ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ БАКА

При выборе конструкции бака для трансформатора главное внимание следует обращать на хорошую теплоотдачу, механическую прочность, простоту в изготовлении и по возможности меньший внешний габарит. Применяемые в отечественном трансформаторостроении баки с гладкими стенками, с трубами и трубчатыми радиаторами отвечают всем этим требованиям.

Ввиду того, что потери в трансформаторе связаны с его мощностью, при выборе конструкции бака можно ориентироваться на мощность трансформатора (табл. 9.4).

После выбора типа бака следует определить его минимальные внутренние размеры. При заданных размерах активной части трансформатора, т.е. его остова с обмотками и отводами, минимальные внутренние размеры бака в плане определяются внешними габаритами активной части и минимально необходимыми изоляционными расстояниями от обмоток и отводов до стенок бака.

Определение изоляционных промежутков от отводов до обмотки ВН и стенки бака следует производить в соответствии с указаниями, данными в гл. 4 (см. табл. 4.11 и 4.12), учитывая производственные допуски в размерах частей трансформатора и толщину отвода.

Таблица 9.4. Типы баков силовых масляных трансформаторов

Рис. 9.13. К определению основных размеров бака

Согласно рис. 9.13, а должны быть определены следующие минимальные расстояния и размеры:

s₁— изоляционное расстояние от изолированного отвода

обмотки ВН (внешней) до собственной обмотки и равное ему расстояние этого отвода s₂ до стенки бака по табл. 4.11;

d₁ — диаметр изолированного отвода обмотки ВН при классах напряжения 10 и 35 кВ, d₁ = 20 мм при мощностях до 10 000 кВ-А и d₁ =25 мм при больших мощностях;

s₃ — изоляционное расстояние от неизолированного или изолированного отвода обмотки НН или СН до обмотки ВН по табл. 4.12;

s₄ — изоляционное расстояние от отвода обмотки НН или СН до стенки бака по табл. 4.11;

d₂ — диаметр изолированного отвода от обмотки НН или СН, равный d₁, или размер неизолированного отвода НН (шины), равный 10—15 мм.

Определение этих расстояний производится отдельно для отводов стороны ВН и НН. Минимальные внутренние размеры бака определяются согласно рис. 9.13.

Минимальная ширина, м,

(9.22)

Минимальная длина бака трехфазного трансформатора классов напряжения 6, 10 и 35 кВ, м,

(9.23)

Расстояние s₅при испытательных напряжениях до 85 кВ может быть принято таким же, как и расстояние от неизолированного отвода до обмотки, и определено по табл. 4.12. В некоторых случаях расстояние s₅ принимают равным суммарному расстоянию от бака, м,

s₅=s₃+d₂+s₄

Для трансформаторов с классом напряжения обмотки ВН 110 кВ при расположении вводов ВН в масле между ярмом и стенкой бака размеры бака в плане А и В, м, могут быть приближенно приняты:

трехфазный

однофазный

(в обоих случаях).

Внутренние размеры бака, найденные по (9.22) и (9.23), обычно оказываются достаточными и по соображениям теплоотдачи.

Глубина бака определяется высотой активной части и минимальным расстоянием от верхнего ярма до крышки бака, обеспечивающим размещение внутренних частей проходных изоляторов отводов и переключателей, если переключатели крепятся под крышкой бака.

Высота активной части, м,

(9.24)

где n— толщина подкладки под нижнее ярмо (n = 30-50 мм).

Таблица 9.5. Минимальные расстояния от ярма до крышки бака

Выбор расстояний от верхнего ярма трансформатора до крышки бака Н_я,к может быть сделан по табл. 9.5 по классу напряжения (рабочему напряжению) обмотки ВН. Расстояние, найденное по табл. 9.5, является минимальным и обычно оказывается достаточным для получения необходимой теплоотдачи бака для трансформатора с полными потерями по ГОСТ.

Общая глубина бака (рис. 9.13,6), м,

H=Н_а,ч+Н_я,к (9.25)

Внешняя поверхность стенок бака, труб, волн, охладителей имеет среднее превышение температуры над окружающим воздухом Оно определяется для данного бака тепловым потоком, отводимым с его охлаждаемой поверхности.

