КРАТКИЙ ОБЗОР СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Как было показано, теплоотдача излучением и конвекцией с единицы внешней поверхности бака находится в зависимости от превышения температуры поверхности

стенки бака Q_б,внад окружающим воздухом. Поскольку предельные превышения температуры обмоток и масла над воздухом даны в ГОСТ независимо от мощности трансформатора, разность температур Q_б,в, а следовательно, и теплоотдача с единицы поверхности бака для трансформаторов разной мощности будут примерно равными. Для того чтобы с ростом мощности трансформатора сохранить удельную тепловую нагрузку поверхности q и разность Q_б,внеизменными (см. § 3.4), приходится прибегать к искусственному увеличению внешней поверхности бака применением стенок, выгнутых в виде волн, установки охлаждающих труб или подвески к баку радиаторов. При очень больших мощностях и в некоторых особых случаях применяется форсированное охлаждение обдуванием охладителей бака вентиляторами, перекачкой масла трансформатора через специальные охладители и т. д.

В ГОСТ 11677-85 предусмотрены следующие виды охлаждения трансформаторов и условные обозначения.

Сухие трансформаторы

Естественное воздушное при открытом исполнении — С

Естественное воздушное при защищенном исполнении — СЗ

Естественное воздушное при герметичном исполнении — СГ

Воздушное с дутьем — СД

Масляные трансформаторы

Естественное масляное — М

Масляное с дутьем и естественной циркуляцией масла — Д

Масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла — ДЦ

Масляно-водяное с естественной циркуляцией масла — MB

Масляно-водяное с принудительной циркуляцией масла — Ц

Трансформаторы с заполнением негорючим жидким диэлектриком

Естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком — Н Охлаждение негорючим жидким диэлектриком с дутьем — НД

Трансформаторы с естественным масляным охлаждением только при очень малой мощности, не превышающей 25 кВ·А, могут выпускаться в гладких баках без волн или труб.

Вместе с ростом мощности трансформатора возникает необходимость в развитии его системы охлаждения (см. § 3.4), основные элементы которой размещаются на баке трансформатора. Увеличение поверхности охлаждения может производиться различными путями. В трансформаторах мощностью до 630 кВ·А включительно возможно использование бака со стенками из тонколистовой стали толщиной 1,0—1,5 мм, имеющими форму волновой поверхности (см. рис. 9.14). У этих же трансформаторов увеличенная охлаждаемая поверхность может быть образована установкой стальных гнутых труб с толщиной стенки 1,0—1,5 мм. Стальные круглые трубы диаметром 30—60 мм или овальные располагаются вертикально параллельно стенке бака. Концы труб изгибаются и ввариваются в верхнюю и нижнюю части стенки. В случае необходимости вокруг бака располагаются два-три и, как правило, не более четырех рядов труб. Бак этого типа обеспечивает хорошую теплоотдачу, обладает высокой механической прочностью, прост в производстве. Трубчатый бак находит применение также и в трансформаторах мощностью 1000—1600 кВ·А.

В современных сериях трансформаторов мощностью от 63 до 630 и от 1000 до 6300 кВ·А находят широкое применение прямотрубные радиаторы различных размеров с различным числом труб (см. рис. 9.16). Эти радиаторы вследствие сопротивления, которое создают для вертикального движения воздуха верхний и нижний коллекторы, имеют несколько пониженную удельную теплоотдачу при заданном превышении температуры, однако имеют некоторое преимущество в организации технологии изготовления баков по сравнению с баками трубчатыми.

В трансформаторах мощностью 2500 кВ·А и выше применяются также и радиаторы с гнутыми трубами, не создающие препятствий вертикальному движению воздуха с высокой удельной теплоотдачей, обладающие высокой прочностью и позволяющие устанавливать на них вентиляторы для форсирования движения охлаждающего воздуха.

