Тепловой расчет трансформатора

Тепловой расчет трехфазного трансформатора и расчёт системы охлаждения:

• поверочный тепловой расчет обмоток;

• расчет системы охлаждения (бака, радиаторов, охладителей);

• превышение температуры обмоток и масла над воздухом.

По данным трёхфазного двухобмоточного маслянного трансформатора производится тепловой расчет обмоток и бака.

Тепловой расчет обмоток.

Внутренний перепад температуры:

Обмотка НН

где

 - толщина изоляции провода на одну сторону;

q₁ – плотность теплового потока на поверхности обмотки НН;

_из – теплопроводность бумажной, пропитанной маслом изоляции провода по табл. 6.

Обмотка ВН

.

Таблица 6. Удельные теплопроводности  изоляционных и других материалов.

Материал	, Вт/(м ∙0С)
Бумага кабельная сухая Бумага кабельная в масле Бумага кабельная, пропитанная лаком Электроизоляционный картон Лакоткани электроизоляционные Гетинакс Текстолит Стеклотекстолит Лак бакелитовый и другие лаки Масло при отсутствии конвекции Электротехническая сталь в пакетах: вдоль пластин поперек пластин Нагревостойкое покрытие стали Медь Алюминий	0,12 0,17 0,17 0,17 0,25 0,17—0,175 0,146—0,162 0,178—0,182 0,3 0,1 22,3 4,75—4,85 0,8 390 226

Перепад температуры на поверхности обмоток:

обмотка НН

где k₁=1 для естественного масляного охлаждения;

k₂=1,1 для внутренней обмотки НН;

k₃=0,85 по табл. 5 для h_k/а₁ = 5/30.

обмотка ВН

где k₁=1 для естественного масляного охлаждения;

k₂=1,0 для наружной обмотки ;

k₃=0,95 по табл. 5 для h_k/а₂ = 5/41.

Таблица 7. Значения коэффициента k₃

hk/а	0,07-0,08	0,08-0,09	0,1	0,11-0,12	0,13-0,14	0,15-0,19	0,2 и более
k3	1,10	1,05	1,0	0,95	0,90	0,85	0,80

Полный средний перепад температуры от обмотки к маслу:

обмотка НН

;

обмотка ВН

.

Тепловой расчет бака

По табл. 6 в соответствии с мощностью трансформатора выбираем конструкцию гладкого бака с радиаторами с гнутыми трубами по рис. 8 . Минимальные внутрен­ние размеры бака - по рис. 9.

Таблица 8. Типы баков силовых масляных трансформаторов

Тип бака	Рисунок	Вид охлаждения	Пределы приме­нения по мощ­ности, кВ· А
Бак с гладкими стенками	—	М	До 25—40 кВА
Бак со стенками в виде волн	1 [1]	М	От 40—63 до 630
Бак с вваренными охлаждаю­щими гнутыми трубами (труб­чатый)	9 [1]	М	От 40—63 до 1600
Бак с навесными радиаторами с гнутыми трубами	18	М	От 100 до 6300
Бак с навесными радиаторами с гнутыми трубами	20	М	От 2500 до 10000
Бак с навесными радиаторами с гнутыми трубами с дутьем	3 [1]	Д	От 10000 до 80000
Бак с охладителями с принуди­тельной циркуляцией масла и с дутьем	__	ДЦ	От 63000 и выше

Изоляционные расстояния отводов определяем до прессующей балки верхнего ярма и стенки бака. До окончательной разработки кон­струкции внешние габариты прессующих балок принимаем равными внешнему габариту обмотки ВН.

Рис. 1.

Минимальная ширина бака по рис. 9.

Изоляционные расстояния:

s₁=28 мм (для отвода U_исп=35 кВ, изоляционное расстояние от неизолированного отвода ( или изолированного ) до стенки бака по [1] );

s₂=22 мм (для отвода U_исп = 35 кВ, изоляционное расстояние от неизолированного отвода ( или изолированного ) до собственной обмотки ВН по [1] );

s₃=22 мм (для отвода U_исп = 5 кВ, без покрытия, изоляционное расстояние от отвода НН до стенки бака по [1]);

s₄=33 мм (для отвода U_исп = до 35 кВ, для обмотки U_исп =35 кВ, изоляционное расстояние от неизолированного отвода обмотки НН до обмотки ВН по [1] );

d₁ – размер неизолированного отвода НН (шины), равный 10-15 мм;

d₂ – диаметр изолированного отвода обмотки ВН при U=(10-35)кВ;

d₂ = 20 мм при мощностях до 10000 кВА.