Теплоотдача путем излучения со всей поверхности бака, Вт,

(9.26)

где q_И—удельная теплоотдача излучением с единицы излучающей поверхности П_Ипри разности температур стенки бака и воздуха, равной 1⁰С; П_И—поверхность излучения бака, определяемая как внешняя обтягивающая поверхность согласно рис. 9.3.

Теплоотдача с поверхности путем конвекции

(9.27)

где q_К—удельная теплоотдача конвекцией с единицы поверхности конвекции П_К при разности температур в 1⁰С; П_К— поверхность конвекции бака, т.е. полная развернутая суммарная поверхность его гладкой части, труб, волн, охладителей,

(9.28)

здесь П₁,П₂,…,П _n— действительные геометрические поверхности отдельных частей бака; k_Ф1,Ф2,…,_Фn— коэффициенты, учитывающие улучшение или ухудшение теплоотдачи конвекцией для данной формы поверхности по сравнению с вертикальной гладкой стенкой.

Эти коэффициенты зависят от формы поверхности конвекции (гладкая стенка, труба, волна и т.д.) и размеров ее элементов (диаметр трубы, расстояние между трубами, глубина и ширина воздушного канала волны). Значения коэффициентов для поверхностей разной формы, найденные опытным путем, приведены в табл. 9.6.

в (9.28) для труб

Таблица 9.6. Значения коэффициента k_Ф в (9.28) для труб диаметром 51 мм и овальных 20x72 мм

Примечание. Для труб диаметром около 30 мм k_Ф полученный из таблицы, умножить на 1,15.

Полная теплоотдача бака Q должна быть равна полным потерям трансформатора

или

(9.29)

где ΣP— суммарные расчетные потери трансформатора

Коэффициент 1,05 учитывает возможное отклонение действительных потерь в трансформаторе от расчетных и применяется при индивидуальном расчете трансформатора. В этом случае следует в (9.29) подставлять ΣP—сумму расчетных потерь короткого замыкания и холостого хода. При расчете серий трансформаторов под ΣP следует понимать сумму гарантийных потерь короткого замыкания и холостого хода и принимать коэффициент 1,1, учитывая возможность отклонения действительных потерь от гарантийных на 10 %.

Подставляя в (9.29) значения удельной теплоотдачи _И и _К из (9.7) и (9.8) и относя коэффициент, учитывающий форму поверхности _Ф в (9.8), к поверхности П_К(9.28), получаем

откуда

(9.30)

(9.31)

Эти выражения положены в основу излагаемого метода теплового расчета бака трансформатора и позволяют приближенно определить размеры бака в предварительном расчете (9.30) и найти его среднее превышение температуры после выяснения всех размеров (9.31).

Потери трансформатора ΣP при тепловом расчете бака задаются. Среднее превышение температуры стенки бака над воздухом также может быть приближенно определено исходя из среднего допустимого превышения температуры обмоток над средней температурой масла. После выбора минимальных внутренних размеров бака с достаточной точностью можно определить действительную излучающую поверхность бака П_И После этого по (9.30) можно при предварительном тепловом расчете бака приближенно определить необходимую поверхность конвекции П_К и затем подобрать нужное количество и размеры элементов конструкции бака (труб, волн, радиаторов), обеспечивающих требуемую теплоотдачу

После окончательного установления основных размеров всех элементов бака, а следовательно, и поверхностей излучения П_И и конвекции П_К, пользуясь (9.31), можно определить для данного бака и заданных потерь ΣP среднее превышение температуры стенки бака над окружающим воздухом.

Среднее превышение температуры стенки бака над окружающим воздухом в предварительном расчете бака должно быть выбрано таким, чтобы средние превышения температуры обмоток и максимальное превышение температуры масла над воздухом не превосходили значений, допускаемых ГОСТ.

Длительно допустимое среднее превышение температуры обмоток над воздухом .при номинальной нагрузке может быть принято равным 65 ⁰С. Тогда среднее превышение температуры масла, омывающего обмотки, должно быть не более

(9.32)

В (9.32) следует взять большее из двух значений, подсчитанных для обмоток ВН и НН по (9.21).

Среднее превышение температуры стенки бака над воздухом будет меньше на перепад температуры между маслом и стенкой бака

(9.33)

Обычно не превышает 5—6⁰С.

