювання баку мо­жна за (6.30) також приблизно розрахувати поверхню конвекції баку, яка потрібна для отримання знайденого вище значення .

Знайдене таким чином значення поверхні кон­векції є орієнтовним, яке дозволяє знайти число і розміри конструктивних елементів баку. Число і розміри труб, хвиль, радіаторів і гладких стінок баку повинні бути підібрані так, щоб з урахуванням коефіцієнтів k_ф1 , k_ф2, ... вони у сумі давали отримане вище орієнтовне значення поверхні конвекції (6.28). Методика підрахунку поверхні конвекції для ба­ків різних типів дана далі.

Значення коефіцієнтів k_ф1 , k_{ф2 ….} для поверхонь різної форми приведені в табл. 6.6.

При визначенні дійсних значень поверхонь випромінювання і конвекції для спроектованого баку може виявитися, що ці поверхні малі і не забезпечують потрібної тепловіддачі. В цьому випадку поверхня охолодження може бути збільшена шляхом збільшення чис­ла і (або) розмірів її елементів (хвиль, труб і т.д.) або висоти баку, але не його розмірів у плані.

Гладкий бак. Для гладкого баку поверхня випромінювання , яка дорівнює його зовнішній поверхні, дорівнює також поверх­ні конвекції .

Поверхня тепловіддачі, м²:

– для прямокутного баку

(6.36)

– для овального баку

(6.36а)

де А, В, Н – розміри баку за рис. 6,13, м;

– поверх­ня кришки баку;

0,5 – коефіцієнт для поверхні кришки, який ураховує закриття частини поверхні ізо­ляторами вводів ВН і НН і різною арматурою.

Бак із стінками у вигляді хвиль. Цей тип баку виготовляється з боковою стінкою, яка виконана із тонколистової сталі товщиною 0,8 – 1,0 мм, вигнутої у вигляді хвиль. Він зна­ходив широке застосування для трансформаторів потужністю у межах до 630 , але в свій час, біля 70 років тому назад, був замінений баком з охолоджувальними труба­ми, який має суттєво меншу кількість зварювальних швів. Прогрес у розвитку автоматичних методів звар­ки дозволяє знов звернутися до цієї конструкції.

В баках такого типу деякі іноземні фірми випускають трансформатори потужністю 100 630 з розширювачем або в герметичному виконанні без розширювача, повністю залиті маслом. При нагріві і охолодженні масла, зв’язаних із зміненням навантаження трансфор­матора і коливаннями температури охолоджувального повітря, всі змінення його об’єму компенсуються пружними деформаціями хвиль стінки.

На рис. 6.14 показана стінка овального баку трансфор­матора в вигляді хвиль і форма і розміри однієї хвилі. Звичайно при виборі основних розмірів стінки додержуються наступних співвідношень, які дають достатньо повне використання повітряного і масляного каналів хвилі:

відношення ширини повітряного каналу хвилі а до шири­ни масляного каналу с, а/с = 2,5; мінімальна ширина масляного каналу с = 10 мм; найбільша глибина

t

a

c

b

Рисунок 6.14 – Форма і основні розміри стінки баку з хвилями

хвилі b = 300 мм; висота хвилястої стінки на 0,1 м менше попередньо розрахованої глибини баку; товщина стінки = 0,8 – 1,0 мм.

Поверхня випромінювання стінки, м²,

(6.37)

Розгорнута довжина хвилі, м,

(6.38)

Крок хвилі стінки, м,

. (6.39)

Число хвиль:

(6.40)

Поверхня конвекції стінки, м²,

, (6.41)

де – коефіцієнт, який ураховує утруднення конвекції повітря у повітряних каналах хвиль і визначається за формулою

;

тут

Повна поверхня випромінювання баку, м²,

. (6.42)

Повна поверхня конвекції баку, м²,

, (6.43)

де – поверхня кришки баку, м²;

– поверхня верхньої рами баку, м²,

.

