CC BY
20
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 137
1965
О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ ПОВЕДЕНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОГО
ОХЛАЖДЕНИЯ
В. М. ВЫСОЦКАЯ, А. л. ГУРЧЕНОК (Представлена семинаром кафедр электромеханического факультета)
Как известно, в настоящее время во многих районах Крайнего Севера быстрыми темпами развиваются различные отрасли промышленности, в связи с этим возникла необходимость эксплуатации масляных трансформаторов в условиях интенсивного охлаждения.
Проведенные ранее исследования [1—4] поясняют поведение силовых трансформаторов, установленных в средней полосе СССР, в условиях низких температур. Влияние ветра при этом, как правило, не учитывается. Однако при эксплуатации электроустановок в большинстве районов Заполярья, кроме низкой температуры окружающего воздуха приходится > читывать и еще одну особенность — большую скорость ветра (до 30 м.сек). Так, например, оказывается, что при температурах порядка —40 С и ниже и наличии ветра, в трубчатых радиаторах с топкими сплющенными станками, где слой масла менее 20 дм*, прекращается циркуляция масла, что вызывает перегрев трансформатора [5].
В связи с указанным представляет интерес исследование зависимости охлаждения трансформаторов от наружной температуры и скорости ветра. Для решения поставленной задачи были проведены расчеты охлаждения. трансформатора типа ТМ 100/6 по стандартному методу и с применением критериальных уравнений теплопередачи. Последнее диктовалось тем, что указанный метод позволяет определять величину теплопотери с учетом скорости ветра, что не учитывается при стандартном расчете.
Стандартный расчет тепловых нагрузок и температур
Результаты стандартного расчета трансформатора ТМ 100/6 сведены в расчетную записку. В записке показаны тепловые нагрузки и превышения температур при нормальной нагрузке (100%). По данным записки температура в сердечнике и обмотках трансформатора определяется из соотношения
/ = £ +в + К. (1)
Температура масла и поверхности охлаждения считаются одина-■ ковыми и равными
¿ст = е + 'п. (2)
39
РАСЧЕТНАЯ ЗАПИСКА
'рехфазный трансформатор с естественным масляным охлаждением мощность 100 ква токи 9,16 251 а
напряжения 6600—6300—6000 230 в
числа витков 832 — 794— 757 29 витков
частота 50 гц схема и группа К/ Ко- —12
0,85 сталь толщина в мм диаметр в мм ] сече-| ние ! в см2 расст. между осями в мм высота окна в мм вес в кг индукция в гс Кст потери в вт
стержень 0,5 лак 155 I 155 290 225 81 1 3350 2,88 234
ярмо то же | 184 | 195 11200 20 390
общий вес медных проводов 70 кг общий вес стали 276 кг И\п — 4,59 Рсяг -624
Потери Ток холостого хода 6,5 а
Ступень напряжения
Потери и медных проводах в в т
ВН
100'
ни
Сумма
Р,, в вт РС1 в вт
1295 1145
2440 2440
По расчету
Нагрузка
Ступень напряжения
ек
100 ква
100%
По нормам
100 ква
100 %
2,44% 5,05% 5,6 и
624
Превышение температуры
Общие потери ! в вт |
Расчетные потери в вт
Поверхность охлаждения, м'1
3064 3370
6.09
Удельная тепловая нагрузка поверхности охлаждения, вт 'л/-
В сердечнике и обмотках ВН и НИ над температурой масла
Масла над температурой
воздуха
Расчетная температура воздуха
2,4 %
5,5 С1
25
45
По данным расчетной записки получим t = 105 С, tCT = 80 С, что является допустимым по нормам эксплуатации трансформаторов.
Расчет охлаждения трансформатора по уравнениям теплопередачи
Процесс теплоотдачи от поверхности охлаждения трансформатора к окружающему воздуху может происходить в условиях свободной конвекции при разных температурах, в условиях обдувания воздухом с определенной скоростью. Рассмотрим эти условия, а)Теплоотдача в условиях свободной конвекции В условиях свободной конвекции процесс охлаждения будет складываться из теплоотдачи конвекцией и излучением
Я =Чк + Ч л. (3)
Теплоотдача конвекцией определяется из уравнения
дк ~ а (£ст ¿ъ) вт/м2. (4)
Коэффициент теплоотдачи а находится из критериального уравнения
N11 - С- (йг• Рг)'", (5)
где - N11, йг, Рг — соответственно критерии Нуссельта, Грасгофа, Прандтля; -
С, /и — коэффициенты, величина которых зависит от значения произведения йг-Рг [6].
Теплоотдача излучением определяется из уравнения
Чл = 5,4-в
¿ст + 273 у , /¿Н + 273Х4 100 / \ 100
вт!мг, (6)
где в — степень черноты поверхности охлаждения.
На рис. 1 (кривые 1, 2, 3) приведены результаты расчета зависимости теплоотдачи от температуры воздуха при разных значениях нагрева стенки бака. Результаты расчета по уравнениям теплоотдачи согласуются с данными, полученными по стандартному методу расчета (кривая 1, ¿ст = 80° С). Дополнительно графики показывают, что при низких температурах воздуха теплоотдача увеличивается: при fyi = — 14е С — в два раза, при = — 55 С ----- в три раза по сравнению с теплоотдачей при расчетной температуре воздуха + 35° С.
Если температура стенки бака снижается, то теплоотдача уменьшается. При ¿ст = 40 С выделяющееся тепло будет отведено, при (в = — 20й С, при ¿ст = 0 ' С, при и = — 60" С.