Полученное значение должно удовлетворять неравенству

(9.34)

вытекающему из требования ГОСТ, чтобы превышение температуры верхних слоев масла над воздухом не превосходило 60 ⁰С для трансформаторов с расширителем и герметичных.

Коэффициент , определяющий отношение максимального и среднего превышении температуры масла, в предварительном расчете можно принять равным 1,2. Если значение, полученное из (9.32) и (9.33), не удовлетворяет

неравенству (9.34), следует принять и значение определить по выражению

Поверхность излучения бака, м², в предварительном расчете может быть приближенно определена:

для бака прямоугольного сечения в плане

(9.35)

для бака овального сечения в плане

(9.35а)

Рис. 9.14. Форма и основные размеры стенки бака с волнами

где А, В, Н — размеры бака по рис. 9.13, м; — коэффициент, учитывающий отношение периметра поверхности излучения к поверхности гладкой части бака и приближенно равный: 1,0—для гладкого бака; 1,2—1,5—для бака с трубами и 1,5—2,0—для бака с навесными радиаторами.

После предварительного приближенного расчета поверхности излучения бака можно по (9.30) также приближенно рассчитать поверхность

конвекции бака, требующуюся для получения найденного выше значения

Найденное таким образом значение поверхности конвекции является ориентировочным, позволяющим найти число и размеры конструктивных элементов бака. Число и размеры труб, волн, радиаторов и гладких стенок бака должны быть подобраны так, чтобы с учетом коэффициентов _Ф1,_Ф2,… они в сумме давали полученное выше ориентировочное значение поверхности конвекции П_К (9.28). Методика подсчета поверхности конвекции для баков разных типов дана далее.

Значения коэффициентов k_Ф1,k_Ф2,… для поверхностей различной формы приведены в табл. 9.6.

При определении действительных значений поверхностей излучения и конвекции для спроектированного бака может оказаться, что эти поверхности малы и не обеспечивают должной теплоотдачи. В этом случае поверхность охлаждения может быть увеличена путем увеличения числа и (или) размеров ее элементов (волн, труб и т.д.) или высоты бака, но не его размеров в плане.

Гладкий бак. Для гладкого бака поверхность излучения П_И, равная его внешней поверхности, равна также поверхности конвекции П_К.

Поверхность теплоотдачи, м²:

прямоугольного бака

П_и=П_к=2(А+В)Н+П_КР0,5 (9.36)

овального бака

(9.36а)

где А, В, Н — размеры бака по рис. 9,13, м; П_КР— поверхность крышки бака; 0,5 — коэффициент для поверхности крышки, учитывающий закрытие части поверхности изоляторами вводов ВН и НН и различной арматурой.

Бак со стенками в виде волн. Этот тип бака изготовляется с боковой стенкой, выполненной из тонколистовой стали толщиной 0,8—1,0 мм, выгнутой в виде волн. Он находил широкое применение для трансформаторов мощностью в пределах до 630 кВ·А, но в свое время, около 50 лет тому назад, был заменен баком с охлаждающими трубами, имеющим существенно меньшее количество сварных швов. Прогресс в развитии автоматических методов сварки позволяет вновь обратиться к этой конструкции.

В баках такого типа некоторые иностранные фирмы выпускают трансформаторы мощностью 100—630 кВ·А с расширителем или в герметичном исполнении без расширителя, полностью залитые маслом. При нагреве и охлаждении масла, связанных с изменением нагрузки трансформатора и колебаниями температуры охлаждающего воздуха, все изменения его объема компенсируются упругими деформациями волн стенки.

На рис. 9.14 показана стенка овального бака трансформатора в виде волн и форма и размеры одной волны. Обычно при выборе основных размеров стенки придерживаются следующих соотношений, дающих достаточно полное использование воздушного и масляного каналов волны:

отношение ширины воздушного канала волны а к ширине масляного канала с, а/с = 2,5; минимальная ширина масляного канала с= 10 мм; наибольшая глубина волны b = 300 мм; высота волнистой стенки Н_в на 0,1 м меньше предварительно рассчитанной глубины бака; толщина стенки

Поверхность излучения стенки, м₂,

(9.37)

Развернутая длина волны, м,

(9.38)

Шаг волны стенки, м,

(9.39)

Число волн

(9.40)

Поверхность конвекции стенки, м²,

(9.41)

