Основы расчета теплового состояния трансформатора

Тепловой расчет обмоток сводится к поверочному определению перепадов температуры внутри обмоток и на их поверхности для принятой конструкции и размеров обмотки.

Тепловой расчет бака отличается тем, что сама конструкция бака зависит в первую очередь от того теплового потока, который должен быть отведен с поверхности бака в окружающий воздух, и лишь во вторую очередь определяется требованиями механической прочности. Поэтому при тепловом расчете бака сначала рассчитывается допустимое среднее превышение температуры стенки бака над окружающим воздухом, затем по требуемой теплоотдаче приближенно определяется его охлаждаемая поверхность, затем подбираются размеры и число конструктивных элементов, образующих эти поверхности, - гладких стенок, труб, волн, охладителей, и, наконец, производится поверочный расчет превышения температуры стенок бака и масла над окружающим воздухом. При получении превышений температуры, отличающихся от допустимых, производится корректировка охлаждающей поверхности путем увеличения или уменьшения числа или размеров конструктивных элементов - труб, охладителей и т. д.

Основной причиной, вызывающей нагревание трансформатора при работе, являются потери, возникающие в обмотках и магнитопроводе. В силовых трансформаторах общетехнического назначения наиболее нагретыми обычно являются обмотки. Квантитативной оценкой количества тепла, выделяемого той или иной обмоткой, может служить плотность теплового потока, т. е. количество тепла, выделяемого с единицы поверхности охлаждения данной обмотки.

Плотность теплового потока для одно- и двухслойной обмоток из прямоугольного провода и многослойной обмотки из круглого провода, Вт/м2:

(1)

где Pосн - основные потери в данной обмотке, Вт;д - коэффициент добавочных потерь;

Похл - поверхность охлаждения, м2.

Тепловой расчет отдельных элементов и в целом трансформатора принято вести в так называе­мом превышении температуры q того или иного элемента над температурой окружающей среды. При сопоставлении значений температуры двух элементов часто используется термин перепад температуры.

Внутренний перепад температуры в обмотках из прямоугольного провода с обтеканием проводника маслом со всех сторон (винтовые, катушечные, одно- и двухслойные) определяется по найденной плотности теплового потока, толщине и теплопроводности изоляции проводни­ка, °С:

, (2)

где q - плотность теплового потока обмотки, Вт/м2;

d - толщина изоляции проводника на одну сторону (0,25·10-3 м);

lиз - теплопроводность изоляции, для хлопчатобумажной пряжи можно принять 0,27 Вт/(м×оС).

Средний перепад температуры обмотки, оС:

qо.ср = qо. (3)

Внутренний перепад температуры в обмотке, оС:

(4)

где р - внутренний перепад температуры определяющийся потерями, в 1 м3 объема обмотки, Вт/м3.- радиальный размер катушки, при разделении катушки на части - толщина наиболее широкой катушки, мм;

lср - средняя теплопроводность обмотки, Вт/(м×оС).

Средний перепад температуры в многослойных обмотках:

qо.ср = 2/3qо. (5)

Перепад температуры на поверхности обмоток (перепад «обмотка - масло») для одно- и двухслойных обмоток из прямоугольного провода и многослойных обмоток из круглого провода, оС:

qо.м = 0,285q0,6, (6)

Среднее превышение температуры обмотки над маслом, оС,

qо.м.ср = qо.ср+qо.м, (7)

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающей среды, °С,

(8)

где Рк, Ро - соответственно потери к. з. и х. х., Вт;

Пи, Пк - поверхности излучения и конвекции, м2 .

Перепад температуры «масло - бак», оС,

, (9)

где k = 1 при отсутствии радиаторов; k =0,9 при охлаждении с обдувом;

åПк - реальная поверхность конвекции, м2,

Превышение температуры в верхних слоях масла над температурой окружающего воздуха, оС,

qм.в.в = 1,2 (qб.в+qм.б), (10)

По ГОСТ 11677-85 qм.в.в не должна превышать 60°С.

Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха рассчитывается отдельно для каждой обмотки, оС:

qо.в = qо.м.ср + qм.б + qб.в, (11)