Тепловой расчет трансформатора

5.1 Расчет размеров бака

Минимальные внутренние размеры бака масляного трансформатора определяются минимальными допустимыми изоляционными расстояниями:

s₁ – от отвода обмотки ВН до собственной обмотки;

s₂ – от отвода обмотки ВН до боковой стенки бака;

s₃ – от отвода обмотки НН до обмотки ВН;

s₄ – от отвода обмотки НН до боковой стенки бака;

s₅ – от обмотки ВН до торцевой стенки бака.

Рисунок 8 – Размеры бака

При рабочем напряжении обмотки ВН 35 кВ эти расстояния для неизолированных отводов следующие: s₁ = s₂= 35 мм; s₃ = 90 мм; s₄ = 40мм.Диаметр отвода ВН при заданной мощности принимаем d₁ = 20 мм, диаметр отвода НН принимаем d₂ = 30 мм.

Бак имеет овальную форму. Сердечник в баке трансформатора располагается симметрично относительно его продольной оси. Для этого при конструировании бака рассчитываются отдельно расстояния от обмотки ВН до боковых стенок бака со стороны отводов ВН и НН, мм:

(5.1)

(5.2)

За расчетное принимаем

Длина бака, мм:

(5.3)

мм.

Ширина бака, мм:

(5.4)

мм.

Высота бака, мм:

(5.5)

где Н_я.к – высота от верхнего ярма до крышки бака, принимаем горизонтальное расположение выключателя, Н_я.к =850 мм;

Н_а.ч – высота активной части:

(5.6)

где m – толщина подкладки под нижнее ярмо, m=40 мм,

мм,

мм.

5.2 Расчет плотности теплового потока

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. Для масляных трансформаторов с естественной циркуляцией масла оптимальной считают плотность теплового потока порядка q= 1000 - 1200 Вт/м², предельно допустимой - до 1400 Вт/м².

Плотность теплового потока обмотки НН, :

, (5.7)

где k_м–коэффициент материала обмоток, для медных обмоток – 10,7;

J – уточненная плотность тока в данной обмотке, А/мм²;

I _н – номинальный ток данной обмотки, А;

w _к – число витков в катушке при катушечной обмотке, при одноходовой винтовой обмотке w _к = 1, при двухходовой w _к = 0,5;

k_Д – коэффициент добавочных потерь;

b' – осевой размер проводника с изоляцией, мм;

a _рад – радиальный размер (толщина) обмотки, мм;

k _з – коэффициент закрытия части обмотки рейками, k _з = 0,75.

Вт/м².

Плотность теплового потока обмотки ВН, :

(5.8)

Вт/м²

Для масляных трансформаторов с естественной циркуляцией масла предельно допустимой считается плотность теплового потока– до 1400 Вт/м².

5.3 Тепловой расчет обмоток

Тепловой расчет отдельных элементов и в целом электрической машины или трансформатора принято вести не в абсолютных единицах, а в так называемом превышении температуры θ того или иного элемента над температурой окружающей среды. При сопоставлении значений температуры двух элементов часто используется термин перепад температуры.

Тепловой расчет обмоток ведется раздельно для обмотки НН и ВН.

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,

(5.9)

°С,

°С.

где – толщина изоляции проводника на одну сторону (0,25·10^{–3 м);}

– теплопроводность изоляции, для хлопчатобумажной пряжи

(0,27) Вт/(м·ºС);

Средний перепад температуры обмоток, :

(5.10)

(5.11)

Перепад температуры на поверхности обмоток, :

(5.12)

Среднее превышение температуры обмотки над маслом, :

(5.13)

5.4 Расчет необходимой и реальной поверхности охлаждения

Теплопередача "бак - воздух" осуществляется путем конвекции и лучеиспускания (излучения). В предварительном расчете поверхность излучения для трансформаторов с номинальной мощностью более 50 кВ^.А

(5.14)

где – поверхность конвекции гладкой части бака, м².

Поверхность конвекции гладкой части бака может быть определена по найденным выше размерам овального бака трансформатора, м²:

(5.15)

где – поверхность крышки, м²,

(5.16)

П_кр = [(1840 – 807)(807 + 160) + 0,25^.3,14^.(807+160)²]^.10^-6 =1,733 м²,

П_к.гл = [2(1840 - 807) + 3,14^.807]^.2225^.10^-6 + 0,5^.1,733 = 10,761 м²,

П_и = 1,5^. 10,761 = 16,142м².

Размеры бака в формулах (5.15) и (5.16) подставляются в миллиметрах, крышка бака берется больше его ширины на 160 мм (2 х 80) - для размещения крепежных болтов и уплотнительного кольца.

Допустимое превышение температуры обмоток над воздухом для класса термостойкости изоляции А составляет 65°С, отсюда допустимый перепад температуры "масло - воздух", °С,

(5.17)

при этом берется наибольшее из найденных по формуле (5.13) значений θ _о.м.ср.

Расчет перепад температуры «бак – воздух» зависит от выполнения условия: ,

если оно выполняется,

(5.18)

если не выполняется,

(5.19)

Превышение температуры «масло – бак» .

Проверим выполнение условия:

°С.

Необходимая для успешного охлаждения трансформатора поверхность конвекции, м²:

(5.20)

м².

Полученную по формуле (5.25) величину П'к сравним с найденной ранее поверхностью гладкой части бака П_к.гл. Для заданной мощности поверхности гладкой части бака недостаточно для эффективного охлаждения трансформатора. Дополнительная поверхность охлаждения может быть получена с использованием волн, труб и навесных радиаторов (охладителей).

Основанием для выбора того или иного типа радиаторов служат поверхность охлаждения одного радиатора (с учетом поверхности патрубков и коллекторов) П_к.тр и расстояние между осями верхнего и нижнего патрубков для соединения с баком трансформатора А.

При расчете данного трансформатора выберем радиатор с прямыми круглыми трубами.

Размер А находится по известной высоте (глубине) бака, мм:

A ≤ H – 340, (5.21)

где 340 мм - технологический запас. По данному размеру подбирается радиатор и рассчитывается необходимое количество радиаторов.

H – 340 = 2225 – 340 =1885 мм

Выбираем А=1660 П_к.рад = 20,06 м²

, (5.22)