где k_B - коэффициент, учитывающий затруднение конвекции воздуха в воздушных каналах волн,

здесь

Полная поверхность излучения бака, м²,

(9.42)

Полная поверхность конвекции бака, м²,

(9.43)

где П_КР -поверхность крышки бака, м²; П_Р - поверхность верхней рамы бака, м²,

Бак с охлаждающими трубами. Этот тип бака в течение десятилетий широко применялся в трансформаторах мощностью до 1600 кВ·А, но в последние годы был заменен более технологичным типом бака с навесными радиаторами и прямыми трубами. Следует, однако, иметь ввиду, что коэффициент теплоотдачи стенки с трубами выше, а удельный расход материалов ниже, чем у радиатора с прямыми трубами, и поэтому возврат к типу бака с трубами при возможном совершенствовании технологии его изготовления принципиально не исключен.

Число рядов труб выбирается обычно от одного до четырех в зависимости от необходимой по расчету поверхности конвекции. Увеличение числа рядов труб свыше четырех значительно ухудшает теплоотдачу внутреннего ряда труб. Соседние трубы разных рядов располагаются одна над другой. Расположение труб в шахматном порядке менее выгодно, так как при этом затрудняется движение воздуха и уменьшается теплоотдача. На рис. 9.15 показана одна из конструкций стенки трубчатого бака. Все трубы имеют радиус изгиба R. Трубы могут быть круглого сечения или овального. Шаги труб в рядах t_т и между рядами t_p могут быть различными. Применение овальных труб позволяет разместить в ряду большее число труб и обеспечить нормальную теплоотдачу бака при одном-двух рядах труб там, где трубы круглого сечения приходится располагать в два-три ряда.

Рис. 9.15. Элементы трубчатого бака

Обычно применяются трубы круглого сечения диаметром 51/48 мм с толщиной стенки 1,5 мм и овальные трубы с размерами поперечного сечения 72X20 мм при толщине стенки 1,5 мм. Сравнительные данные тех и других труб приведены в табл. 9.7. Эта же таблица позволяет выбрать число рядов труб для трансформаторов различных мощностей.

В последнее время трубы диаметром 51 мм иногда заменяются трубами диаметром 30 мм с толщиной стенки 1,2 мм. Такая замена позволяет уменьшить массу труб и масла в них и одновременно примерно на 15 % увеличить теплоотдачу с единицы поверхности трубы.

По (9.25) можно приближенно определить глубину бака трансформатора от дна до крышки Н. Расстояние между центрами отверстий наружного ряда труб b (b₂ на рис. 9.15) должно быть меньше Н на сумму расстояний с и е. Эти расстояния зависят от конструкции верхней рамы бака, длины прямого участка наружного ряда труб а (а₂ на рис. 9.15), формы сечения трубы и метода приварки дна и верхней рамы к стенке бака.

После определения основных размеров бака и выбора формы сечения трубы и числа рядов труб определяются размеры труб во всех рядах и подсчитываются поверхности излучения и конвекции бака трансформатора в следующем порядке.

Размеры поперечного сечения трубы, радиус закругления, шаг труб в ряду t_т и шаг между рядами t_p определяются по табл. 9.7. Прямой участок a₁ для внутреннего ряда труб принимается равным 50 мм. Далее определяются: и т.д.

Таблица 9.7. Данные круглых и овальных труб, применяемых в масляных силовых трансформаторах

По табл. 9.8 при принятой форме сечения трубы по размеру наружного ряда труб выбираются минимальные значения с и е. Затем находятся расстояния между осями труб на стенке бака, начиная с наружного ряда труб (с номером n).

Наружный ряд

второй ряд снаружи

третий ряд

Таблица 9.8. Минимальные расстояния оси трубы от дна и крышки бака для масляных силовых трансформаторов. Трубы круглого сечения 0 51 мм (рис. 9.15)

Примечание. Для труб овального сечения 72X20 мм при тех же размерах а значения c_min и e_min, найденные из таблицы, увеличивать на 10 мм.

Развернутая длина трубы в каждом ряду:

первый (внутренний) ряд

второй ряд

третий ряд

и т.д.

При выводе этих формул принято

Число труб в одном ряду на поверхности бака овальной формы

(9.44)

Поверхность излучения бака с трубами

(9.45)

где d—диаметр круглой трубы или больший размер поперечного сечения овальной трубы, мм.