Бак з охолоджувальними трубами. Цей тип баку на протязі десятиріч широко застосовувався в трансформаторах потужністю до 1600 , але в останні роки був замі­нений більш технологічним типом баку з начіпними радіа­торами і прямими трубами. Слід, однак, мати на увазі, що коефіцієнт тепловіддачі стінки з трубами вище, а питомі витрати матеріалів нижче, ніж у радіатора з пря­мими трубами, і тому повернення до типу баку з трубами при можливому удосконаленні технології його виготовлення принципово не виключений.

Число рядів труб вибирається звичайно від одного до чо­тирьох в залежності від необхідної за розрахунком поверхні конвекції. Збільшення числа рядів труб вище чотирьох значно погіршує тепловіддачу внутрішнього ряду труб. Сусідні труби різних рядів розташовуються одна над іншою. Розташування труб у шахматному порядку менш вигідно, так як при цьому утруднюється рух повітря і зменшується тепловіддача. На рис. 6.15 показана одна із конструкцій стінки трубчатого баку. Всі труби мають радіус вигину R.

Труби можуть бути круглого перерізу або овального. Кроки труб у рядах t_т і між рядами t_р можуть бути різними. Застосування овальних труб дозволяє розмістити у ряду більше число труб і забезпечити нор­мальну тепловіддачу баку при одному-двох рядів труб там, де труби круглого перерізу приходиться розміщувати в два-три ряди.

Звичайно застосовуються труби круг­лого перерізу діаметром 51/48 мм з товщиною стінки 1,5 мм і овальні труби

d

a₁

a₂

t_p

R

R

Рисунок 6.15 – Елементи трубчатого баку

з розмірами поперечного перерізу мм при товщині стінки 1,5 мм. Зрівнювальні дані тих і других труб приведені в табл. 6.7. Ця ж таблиця дозволяє вибрати число рядів труб для трансформато­рів різних потужностей.

В останній час труби діамет­ром 51 мм іноді замінюються труба­ми діаметром 30 мм з товщиною стін­ки 1,2 мм. Така заміна дозволяє зменшити масу труб і масла в них і одночасно приблизно на 15 % збільшити тепловіддачу з одиниці по­верхні труби.

По (6.25) можна приблизно визначити глибину баку трансформато­ра від дна до кришки . Відстань між центрами отворів зовнішнього ряду труб b (b₂ на рис. 6.15) повинно бути менше H на суму відстаней с і е. Ці відстані залежать від конструкції верхньої рами баку, довжини прямої ділянки зовнішнього ряду труб а (а₂ на рис. 6.15), форми перерізу труби і метода приварки дна і верх­ньої рами до стінки баку.

Таблиця 6.7 – Дані круглих і овальних труб, які застосовуються в масляних силових трансформаторах

Форма труби	Розміри перерізу, мм	Товщина стінки, мм	Попереч­ний переріз в світлі, мм2	Поверх­ня 1 м, м2		Маса в 1 м, кг
						металу		масла в трубі
Кругла Овальна Кругла	51 30	1,5 1,5 1,2	1810 890 600	0,16 0,16 0,0942		1,82 1,82 0,845		1,63 0,79 0,54
Форма труби	Крок, мм		Радіус вигину, мм	Число рядів труб при потужності,
	між рядами	в ряду		63-160	250-630		1000-1600
Кругла Овальна Кругла	75 100 55	70 50 50	150 188 150	1 1 1	2 1 1		2-3 1-2 2-3

Після визначення основних розмірів баку і вибору форми перерізу труби і числа рядів труб визначаються розміри труб у всіх рядах і підраховуються поверхні випромінювання і конвекції баку трансформатора в наступному порядку.

Розміри поперечного перерізу труби, радіус закругле­ння, крок труб у ряду і крок між рядами визначаються за табл. 6.7. Пряма ділянка для внутрішнього ря­ду труб приймається рівним 50 мм. Далі визначаються: і т. д.

