22.4. Тепловой режим трансформаторов

Системы охлаждения масляных транс­форматоров. Потери мощности в транс­форматоре пропорциональны его мощ-

ности в степени 3/4, а поверхность охлаждения пропорциональна мощности в степени 1/2. Следовательно, по мере увеличения мощности трансформатора потери мощности увеличиваются быст­рее, чем поверхность охлаждения.

Для трансформаторов небольшой и средней мощности применяют систему охлаждения М с естественной циркуля­цией воздуха и масла. Такие транс­форматоры (рис. 22.15) имеют прива­ренные к баку вертикальные трубы или съемные радиаторы, в которые нагретое масло поступает из верхней части бака. Двигаясь вниз по трубам, омываемым

воздухом, масло охлаждается и посту­пает в нижнюю часть бака.

Для мощных трансформаторов ес­тественное масляное охлаждение оказы­вается недостаточным. Применение по­лучила система охлаждения Д с естест­венной циркуляцией масла и принуди­тельной циркуляцией воздуха с по­мощью вентиляторов, пристроенных к баку (рис. 22.16).

У самых мощных трансформаторов боковая поверхность бака оказывается недостаточной для размещения необхо­димого числа радиаторов. Поэтому переходят к системе охлаждения Ц с принудительной циркуляцией масла и воды или к системе охлаждения ДЦ с принудительной циркуляцией масла и воздуха. С помощью насосов масло прокачивают через охладители, в кото­рых оно в первом случае охлаждается водой (рис. 22.17, а), а во втором — воз­духом (рис. 22.17,6). Охлаждение водой более эффективно, чем воздухом: стои­мость охладительной системы Ц ниже и расход энергии меньше. Кроме того, температура охлаждающей воды в теп­лое время года ниже температуры воз­духа. Однако система масловодяного охлаждения применима лишь там, где имеется источник водоснабжения, на­пример на тепловых станциях и в осо­бенности на гидростанциях.

Стандартом ГОСТ 14209—85 уста­новлены следующие температуры и пре­вышения температуры частей трансфор­матора при номинальных условиях.

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой ох­лаждающей среды :

для трансформаторов с си­стемами охлаждения М и Д 55 °С

для трансформаторов с си­стемами охлаждения Ц и ДЦ 40 °С

Превышение температуры обмотки в наиболее нагретой точке над темпе­ратурой масла

для трансформаторов с си­стемами охлаждения М и Д 23 °С

для трансформаторов с си­стемами Охлаждения Ц и ДЦ 38 °С

Номинальная температура охлажда­ющей среды (воздух, вода)

Базисная условная температура об­мотки в наиболее нагретой точке, при которой износ изоляции класса А ра­вен единице, что соответствует сроку службы трансформатора,

На рис. 22.18 показана упрощенная схема распределения превышения тем­пературы масла и обмоток по высоте трансформатора. Здесь — превышениетемпературы масла в верхних слоях над температурой охлаждающей, среды; — превышение температуры об­мотки в наиболее нагретой точке над температурой масла. Наиболее нагретая точка обмотки может быть расположена на различных расстояниях от верхнего края обмотки.

Температура обмотки в наиболее нагретойточке:

Превышение температуры масла и обмотки в установившемся состоянии.

Превышение температуры масла в уста­новившемся состоянии при относитель­ной нагрузке может быть определено из выражения

где — отношение потерь

короткого замыкания к потерям холос­того хода при номинальной нагрузке.

Превышение температуры обмотки в наиболее нагретой точке над темпе­ратурой масла в верхних слоях при относительной нагрузке К в установив­шемся состоянии может быть определе­но из выражения

где— превышение температуры

обмотки в наиболее нагретой точке над температурой масла при номинальной нагрузке.

Значения показателей х и у в выра­жениях (22.14) и (22.15) зависят от си­стемы охлаждения, а именно:

Зависимости превышений температу­ры и в установившемся состоя­нии от нагрузки К при d = 5 приведены на рис. 22.19. Эти кривые используются ниже при вычислении превышений тем­пературы в переходных режимах.