Поверхность конвекции бака

(9.46)

где —коэффициенты, определяемые по табл. 9.6; — поверхность конвекции гладкого бака и крышки по (9.36), м²; —поверхность конвекции труб, м²,

(9.47)

здесь -поверхность 1 м трубы по табл. 9.7, м².

Если , найденная по (9.46), равна или немного больше необходимой поверхности конвекции, найденной по (9.30), то следует переходить к расчету превышения температуры обмоток и масла трансформатора над воздухом по § 9.7. Если полученная поверхность конвекции меньше необходимой или существенно больше ее, следует произвести соответствующую корректировку размеров бака или труб и. затем переходить к расчету превышения температуры. Увеличение поверхности может быть получено за счет увеличения прямого участка всех рядов труб на 50—70 мм, высоты бака, числа труб в ряду или числа рядов труб. Уменьшение поверхности может быть достигнуто путем уменьшения высоты бака, числа рядов труб или числа труб в ряду.

Бак с навесными радиаторами. Охлаждаемая поверхность бака с радиаторами образуется главным образом развернутой поверхностью радиатора. Эта конструкция позволяет получить значительно большие поверхности охлаждения, чем конструкция трубчатого бака при одинаковых внутренних его размерах. Число радиаторов и их расположение определяются необходимой поверхностью охлаждения и необходимостью получить наименьший общий габарит бака.

Конструкция радиатора обычно состоит из двух коллекторов прямоугольных или другой формы, т. е. стальных коробок, в которые ввариваются своими верхними и нижними концами трубы или волны. Радиатор фланцами своих коллекторов присоединяется к баку трансформатора. Возможно применение труб или волн различной формы и размеров и различные способы сочетания их с коллекторами. Навесной радиатор с прямыми трубами при естественном движении охлаждающего воздуха находит применение в широком диапазоне мощностей трансформаторов от 100 до 6300 кВ·A. Прямые трубы круглого или овального сечения ввариваются своими концами в нижний и верхний коллекторы радиатора (рис. 9.16). Оси коллекторов располагаются тангенциально по отношению к поверхности стенки бака.

Рис. 9.16. Трубчатый радиатор с прямыми трубами

Эти радиаторы выпускаются с одним рядом труб — 7 труб в ряду и с двумя рядами — 20 труб в ряду. Основные данные радиаторов приведены в табл. 9.9. Для радиатора с одним рядом труб размеры В и С равны 354 и 158 мм (см. рис. 9.16), для радиатора с двумя рядами труб — 505 и 253 мм соответственно.

Таблица 9.9. Основные данные трубчатых радиаторов с прямыми трубами по рис. 9.16

Примечания: 1. - поверхность конвекции труб; поверхность конвекции двух коллекторов, равная 0,15 м² при одном ряде труб и 0,34 м² при двух рядах.

2. Минимальные расстояния осей фланцев радиатора от нижнего и верхнего срезов стенки бака с₁ и с₂— соответственно 0,085 и 0,10 м.

В изготовлении бак с радиаторами этого типа имеет преимущество перед баком с трубами, поскольку отпадает необходимость в гибке труб и сверлении или штамповке отверстий под трубы в заготовке стенки бака, возникает возможность замены ручной сварки труб со стенкой бака, автоматической сваркой труб с коллекторами и, главное, возможность выделить изготовление радиаторов в отдельное самостоятельное производство.

Радиаторы этого типа могут крепиться к баку приваркой патрубков коллектора к стенке бака (100—250 кВ·А) или с помощью разъемного соединения на фланцах (100— 6300 кВ·А).

Главным недостатком радиаторов с прямыми трубами является затруднение движения охлаждающего воздуха у горизонтальных коллекторов (рис. 9.16) и вытекающее отвода уменьшение удельной теплоотдачи с единицы поверхности при заданной разности температур поверхности радиатора и охлаждающего воздуха. Это уменьшение теплоотдачи учитывается в коэффициенте определяемом по табл. 9.6 для поверхностей различной формы.

Конструкция радиатора с прямыми трубами показана на рис. 9.16, справочные данные по ряду радиаторов приведены в табл. 9.9.

