Трансформаторное (минеральное) масло должно обладать следующими свойствами:
Масло должно быть безопасным для активного материала, т.е. не должно содержать кислот и серы, так как даже небольшие количества этих веществ крайне опасны для изоляции обмоток.
Масло должно достаточно хорошо отводить тепло от нагретых частей трансформатора. Поэтому оно должно обладать высокой теплоемкостью и теплопроводностью, а также малой вязкостью, чтобы не препятствовать охлаждающему потоку. Вязкость масла не остается постоянной при изменении температуры. Для трансформаторов больших мощностей желательно применять масло вязкость которого резко изменяется при изменениях температуры.
Масло должно иметь высокую электрическую прочность. Если электрическая прочность воздуха примерно 30 кв/см, то для трансформаторного масла она может достигать 150 кв/см. Наличие воды даже в незначительных количествах резко снижает электрическую прочность масла, обесценивая его диэлектрические свойства. Поэтому трансформаторное масло должно быть “сухим", т.е. не содержать влаги. Воду из трансформаторного масла удаляют нагреванием его примерно до 110 С. В процессе эксплуатации трансформатора влага может проникать внутрь бака с воздухом. Кроме влаги с воздухом внутрь трансформатора могут проникать пылинки и продукты распада.
Недостатком масла является его старение, т.е. ухудшение его изоляционных свойств со временем. Поэтому в условиях эксплуатации периодически очищают масло и бак, а также меняют масло. Для удаления посторонних веществ нечистое масло пропускают через центрифугу, а для сушки его прогревают. Масляные баки трансформаторов больших мощностей снабжают кранами, к которым присоединяют маслоочистительный аппарат. Это дает возможность очищать масло в процессе работы трансформатора без его отключения. Прогревают масло также в процессе работы трансформатора посредством усиленной его нагрузки.
4. Температура воспламенения масла должна быть значительно выше рабочей температуры трансформатора, чтобы при работе трансформатора не возник пожар. Обычно трансформаторное масло имеет температуру воспламенения не ниже 180 С. Допускается использование масел с температурой воспламенения не ниже 150 С. Таким образом, помимо старения трансформаторное масло обладает еще одним очень существенным недостатком - оно является горючим материалом. Поэтому установка масляных трансформаторов во многих случаях требует принятия специальных мер пожарной безопасности.
В тех случаях, когда применение масляных трансформаторов недопустимо по соображениям пожарной безопасности, используют сухие трансформаторы, а также трансформаторы с негорючими наполнителями (совол, совтол, пиранол, кварцевый кристаллический песок).
Сухие трансформаторы имеют защитные кожухи с отверстиями, закрытыми сетками. Применение в качестве изоляции обмоток стекловолокна или асбеста позволяет значительно повысить рабочую температуру обмоток и получить практически пожаробезопасную установку. Это свойство сухих трансформаторов дает возможность применять их для установки внутри сухих помещений в тех случаях, когда обеспечение пожарной безопасности установки является решающим фактором. Так как в сухих трансформаторах охлаждающей средой является воздух, который возобновляется непрерывно, то исключается старение масла и необходимость периодической чистки и замены его.
Однако воздух является менее совершенной изолирующей и охлаждающей средой, чем трансформаторное масло. Поэтому в сухих трансформаторах все изоляционные промежутки и вентиляционные каналы делают большими, чем в масляных.
Электромагнитные нагрузки активных материалов в сухих трансформаторах приходится уменьшать по сравнению с электромагнитными нагрузками масляных трансформаторов, что приводит к увеличению сечения проводов обмоток и магнитопровода. Вследствие этого вес и стоимость активных материалов у сухих трансформаторов больше, чем у масляных.
Увеличение стоимости активных материалов сухих трансформаторов по сравнению с масляными сказывается особенно сильно с ростом мощности трансформатора и увеличением напряжений его обмоток. В настоящее время производят сухие трансформаторы мощностью до 2500 ква и напряжением обмоток до 15 кв.
Так как обмотки сухих трансформаторов непосредственно соприкасаются с воздухом и увлажняются, эти трансформаторы устанавливают только в сухих помещениях. Для уменьшения гигроскопичности обмотки пропитывают специальными лаками. Применение новых нагревостойких и негорючих материалов, обладающих высокой теплопроводностью, позволяет увеличить электромагнитные нагрузки и уменьшить стоимость активных материалов.
В тепловом отношении трансформатор представляет собой неоднородное тело. Стальные листы магнитопровода обладают высокой теплопроводностью, а изоляционные прослойки между листами стали - малой. Обмотки также состоят из меди и алюминия с высокой теплопроводностью и изоляционного материала, плохо проводящего тепло. При работе трансформатора более нагретые внутренние части магнитопровода и обмоток отдают тепло наружным поверхностям, от которых оно отводится маслом или воздухом. Между нагретыми частями трансформатора (обмотками и магнитопроводом) и маслом или воздухом устанавливается определенная разность температур. Однако температура всех частей трансформатора и масла в разных точках по высоте неодинакова; она увеличивается по мере перехода от нижних частей к верхним. Изменение температуры обмоток, магнитопровода, масла и бака по высоте показано на рисунке 8., распределение температуры в горизонтальном сечении масляного трансформатора - на рисунке 9.
Рисунок 8. - Изменение температуры обмоток, магнитопровода, масла и бака по высоте.
Рисунок 9. - Распределение температуры в горизонтальном сечении масляного трансформатора.
Масло для заливки трансформатора приготовляют заранее в нужном количестве, высушивают и проверяют химическим анализом и на электрическую прочность.
При заливке масло должно иметь температуру не ниже 10 С.
Его заливают через нижний кран бака при помощи насоса фильтр пресса.
После заливки берут пробу масла для химического анализа и испытания электрической прочности [7].