За табл. 6.8 при прийнятій формі перерізу труби по роз­міру зовнішнього ряду труб вибираються мінімальні зна­чення с і е. Потім знаходяться відстані між осями труб на стінці баку, починаючи з зовнішнього ряду труб (з номе­ром п).

Зовнішній ряд ;

другий ряд зовні ;

третій ряд .

Таблиця 6.8 – Мінімальні відстані вісі труби від дна і кришки баку для масляних силових трансформаторів. Труби круглого перерізу діаметром 51 мм (рис. 6.15)

а, мм	50-80	100-150	170-200	250-280
сmin	60	75	90	120
emin	70	85	100	130

Примітка. Для труб овального перерізу мм при тих же роз­мірах а значення с_min і e_min , знайдені із таблиці, збільшити на 10 мм,

Розгорнута довжина труби в кожному ряду:

– перший (внутрішній) ряд

;

– другий ряд

;

– третій ряд

і т.д.

При виведенні цих формул прийнято . .

Число труб в одному ряду на поверхні баку овальної форми

. (6.44)

Поверхня випромінювання баку з трубами

(6.45)

де d – діаметр круглої труби або більший розмір попе­речного перерізу овальної труби, мм.

Поверхня конвекції баку:

, (6.46)

де і – коефіцієнти, які визначають за табл. 6.6;

– поверхня конвекції гладкого баку і кришки за (6.36), м²;

– поверхня конвекції труб, м²,

(6.47)

тут – поверхня 1 м труби за табл. 6.7, м².

Якщо , знайдена за (6.46), дорівнює або трохи більше необхідної поверхні конвекції, знайденої за (6.30), то слід переходити до розрахунку перевищення температури обмоток і масла трансформатора над повітрям по § 6.7. Якщо отримана поверхня конвекції менше не­обхідної або суттєво більше її, слід провести відповідне коректування розмірів баку або труб і потім переходити до розрахунку перевищення температури. Збільшення поверхні може бути отримане за рахунок збільшення прямої ділянки усіх рядів труб на 50 – 70 мм, висоти баку, числа труб в ряду або числа рядів труб. Зменшення поверхні може бути досягнуте шляхом зменшення висоти баку, числа рядів труб або числа труб в ряду.

Бак з начіпними радіаторами. Охолоджувальна поверх­ня баку з радіаторами створюється головним чином розгорнутою поверхнею радіатора. Ця конструкція дозволяє отримати значно великі поверхні охолодження, ніж конструкція трубчатого баку при однако­вих внутрішніх його розмірах. Число радіаторів і їх розташування визначаються необхідною поверхнею охолодження і необхідністю отримати найменший загальний габарит баку.

Конструкція радіатора звичайно складається з двох колекторів – прямокутних або іншої форми, тобто стальних коробок, в які вварюються своїми верхніми і ниж­німи кінцями труби або хвилі. Радіатор фланцями своїх колекторів приєднуються до баку трансформатора. Можливе застосування труб або хвиль різної форми і розмірів і різні способи сполучення їх з колекторами. Начіпний радіатор з прямими трубами при природному руханні охолоджувального повітря знаходить застосування в широкому діапазоні потужностей трансформаторів – від 100 до 6300 . Прямі труби круглого або оваль­ного перерізу вварюються своїми кінцями в нижній і верхній колектори радіатору (рис. 6.16). Вісі колекторів розміщуються тангенціально по відношенню до поверх­ні стінки баку.

Ці радіатори випускаються з одним рядом труб – 7 труб у ряду і з двома рядами – 20 труб у ряду. Основні дані радіаторів приведені в табл. 6.9. Для радіатора з одним рядом труб розміри В і С дорівнюють 354 і 158 мм (рис. 6.16), для радіатора с двома рядами труб – 505 і 253 мм відповідно.

У виготовлені бак з радіаторами цього типу має переваги перед баком з трубами, оскільки відпадає не­обхідність у вигині труб і свердлінні або штампуванні отворів під труби в заготовці стінки баку, виникає можливість заміни ручної зварки труб із стінкою баку автоматичною зваркою труб з колекторами і, головне, можливість виділити виготовлення радіаторів в окреме самостійне виробництво.