Бак с радиаторами при естественном охлаждении может обеспечить нормальную теплоотдачу для трансформатора мощностью до 10 000—16 000 кВ·А. При больших мощностях периметр гладкого бака оказывается недостаточным для размещения необходимого числа радиаторов. В этом случае выходом из положения является переход от естественного к форсированному охлаждению, которое может осуществляться путем ускорения движения масла или воздуха. На рис. 9.6 показано форсированное охлаждение бака с радиаторами при помощи обдувания небольшими вентиляторами, установленными на каждом радиаторе. При этом способе можно увеличить теплоотдачу бака на 50—60 % по сравнению с теплоотдачей при естественном охлаждении.

Рис. 9.6. Установка вентиляторов для обдувания радиатора

Другим способом форсирования охлаждения является усиленная циркуляция масла. Масло из бака трансформатора откачивается насосом, прогоняется через водяной или воздушный теплообменник и охлажденное вновь возвращается в бак трансформатора. Циркуляция охлаждающей среды в теплообменнике — воды или воздуха — также усиливается при помощи насосов или вентиляторов.

В последние годы для трансформаторов большой мощности все более широкое применение находит система циркуляционного воздушного охлаждения при помощи малогабаритных охладителей, собираемых из тонкостенных трубок, внутри которых протекает масло, и поперечных металлических пластин. В некоторых конструкциях поперечные пластины заменяются тонкими ребрами, напаянными или накатанными на поверхности трубок по винтовой линии.

Циркуляция масла усиливается насосами, встроенными вместе со своими двигателями в маслопровод, соединяющий бак трансформатора с охладителем. Для усиления циркуляции воздуха применяются специальные вентиляторы. Отдельные охладители подобного типа могут отводить до 100—150 кВт потерь при относительно малых массе я габаритах.

Форсированное охлаждение во всех случаях требует постоянной дополнительной затраты энергии на перекачку масла и подачу воздуха или воды, чем снижается общий КПД трансформатора. Водяное охлаждение, кроме того, требует расхода воды.

Теплопередача в масле внутри трансформатора происходит только конвекцией, т. е. движущимся маслом. Теплоотдача с наружных поверхностей системы охлаждения в окружающий воздух конвекцией, т. е. посредством движущегося воздуха, с ростом мощности трансформатора приобретает главное значение. Поэтому для достижения наиболее эффективного охлаждения внутри и вне трансформатора должны быть обеспечены наиболее благоприятные условия для движения масла и воздуха.

Наилучшие условия для движения масла внутри обмоток и теплоотдачи от обмоток к маслу представляют вертикальные каналы (рис. 9.7, а). Сочетание вертикальных и горизонтальных каналов (рис. 9.7, б)

Рис. 9.7. Организация движения масла, охлаждающего обмотки:

а —осевые каналы; б — сочетание осевых и радиальных каналов; в —сочетание осевых каналов с тупиковыми радиальными каналами

несколько ухудшает теплоотдачу, однако широко используется в винтовых и катушечных обмотках. Конструкция чередующейся обмотки, разделенной на отдельные группы шайбами, плотно прилегающими к поверхности изоляционного цилиндра (рис. 9.7, в), является неудачной потому, что в ней затруднен доступ охлаждающего масла к проводам, находящимся вблизи цилиндра.

Не менее важное значение имеет свободный доступ и выход воздуха в частях системы охлаждения — трубах, радиаторах, охладителях. При естественном охлаждении в этих конструкциях необходимо соблюдать достаточные расстояния (шаг) между

Рис. 9.8. Размещение охладителей на баке:

а — рациональное с свободным входом и выходом воздуха; б — нерациональное—выход воздуха затруднен

трубами или волнами, не допускать закрытия входа и выхода воздуха внизу и вверху радиаторов. При охлаждении с принудительным движением масла внутри охладителей следует размещать охладители так, чтобы на входе и выходе охлаждающего воздуха не было препятствий. В этом смысле более удачным является размещение охладителей по рис. 9.8, а по сравнению с рис. 9.8, б. При циркуляционном охлаждении предпочтительным является направленное движение масла внутри бака, когда масло из охладителей при помощи специальных перегородок направляется непосредственно в охлаждающие каналы обмоток и магнитной системы.