Конструкция трансформатора ТМ-100/10 и его общий вид предоставлены на листе 2 графического материала.
Геометрические размеры:
Высота бака, H 0,94 м
Длина бака, L 0,99 м
Ширина бака, Sh 0,427 м
Длина прямой части, l 0,563 м
Радиус закругления, R 0,2135м
Площадь поверхности труб радиатора, Skt 1,492 м
Площадь поверхности коллекторов радиатора, Sk 0,3 м
Периметр бака:
М
Поверхность бака:
М²
Поверхность крышки:
м²
Эффективная теплоотдающая поверхность бака [4]:
Эффективная теплоотдающая боковая поверхность бака [4]:
По ГОСТ 11677-85 установлена предельная среднесуточная температура не выше + 30 С, по этому расчет для наиболее тяжелого режима будем производить именно для этой температуры.
Все расчеты будем производить при номинальной загрузке трансформатора.
Исходные данные для расчета:
Температура окружающего воздуха, t. окр. в 30 °С
Коэффициент загрузки трансформатора, K. з 1
Потери холостого хода трансформатора, ΔP. хх 465 Вт
Потери короткого замыкания трансформатора, ΔP. кз 2270 Вт
Толщина крышки бака, δкр 0,005 м
Коэффициент теплопроводности крышки, λкр 55 Вт/м·К
Коэффициент учитывающий конструкцию бака трансформатора, θ 1,2
Коэффициент учитывающий систему охлаждения трансформатора, К11.
В установившемся режиме работы трансформатора потери энергии переходят в теплоту и от нагретого масла через стенку бака передаются окружающему воздуху.
При этом часть тепловой энергии от наружной поверхности бака рассеивается за счет лучистого теплообмена.
Суммарный поток тепловой энергии зависит от нагрузки трансформатора и в любом режиме его работы может быть определен через суммарные потери мощности в трансформаторе.
Суммарные потери мощности в трансформаторе [4]:
Вт
Тепловой поток отдаваемый поверхностью бака воздуху [4]:
Площадь лучистого теплообмена [4]:
Площадь конвективного теплообмена [4]:
Среднее превышение температуры стенки бака над воздухом [4]:
°С
Среднее превышение температуры масла над температурой стенки бака [4]:
Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха [4]:
Температура масла в верхних слоях [4]:
Рассчитываем температуру стенки бака для этого рассчитываем эффективность теплоотдачи, посредством критериев Грасгофа (характеризует режим движения при свободной конвекции, являясь отношением подъемной силы, возникающей вследствие разности плотностей жидкости, и сил вязкости в изотермическом потоке) и Нуссельта (характеризует увеличение теплообмена (массообмена) за счет конвекции по сравнению с чисто молекулярным переносом).
Коэффициент теплоотдачи внутри бака [10]:
Критерий Грасгофа.
Определяющая температура (в данном случае температура масла):
К
Температурный коэффициент объемного расширения:
К-1
Температурный напор:
Кинематическая вязкость среды (масла):
м2·с
Критерий Прандля (критерий физических свойств среды (масла)):
Определяющий размер, в данном случае определяющий размером является высота бака:
м
Режим движения среды в пограничном слое:
Критерий Нуссельта.
Значение постоянных с и n определяются режимом движения среды и условиями теплопередачи:
Коэффициент теплопроводности среды (масла):
Вт/м·К
Коэффициент теплоотдачи:
Вт/м2·К
Коэффициент теплоотдачи снаружи бака [10]:
Расчет ведется аналогично приведенному выше только для другой среды - воздуха.
Коэффициент теплопередачи через стенку бака [10]:
Поток теплоты через стенку бака трансформатора [10]:
Температура стенки бака [10]:
Среднее значение температуры масла в баке [10]:
Рассчитываем температуру крышки бака [10]:
Определяющая температура (в данном случае средняя температура масла):
Температурный напор рассчитывается через среднюю температуру между окружающим воздухом и средней температурой масла в баке:
Определяющим размером является ширина крышки бака, так как процесс теплопередачи идет через горизонтальную поверхность:
Коэффициенты с и n определяются как для горизонтальной поверхности:
Коэффициент теплоотдачи снаружи бака:
Коэффициент теплопередачи через крышку бака:
Поток теплоты через крышку бака трансформатора:
Температура крышки бака трансформатора:
Разность температур между стенкой и крышкой бака:
Данные расчетов при различны температурах окружающего воздуха и различной загрузке трансформатора сведены в таблицу 8.
Таблица 8. - Температуры трансформатора без падения уровня масла.
Коэффициент
Температура
Разность температур
загрузки
окружающего
Верхних слоев
стенки бака
крышки бака
между стенкой и
трансформатора
воздуха
Масла
крышкой бака
30
49,6
42,8
40,9
1,9
15
34,6
27,7
25,3
2,4
0,2
0
19,6
12,7
10
2,7
-15
4,6
-2,4
-5,2
2,8
-30
-10,4
-17,6
-20,6
3
56,5
47,6
44,6
41,5
32,5
28,8
3,7
0,4
26,5
17,4
13,5
3,9
11,5
2,3
-1,9
4,2
-3,5
-12,9
-17,4
4,5
67,1
54,9
50,1
4,8
52,1
39,8
34
5,8
0,6
37,1
24,6
18,6
6
22,1
9,5
3,1
6,4
7,1
-5,8
-12,6
6,8
80,5
64,3
57
7,3
65,5
49,1
40,6
8,5
0,8
50,5
33,9
24,9
9
35,5
18,8
9,4
20,5
3,3
-6,6
9,9
96,4
75,5
65
10,5
81,4
60,3
48,2
12,1
1
66,4
45
32,4
12,6
51,4
29,7
16,6
13,1
36,4
14,1
13,7
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