Радіатори цього типу можуть закріплятися до баку привар­кою патрубків колектора до стінки баку (100 – 250 ) або з допомогою рознімного з’єднання на фланцях (100 – 6300 ).

C

B

60

A

Рисунок 6.16 – Трубчатий радіатор з прямими трубами

Таблиця 6.9 – Основні дані трубчатих радіаторів з прямими трубами за рис. 6.16

Розмір А, мм	Поверх­ня Пк,тр м2	Маса, кг		Розмір А, мм	Поверх­ня Пк,тр м2	Маса, кг
		сталі	масла			сталі	масла
З одним рядом труб				1400	4,333	53,94	46
710	0,746	12,9	8,5	1615	4,961	67,14	53
900	0,958	.15,35	10,9	1800	5,613	73,94	57
З двома рядами труб
				2000	6,253	81,98	64
710	2,135	34,14	24
				2200	6,893	89,18	72
900	2,733	41,14	30
1150	3,533	50,14	38	2400	7,533	95,68	78

Примітки: 1. П_к,тр – поверхня конвекції труб; П_к,к – поверх­ня конвекції двох колекторів, дорівнює 0,15 м² при одному ряді труб і 0,34 м² при двох рядах.

2. Мінімальні відстані осей фланців радіатора від нижнього і верхнього зрізів стінки баку с₁ і с₂ – відповідно 0,085 і 0,10 м.

Головним недоліком радіаторів з прямими трубами є утруднення руху охолоджувального повітря у горизонтальних колекторів (рис. 6.16) і зменшення питомої тепловіддачі з одиниці поверх­ні при заданій різниці температур поверхні радіатора і охолоджувального повітря. Це зменшення тепловіддачі ураховується в коефіцієнті k_ф, , який визначається за табл. 6.6 для поверхонь різної форми.

Конструкція радіатора з прямими трубами показана на рис. 6.16, довідникові дані по ряду радіаторів приведе­ні в табл. 6.9.

Начіпні радіатори з охолоджувальними трубами, вигнутими в тій же формі, що і труби, які вварюються в стінку баку, використовуються як при природному руханні охолоджувального повітря (вид охолодження М), так і при його примусовому руханні (вид охолодження Д). Для дуття, тобто для прискорення рухання повітря в кожному радіаторі встановлюються вентилятори (див. рис. 6.6).

На рис. 6.17, а показані принципіальна конструкція і основні розміри подвійного трубчатого радіатора, який широко застосовується у трансформаторах потужністю від 2500 до 63 000 .

1250

11

R=150

710

50

1507=1050

R=150

a)

б)

75

500

110

Рисунок 6.17 – Трубчатий радіатор з гнутими трубами:

а – подвійний радіатор з числом труб ; б – одинарний радіатор з числом труб

Радіатор складається із чотирьох рядів круглих труб, по 16 труб в ряду, вигнутих по кінцям подібно трубам трубчатого баку і вварених в два прямокутних колектора. Колектори на торцях споряджені двома круглими патрубками з фланцями, які слу­жать для приєднання радіатора до баку трансфор­матора. При цьому колектори розташовуються радіально по відношенню до поверхні баку. В радіаторах цієї конст­рукції застосовуються ті ж труби круглого перерізу, що і в трубчатих баках, з тими ж діаметром, товщиною стін­ки, поверхнею і масою 1 м, радіусом закруглення, кроком труб в ряду і між рядами (див. табл. 6.7).

