Охлаждающие устройства масляных трансформаторов. Расчет охлаждаемой (теплоотдающей) поверхности

Для масляных трансформаторов мощностью до 40 ква достаточно иметь стенки баков гладкими без дополнительных охлаждающих устройств.

Чтобы перегрев верхних слоев масла не превышал допустимых 55 °С, удельная тепловая нагрузка q6 согласно формулам (10.10) и (10.11) не должна превышать 570—580 вт/м². Именно такое значение q₆ по соотношению суммарных потерь трансформатора и поверхности его бака получается у трансформаторов мощностью до 40 ква.

Для больших мощностей гладкой поверхности баков становится недостаточно и ее приходится искусственно увеличивать. Это происходит потому, что потери трансформатора растут пропорционально весу его активных материалов меди и стали, а следовательно, их объему, т. е. кубу линейных размеров трансформатора, а поверхность бака — только квадрату его размеров. Иными словами, рост охлаждаемой поверхности трансформатора отстает от роста его потерь при увеличении мощности. Значит, чтобы с ростом мощности трансформатора перегрев масла не увеличивался, необходимо применять дополнительные охлаждающие устройства.

Увеличение поверхности баков для трансформаторов мощностью до 1600 ква достигается путем применения трубчатых баков, т. е. баков, в стенки которых вварены трубы в один, два, три, реже в четыре ряда в зависимости от мощности. Применение большего числа рядов труб становится малоэффективным, поэтому для мощностей свыше 1000—1600 ква и до 10 000 ква применяются гладкие баки с навешенными на них трубчатыми охладителями (радиаторами). Такие охладители бывают одинарными и двойными. Они присоединяются к баку при помощи вваренных в него патрубков с фланцами.

При мощности свыше 10 000 ква естественное масляное охлаждение, даже при помощи отдельных охладителей, становится недостаточным и поэтому применяют форсированное охлаждение — дутьевое (при котором охладители обдуваются струей воздуха), циркуляционное (с принудительной циркуляцией масла) и др.

Рис. 10.9. Трубчатый бак трансформатора мощностью 250 ква

Рис. 10.10. Определение основных размеров бака

Для расчета охлаждаемой поверхности бака необходимо определить его минимальные размеры.

Баки трехфазных силовых трансформаторов обычно имеют (в плане) овальную форму. Такая форма наиболее близко подходит к форме активной части трансформатора и вместе с тем является относительно простой для изготовления бака.

Гладкий бак состоит из стенки, дна и рамы. Стенка изготовляется из стальных листов, соединенных между собой электродуговой сваркой, и приваривается к дну бака. К верхней части стенки приваривается рама. Рама изготовляется из стальной полосы и имеет отверстия, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. К раме болтами крепится крышка, также изготавливаемая из листовой стали. Между рамой и крышкой помещается прокладка — полоса из маслостойкой резины, служащая герметичным уплотнением этого соединения. Бак с установленной в него активной частью трансформатора заполняется трансформаторным маслом.

Трубчатые баки имеют круглые или овальные трубы, вваренные своими концами в стенки. Внешний вид трубчатого бака с круглыми, трубами трансформатора габарита II изображен на рис. 10.9.

Минимальные внутренние размеры бака определяются согласно рис. 10.10.

Размеры бака в плане определяются внешними габаритными размерами активной части и минимально необходимыми изоляционными расстояниями от обмоток и отводов до стенок бака.

Для проектируемых промышленных серий силовых трансформаторов указанные изоляционные расстояния берутся по заводским инструкциям или для этого можно пользоваться данными, приведенными в [Л.2]. Для учебных расчетов трансформаторов до 35 кв достаточно принять расстояние от обмотки ВН до стенки бака ориентировочно равным 150 мм против широкой стенки (со стороны отводов) и 75 мм против закругленной части стенки.