Превышение температуры масла и обмотки в переходном режиме. Суточный график нагрузки трансформатора мо­жет быть представлен ступенчатым, с нагрузками K₁, К₂, ..., К_n и продол­жительностью ступеней

(рис. 22.20). Соответственно должна изменяться тем­пература масла и обмотки. Чтобы оп­ределить график превышения темпера­туры масла над температурой охлаж­дающей среды, необходимо задаться начальным значением для первойступени и определить конечные значе­ния для каждой ступени, начиная от первой до последней из сле­дующих выражений:

где— превышения тем-

пературы масла над температурой ох­лаждающей среды в установившемся состоянии при нагрузках K₁, К₂, ..., К_n. Эти значения могут быть определены по соответствующим кривым на рис. 22.19;— тепловая постоянная вре­мени трансформатора. Она должна быть принята по указанию завода изготови-теля. При отсутствии этих данных сле­дует принять:ч для трансформа-

торов с системой охлаждения М или Д и= 2 ч для трансформаторов с систе­мой охлаждения Ц или ДЦ.

Превышение температуры масла на последней ступени должно равняться начальному значениюОднако, какправило, это не имеет места (начальное превышение обычно выбрано невер­но). Поэтому необходимо задаться но­вым значением и повторить расчет. Такие вычисления должны быть продол­жены до- тех пор, пока не будетравно

Рассматриваемая задача по опреде­лению превышений температуры масла для каждой ступени суточного графика может быть решена проще [22.4], в осо­бенности для трансформаторов с систе­мами охлаждения Ц и ДЦ, у которых превышение температуры масла являет­ся линейной функцией мощности по­терь, т. е. в формуле (22.14) показатель степени х = 1.

Начальное превышение температуры масла при t = 0 может быть определе­но из выражения

где— номер ступени;п — чис-

ло ступеней; t_i — время от начала отсче­та.

Превышение температуры масла θ’_i в конце ступени с нагрузкой K_i может быть определено из выражения

За начало отсчета можно принять любую точку. После того как опреде­лены превышения температуры масла в конце каждой ступени, можно опреде-

лить промежуточные значения в любой точке графика из выражения (см. § 4.5)

Превышение температуры обмотки в наиболее нагретой точке над темпе­ратурой масла для каждой ступени су­точного графика может быть определе­но по соответствующим кривым на рис. 22.19. Тепловая постоянная време­ни обмотки мала, так как обмотка хорошо охлаждается и теплоемкость ее мала. Поэтому можно принять, что при изменении нагрузки превышение темпе­ратуры обмотки над температурой мас­ла сразу приобретает установившееся значение. Таким образом, превышение температуры обмотки над температу­рой охлаждающей среды может быть определено суммированием орди­нат кривых и Порядок расчета показан ниже.

Хотя выражения (22.17) и (22.18) по­лучены для трансформаторов с система­ми охлаждения Ц и ДЦ, у которых превышение температуры масла явля­ется линейной функцией мощности по­терь (x = 1), они могут быть использо­ваны в качестве приближенных выраже­ний для определения превышения тем­пературы масла в трансформаторах с системами охлаждения М и Д (х = 0,9). Более точные выражения для этих транс­форматоров [22.5] приведены ниже:

где

Здесь

— корректированная тепловая посто­янная времени для ступени относительное превышение температуры масла в установившемся состоянии для ступени — то же, но для сту-

пени — относительная мощ-

ность потерь для ступени

то же, но для ступени

— мощность потерь на сту­пени— продол­жительность ступени i.

Порядок расчета показан на следу­ющем примере.

превышения температуры обмотки над температурой охлаждающей среды при одинаковой нагрузке в трансформа­торах с системами охлаждения Ц и ДЦ выше, чем в трансформаторах с систе­мами М и Д, что особенно заметно в часы пик.