При охлаждении стенок трансформатора до О С происходит прекращение циркуляции масла в наружных трубах из-за замерзания в нем влаги. В теплоотдаче участвует только поверхность самого бака, что резко сокращает поверхность охлаждения трансформатора. Происходит разогрев масла в баке. Расчет показывает, что в этом случае при (СТ ~ 80° С все тепло можно отвести при ¿и----- 45': С. При —20 С будет отводиться 75%, при А* = 0 С —50% тепла, выделяющегося при нормальной нагрузке трансформатора (кривая 5, рис. 1). Этим объясняются имеющиеся случаи перегрева трансформаторов в условиях низких температур и ветра [5].
б) Т е п л о о т д а ч а при обдувании ветром Расчет теплоотдачи при обдувании ветром производится аналогично разделу (а) по уравнениям (3), (4), (6).
Коэффициент теплоотдачи а определяется из следующего критериального уравнения:
N11 = ОШ'Ие0«52,
(7)
где Ч/* — коэффициент, учитывающий уменьшение теплоотдачи при неперпендикулярном обдувании; Ке — критерий Рейнольдса.
На рис. 1 (кривая 4) приведены результаты расчета теплоотдачи при различных значениях скорости ветра. Из графика видно, что при
Рис. 1. Кривые зависимости теплоотдачи от температуры воздуха в условиях свободной конвекции при: 1—¿ст-^80°С, 2—40СГ, 3—('."С; при /ст — 80°С; 4—теплоотдача с ветром, 5— при. прекращении циркуляции в охлаждающих трубах.
наличии ветра в 10 л/сек теплоотдача увеличивается более чем в два раза, при 20 м\сек — в три раза.
Охлаждение трансформатора при работе с перегрузкой
В процессе эксплуатации трансформаторов допускается в аварийных случаях работа трансформаторов с перегрузкой. Значения допускаемых перегрузок и их длительности представлены в табл. 1.
Наиболее длительными являются перегрузки в 1,3 и 1,6 раза. Причем, перегрузка в 1,3 раза может допускаться и в неаварийном
Т а блица 1
Величина перегрузки, 1,3 1,6 2,0 2,4
Допустимая длительность перегрузки, часов 2 0,5 0,125 0,05
порядке при условии, что коэффициент заполнения суточного графика трансформатора меньше единицы.
Результаты расчета величины удельных тепловыделений и допустимой температуры масла внутри трансформатора при перегрузочных режимах работы представлены на рис. 2.
Сопоставление данных об охлаждении трансформатора позволяет определить условия, при которых возможна длительная работа с перегрузкой. Так из рис. 1 и рис. 2 легко установить, что для режима с перегрузкой на 30% температура стенки бака должна быть не выше 66° С. По условиям наружного охлаждения в этом случае возможна длительная работа при следующих условиях:
а) при температуре воздуха ниже 0 С без ветра;
б) при температуре воздуха +35' С с ветром в 9 м;сек и более.
Для режима работы с перегрузкой 60% аналогично получаем:
температура стенки бака не должна превышать 49° С. Длительная работа возможна при:
а) температуре воздуха минус 40 и ниже без ветра;
б) при температуре воздуха + 35° С с ветром 18 м/сек и выше.
По данным опытного исследования при длительной работе трансформатора с перегрузкой 40% в условиях естественного мороза с температурой £в = — 30° С температура масла не поднималась выше 40° С, что хорошо согласуется с приведенными на рис. 2 данными расчета [3]. Там же приведены данные об установившейся темпера-
'л* х
Рис. 2. Кривые зависимости: 1—удельных тепловыделений, 2—допустимой температуры масла от величины перегрузки трансформатора.
туре масла внутри трансформатора в условиях естественного мороза с температурой ~ — 30 С при длительной работе с перегрузкой 55%. По данным опыта значение температуры масла в этом режиме поднималось и устанавливалось на уровне +53 С.
Следовательно, можно сделать вывод, что длительная работа трансформаторов с перегрузками на 30 и 60% возможна при условии достаточного наружного охлаждения.
Выводы
1. Проведенные теоретические расчеты охлаждения и результаты опытного исследования включения под нагрузку трансформатора в условиях низкой температуры воздуха показали возможность и полезность расчета охлаждения трансформаторов по критериальным уравнениям, позволяющим учитывать наличие ветра.
2. При наличии ветра значительно улучшаются условия охлаждения трансформатора снаружи и позволяют отвести в два - три раза больше тепла, чем при расчетной максимальной температуре без обдувания.
3. При включении трансформатора, находящегося в замороженном виде, или при прекращении циркуляции масла в наружных трубах необходимо придерживаться следующего правила: при ^О'С трансформатор включается на 50%, при = — 20г С — на 75%, при tti ^ —45 с — 100% мощности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Л. М. Ш н и ц е р. Ж. Электричество, № 4, 1939.
2. Е. К. 3 а в а д о в с к а я. Ж Электричество, № 8, 1939.
3. Е. К. 3 а в а д о в с к а я, А. К. Красин. Труды СФ'ГИ, т. VI, 1945.
4. Н. Н. 3 юз и ков. Ж. Эл. станции, № 3, 1946.
5. А. А. Алекс андров. Ж. Пром. энергетика, № 2, 1960.
6. М. А, .Михеев. Теория теплопередачи. Госэнергоиздат, 1956.