Радіатори застосовуються як подвійні описаної конст­рукції з чотирма рядами труб, так і одинарні з дво­ма рядами труб, тільки з одної сторони колекторів (рис. 6.17, б). Колектори одинарних радіаторів розташовуються тангенціально до поверхні баку. Випускаються радіатори декількох розмірів, які відрізняються тільки загальною довжиною, яка характеризується відстанню А між осями патрубків, призначених для приєднання радіатора до баку трансформатора. Основні дані нормальної серії оди­нарних і подвійних радіаторів приведені в табл. 6.10. Ви­пускаються також подвійні радіатори з числом труб в ряду 18, 20 і 22. Радіатори описаної конструкції добре зарекомен­дували себе в експлуатації, питома тепловіддача з їх поверхні вище, ніж у радіатора з прямими трубами, але конструкція прямотрубного радіатора, за думкою техно­логів, більш технологічна.

При тепловому розрахунку баку з начіпними радіаторами попередньо за (6.35а) приблизно визначається поверхня випромінювання баку стосовно до основних роз­мірів баку. Потім за (6.30) розраховується необхідна поверхня конвекції і за даними табл. 6.9 або 6.10 підбираються відповідні число і розміри одинарних або подвійних трубчатих радіаторів. При цьому поверхні конвекції гладкого баку і кришки підраховуються для реальних розмірів баку, а поверхні конвек­ції труб і колекторів радіаторів знаходяться за табл. 6.9 і 6.10.

Таблиця 6.10 – Основні дані трубчатих радіаторів за рис. 6.17

Розмір А, мм	Одинарний радіатор			Подвійний радіатор
	Пк,тр м2	, кг	Gм, кг	Пк,тр м2	, кг	Gм, кг
1880 2000 2285 2485 2685 3000 3250 3750 4000 4250	11,45 12,1 13,55 14,55 15,6 17,2 18,45 21,0 22,3 24,6	205 215 236 249 264 285 302 337 352 373	161 169 184 194 204 219 232 258 269 284	22,9 24,15 27,05 29,1 31,15 34,35 36,9 42,0 44,6 47,2	380 401 442 468 499 540 575 644 675 716	276 291 321 341 362 393 418 469 492 521

Примітка. Поверхня колектора П_к одинарного радіатора 0,72, подвійного 0,66 м²; – маса радіатора без масла; – маса масла в радіаторі.

При підборі розмірів радіаторів слід ураховувати, що мінімальна відстань від дна або кришки баку до горизонтальної вісі найближчого патрубку радіаторів за рис. 6.17 повинно бути не менше 170 мм і, отже, розмір А радіатора (див. рис. 6.13) повинен задовольняти нерівності А ≤ Н– 0,34 м. Для радіатора з прямими трубами ці розміри приймаються за рис. 6.16. При розташуванні радіатора на баці слід оставляти мінімаль­ні проміжки між трубами сусідніх радіаторів; при паралельному розташуванні колекторів —160 мм для подвійних і 100 мм для одинарних радіаторів; при розміщенні колекторів під кутом – 100 мм для подвійних і 70 мм для одинарних радіаторів. Повна поверхня конвекції баку з радіаторами визначається за (6.48) і повинна дорівнювати поверхні, знайденої за (6.30), або декілька перевищувати її. Якщо при повному використанні бокової поверхні баку для розміщення подвійних раді­аторів поверхня конвекції виявляється недостатньою, слід переходити від природного охолодження до дуття:

. (6.48)

Коефіцієнти k_ф, які ураховують форму поверхні і умови тепловіддачі, можуть бути прийняті за табл. 6.6. Після остаточного розміщення радіаторів на баці по­верхня випромінювання уточнюється по реальним розмірам баку і радіаторів.

6.7 Остаточний розрахунок перевищень температури обмоток і масла

Після остаточного встановлення розмірів баку і визначення поверхонь випромінювання і конвекції необхідно підрахувати дійсні перевищення темпера­тур обмоток і масла над температурою повітря. Підрахунок проводиться для втрат, які підвищені на 5 % проти розрахункового значення Р_х+Р_к при індивідуальному розрахунку і на 10% проти гарантованого значення Р_х+Р_к при розрахунку серії.

Середнє перевищення температури стінки баку над тем­пературою навколишнього повітря:

, (6.49)

де k = 1,05 – 1,10.