Рис. 2.

Таблица 9. Минимальные допустимые изоляционные расстояния от отводов до заземлённых частей

Испытательное напряжение отвода, кВ	Толщина изоляции на одну сторону, мм	Диаметр стержня, мм	Расстояние от гладкой стенки бака или собственной обмотки, мм			Расстояние от заземлённой части острой формы, мм
			sИ	sК	s	sИ	sК	s
ДО 25	0	<6	15	10	25	15	5	20
	0	>6	12	10	22	12	5	17
	2	-	10	10	20	10	5	15
35	0	<6	23	10	33	20	5	25
	0	>6	18	10	28	17	5	22
	2	-	10	10	20	12	5	17
45	0	<6	32	10	42	28	5	33
	0	>6	27	10	37	25	5	30
	2	-	15	10	25	18	5	23
55	0	<6	40	10	50	33	5	38
	0	>6	35	10	45	32	5	37
	2	-	22	10	32	25	5	30
85	2	-	40	10	50	45	5	50
	4	-	30	10	40	37	5	42
	6	-	25	10	35	35	540
100	5	-	40	10	50	45	10	55
200	20	12	75	20	95	160	10	170*
	20	12	75	20	95	105	10	115**

Примечания: * - заземлённая часть не изолирована ** - заземлённая часть изолирована щитом из электроизоляционного картона толщиной 3 мм.

Таблица 10. Минимальные допустимые изоляционные расстояния от отводов до заземлённых частей.

Испытательное напряжение		Толщина изоляции на одну сторону, мм	Изоляционное расстояние отвода sи, мм		Суммарный допуск sк, мм	Минимальное расчётное расстояние s, мм
Обмотки	Отвода		До входных катушек	До основных катушек		До входных катушек	До основных катушек
До 25	До 25	Нет	-	15	10	-	25
		2	-	10	10	-	20
35	До 35	Нет	-	23	10	-	33
		2	-	10	10	-	20
55	До 35	Нет	-	40	10	-	50
		2	-	20	10	-	30
85	До 35	Нет	-	50	10	-	90
		2	-	40	10	-	50
200	До 200	3	205	230	20	225	250
		6	150	170	20	170	190
200	200	8	125	140	20	145	160
		20	80	90	15	95	105

Ширина бака

В=0,532+( 28+22+20+22+33+10)∙10^-3=0,667 м.

Принимаем В=0,70 м при центральном положении активной части трансформатора в баке.

Длина бака

А=2С +В=2∙0, 0.55+0,70=1,8 м.

В ысота активной части

где высота стержня 0,683 м; высота ярма 0,31 м и толщина бруска между дном бака и нижним ярмом, n = 3050 мм.

Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака при горизонтальном расположении над ярмом переключателя ответвлений обмотки ВН по табл. 32

Глубина бака

Для развития должной поверхности охлаждения целесообразно использовать двойные радиаторы с гнутыми трубами по рис. 20 с расстояниями между осями фланцев А_р=1880 мм (табл. 35), с поверхностью труб П_тр=22,9 м² и двух коллекторов П_к.к=0,66 м².

Таблица 11. Минимальные расстояния от ярма до крышки бака

Класс напряжения обмотки ВН, кВ	Минимальное расстояние, мм	Примечание
6, 10	160	-
20	300	-
35	400	При переключателе ответвле­ний, расположенном горизон­тально между ярмом и крыш­кой бака
110	500	При классе напряжения ПО кВ вводы ВН располагаются меж­ду ярмом и стенкой бака

Для установки этих радиаторов глубина бака должна быть принята:

Н_б=А_р+с₁ +с₂ = 1,88 + 0,085 + 0,1 = 2,065 2,1 м,

где с₁ и с₂ – минимальные расстояния осей фланцев радиатора от нижнего и верхнего срезов стенки бака соответственно 0,085 и 0,1 м.