Навесные радиаторы с охлаждающими трубами, изогнутыми в той же форме, что и трубы, ввариваемые в стенку бака, используются как при естественном движении охлаждающего воздуха (вид охлаждения М), так и при его принудительном движении (вид охлаждения Д). Для дуться, т. е. для ускорения движения воздуха в каждом радиаторе, устанавливаются вентиляторы (см. рис. 9.6).

На рис. 9.17, а показаны принципиальная конструкция и основные размеры двойного трубчатого радиатора, нашедшего в СССР широкое применение на трансформаторах мощностью от 2500 до 63 000 кВ·А.

Рис. 9.17. Трубчатый радиатор с гнутыми трубами:

а —двойной радиатор с числом труб 2Х2X16-64; б —одинарный радиатор с

числом труб 1X2X16-32

Радиатор состоит из четырех рядов круглых труб, по 16 труб в ряду, изогнутых по концам подобно трубам трубчатого бака и вваренных в два прямоугольных коллектора. Коллекторы на торцах снабжены двумя круглыми патрубками с фланцами, служащими для присоединения радиатора к баку трансформатора. При этом коллекторы располагаются радиально по отношению к поверхности бака. В радиаторах этой конструкции применяются те же трубы круглого сечения, что и в трубчатых баках, с теми же диаметром, толщиной стенки, поверхностью и массой 1 м, радиусом закругления, шагом труб в ряду и между рядами (см. табл. 9.7).

Радиаторы применяются как двойные описанной конструкции с четырьмя рядами труб, так и одинарные с двумя рядами труб, только с одной стороны коллекторов (рис. 9.17, б). Коллекторы одинарных радиаторов располагаются тангенциально к поверхности бака. Выпускаются радиаторы нескольких размеров, отличающиеся только общей длиной, характеризуемой расстоянием А между осями патрубков, служащих для присоединения радиатора к баку трансформатора. Основные данные нормальной серии одинарных и двойных радиаторов приведены в табл. 9.10. Выпускаются также двойные радиаторы с числом труб в ряду 18, 20 и 22.

Радиаторы описанной конструкции хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации, удельная теплоотдача с их поверхности выше, чем у радиатора с прямыми трубами, но конструкция прямотрубного радиатора, по мнению технологов, более технологична.

Таблица 9.10. Основные данные трубчатых радиаторов по рис. 9.17

Примечание. Поверхность коллектора П_к. одинарного радиатора 0,72, двойного 0,66 м2; G_ст — масса радиатора без масла; G_м — масса масла в радиаторе.

При тепловом расчете бака с навесными радиаторами предварительно по (9.35а) приближенно определяется поверхность излучения бака применительно к основным размерам бака. Затем по (9.30) рассчитывается необходимая поверхность конвекции и по данным табл. 9.9 или 9.10 подбираются соответствующее число и размеры одинарных или двойных трубчатых радиаторов. При этом поверхности конвекции гладкого бака и крышки подсчитываются для реальных размеров бака, а поверхности конвекции труб и коллекторов радиаторов находятся по табл. 9.9 и 9.10. Для бака овальной формы

При подборе размеров радиаторов следует учитывать, что минимальное расстояние от дна или крышки бака до горизонтальной оси ближайшего патрубка радиаторов по рис. 9.17 должно быть не меньше 170 мм и, следовательно, размер А радиатора (см. рис. 9.13) должен удовлетворять неравенству м. Для радиатора с прямыми трубами эти размеры принимаются по рис. 9.16. При размещении радиатора на баке следует оставлять минимальные промежутки между трубами соседних радиаторов; при параллельном расположении коллекторов—160 мм для двойных и 100 мм для одинарных радиаторов; при размещении коллекторов под углом —100 мм для двойных и 70 мм для одинарных радиаторов. Полная поверхность конвекции бака с радиаторами определяется по (9.48) и должна быть равна поверхности, найденной по (9.30), или несколько превышать ее. Если при полном использовании боковой поверхности бака для размещения двойных радиаторов поверхность конвекции оказывается недостаточной, следует переходить от естественного охлаждения к дутьевому

(9.48)

Коэффициенты , учитывающие форму поверхности и условия теплоотдачи, могут быть приняты по табл. 9.6. После окончательного размещения радиаторов на баке поверхность излучения уточняется по реальным размерам бака и радиаторов.