Середнє перевищення температури масла поблизу стінки над температурою стінки баку може бути приблизно підраховане за дослідною формулою, аналогічно (6.19):

Θ_м,б ≈ k₁∙0,165 , (6.50)

де ΣП_K – сума поверхонь конвекції гладкої частини труб, хвиль, кришки без урахування коефіцієнтів поліпшення або погіршення конвекції;

k₁ – коефіцієнт, який дорівнює 1,0 при природному масляному охолодженні і 0,9 при охолодженні з дуттям.

Перевищення температури масла у верхніх шарах над температурою навколишнього повітря:

. (6.51)

Коефіцієнт для трубчатих баків і баків з радіа­торами може бути прийнятим рівним 1,2.

Перевищення температури обмоток над температурою навколишнього повітря підраховується для обмоток ВН і НН окремо:

. (6.52)

Перевищення температури масла у верхніх шарах і об­моток над температурою навколишнього повітря, які підраховані за (6.51) і (6.52), не повинні бути більше допустимих для масляних трансформаторів за стандартом або технічними умовами (завданню на розрахунок). При отриманні більш високих значень Θ_м,в,п або Θ_о,п слід збільшити поверхню охолодження баку. При отриманні Θ_м,в,п і Θ_о,п , знижених проти нор­ми більш ніж на 5°С, поверхня охолодження баку повинна бути відповідно зменшена.

6.8 Приблизне визначення маси конструктивних матеріалів і масла трансформатора

Маса активних матеріалів трансформатора з доста­тньою точністю визначається при його розрахунку. Точні маси конструктивних і інших матеріалів і масла трансформатора можуть бути знайдені тільки після досконалої розробки його конструкції. Однак в процесі розрахунку може виникнути необхідність у приблизному визначенні цих мас для оцінки економічності різних варіантів розрахунку.

Маса конструктивної сталі остова може бути при­близно прийнята 0,1 сумісної маси проводу обмоток і сталі магнітної системи. Маса картону в ізоляції об­моток залежить від потужності і класу напруги транс­форматора. Із зростанням потужності відносна маса кар­тону зменшується. Для трансформаторів з мідними об­мотками можна прийняти масу картону 0,12 – 0,15 маси проводу при класах напруги 6, 10, 35 кВ і 0,35 – 0,3 при класі напруги 110 кВ. Для алюмінієвих обмо­ток відносна маса картону збільшується в 2,4 рази.

Маса активної частини, тобто остова з обмотками і відводами (але без кришки), може бути приблизно визначена за формулою:

.

Маса бака визначається за звісною із теплового розрахунку поверхні баку і поверхні кришки з урахуванням товщини стінок, кришки і дна баку і щільності сталі γ_ст = 7850 кг/м³. Маса охолоджувальних труб знаходиться по їх загальній довжині і масі 1 м (див. табл. 6.7); маса ра­діаторів – за табл. 6.9 і 6.10.

Для визначення маси масла необхідно знати внут­рішній об’єм V_б гладкого баку і об’єм, який займає ак­тивна частина V_a,ч. Для визначення V_a,ч можна скористуватися приблизною формулою V_a,ч = G_a,ч / γ_a,ч , де серед­ня щільність активної частини γ_a,ч = 5500 – 6000 кг/м³ для трансформаторів з мідними обмотками і γ_a,ч = 5000 – 5500 кг/м³ для трансформаторів з алюмінієвими обмот­ками.

Загальну масу масла можна визначити за формулою:

,

де 1,05 – коефіцієнт, який ураховує масу масла в розширювачі;

G_м,эл – маса масла в елементах системи охолодження: трубах або радіаторах.

Маса масла в трубах визначається за їх загальною довжиною і масою масла в 1 м (див. табл. 6.7), маса масла в ра­діаторах – за табл. 6.9 і 6.10. Об’єм розширювача звичайно складає біля 0,1 загального об’єму масла.