Таблица 12. Основные данные трубчатых радиаторов с прямыми трубами по рис. 8

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

Допустимое превышение средней температуры масла над температурой окружающего воздуха для наиболее нагретой обмотки НН

.

Найденное среднее превышение может быть допущено, т.к превышение температуры масла в верхних слоях в этом случае будет

Принимая предварительно перепад температуры на внутренней поверхности стенки бака _м.б=5^оС и запас 2⁰С, находим среднее превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха

_б.в = _м.в- _м.б=42-5-2=35^оС.

Для выбранного размера бака рассчитываем поверхность конвекции гладкой стенки бака

Ориентировочная поверхность излучения бака с радиаторами по

П_И=kП_к.гл = 1,5∙9,24 = 13,86 м²,

где k=1,5-2 для бака с навесными радиаторами.

Ориентировочная необходимая поверхность конвекции для задан­ного значения _б.в=35 °C

Поверхность конвекции составляется из:

поверхности гладкого бака

П_к.гл =9,24 м²;

поверхности крышки бака

где 0,16 — удвоенная ширина верхней рамы бака;

коэффициент 0,5 учи­тывает закрытие поверхности крышки вводами и арматурой.

Поверхность конвекции радиаторов

∑П_кр = П'_к – П_к.гл – П_к.кр= 117,24 – 9,24 – 0,76 = 107,24м².

Поверхность конвекции радиатора, приведенная к поверхности гладкой стенки [1];

П_к.р=k_фП_к.тр+П_к.к = 1,4∙22,9+0,66 = 32,72м²,

где k_ф определяется по [1];

П_к.тр определяется [1];

П_к.тр - поверхность конвенции труб;

П_к.к - поверхность конвенции двух коллекторов, равная 0,66 м² при двух рядах труб.

Таблица 13. Значения коэффициента k_ф для труб диаметром 51 мм и овальных 20x72 мм

Примечание. Для труб диаметром около 30 мм k_{ф ,} полученный из таблицы, умножить на 1,15

Рис. 3

Таблица 14. Основные данные трубчатых радиаторов по рис. 3.

Размер А, мм	Одинарный радиатор			Двойной радиатор
	Пк тр, м2	Gст, кг	Gм, кг	Пк тр, м2	Gст, кг	Gм, кг
1880	11,45	205	161	22,9	380	275
2000	12,1	215	169	24,15	401	291
2285	13,55	236	184	27,05	442	321
2485	14,55	249	194	29,1	468	341
2685	15,6	264	204	31,15	499	362
3000	17,2	285	219	34,35	540	393
3250	18,45	302	232	36,9	575	418
3750	21,0	337	258	42,0	644	469
4000	22,3	352	269	44,6	675	492
4250	24,6	373	284	47,2	716	521

Примечание. Поверхность коллектора П_к одинарного радиатора 0,72

двойного 0,66 м²; G_ст – масса радиатора без масла, G_м - масса масла в радиаторе.

Необходимое число радиаторов

П_р=∑П_к,p/ П_кp=107,24 / 32,723,3_;

Принимаем 4 радиатора.

Поверхность конвекции бака

П_к=∑П_к.р+П_к.гл+ П_к.кр =4∙32,72+9,24+0,76 =140,9 141м².

Поверхность излучения принимаем :

П_И= 14 м².

Определение превышений температуры масла и обмоток над температурой охлаждающего воздуха.

Среднее превышение температуры наружной поверхности трубы над температурой воздуха

Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой внутренней поверхности стенки трубы

Превышение средней температуры масла над температурой воз­духа

.

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой воздуха

Превышение средней температуру обмоток над температурой воз­духа:

Н Н

В Н

Превышение температуры масла в верхних слоях и обмоток

лежат в пределах допустимого нагрева по ГОСТ 11677-85.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Способы охлаждения и их эффективность?

2. Нормы нагрева отдельных элементов трансформаторов?

3. Влияние нагрева трансформатора на качество изоляции?

4. Какие допущения превышения температуры масла?

5. Как выбираются радиаторы?