Следовательно, длина

А = 2М0+ D_ВН + 2•75; (10.12)

ширина

B = D_BH + 2•150. (10.13)

Высота (глубина) бака определяется высотой H_В активной части и минимальным расстоянием от верхнего ярма магнитопровода до крышки бака, обеспечивающим размещение нижних частей проходных изоляторов, отводов и переключателей (если последние крепятся под крышкой), а также классом напряжения обмотки ВН.

Таким образом, высота бака

H_б=H+2h₀+H_я.к.+50 мм (10.14)

где H — высота окна магнитопровода, мм;

hя — высота (наибольшая) ярма, мм; Hя.к — расстояние от верхнего ярма до крышки (мм) берется

по табл. 10.4;

50 мм — примерное расстояние от дна бака до нижнего ярма.

Таблица 10.4

Класс напряжения обмотки ВН, кв	Минимальное расстояние от ярма до крышки, мм

Таблица 10.5

Число рядов труб	Коэффициент кратности Kp
Гладкая стенка 1 ряд труб 2 ряда труб 3 ряда труб 4 ряда труб	2.8 4.0 5.2 5.7

Расстояние от ярма до крышки, выбранное по табл. 10.4, может быть увеличено, если по ходу расчета охлаждения необходимо увеличить высоту бака (например, для более рационального размещения труб или охладителей).

Исходя из найденных основных размеров бака А,B,H_б (см. рис. 10.10), может быть определена поверхность боковой стенки овального бака

(10.15)

где р_б — периметр стенки бака, мм.

Поверхность крышки овального бака

(10.16)

Установка труб увеличивает охлаждаемую поверхность бака. Так как теплоотдача путем конвекции происходит со всей поверхности труб, а путем излучения — только с внешней их стороны, то эффективная охлаждаемая поверхность трубчатого бака всегда меньше его геометрической поверхности. Кроме того, коэффициент эффективности теплоотдачи уменьшается с увеличением числа рядов труб. По этой причине применять число рядов труб более четырех нецелесообразно.

Рис. 10.11. Размещение круглых труб на стенке бака

Трубы применяются разных размеров и формы: круглые с наружным диаметром 51 и 30 мм и овальные — 75 х 20 мм.

Расчет эффективной охлаждаемой поверхности трубчатого бака производится путем определения поверхности стенки бака и всех труб с умножением их значений на определенные коэффициенты эффективности, зависящие от числа рядов труб.

Для круглых труб 0 51 мм эффективная поверхность трубчатого бака может быть приближенно определена умножением поверхности стенки бака на некоторый коэффициент кратности /Скр увеличения охлаждаемой поверхности согласно табл. 10.5.

Значения Ккр соответствуют такому размещению труб на стенке бака, при котором расстояние между осями труб в ряду равно 70 мм и между рядами — 75 мм (рис. 10.11).

Если на баке трубы размещены, к примеру, частично в 2 ряда и частично в 3 ряда, то коэффициент кратности будет иметь некоторое промежуточное значение.

Например, предположим, что в 2 ряда покрыто трубами 40% поверхности стенки, а остальная часть — в 3 ряда. Тогда коэффициент кратности

.

Таким образом, общая охлаждаемая поверхность трубчатого бака

(10.17)

где 0,75 — коэффициент, учитывающий закрытие поверхности крышки

бака вводами и другой арматурой.

Радиаторные баки, как было сказано ранее, для установки на них охладителей (радиаторов) имеют в верхней и нижней частях патрубки с фланцами, вваренные в стенки бака.

Рис. 10.12. Трубчатый охладитель(радиатор) для естественного масляного охлаждения:

А – двойной охладитель с числом труб 2•2•16=64;

Б - одинарный охладитель с числом труб 2•16=32

Наиболее широкое применение имеет трубчатый охладитель, двойной или одинарный (рис. 10.12). Для этих охладителей применяются трубы наружным диаметром 51 мм. Как видно из рис. 10.12, охладитель состоит из четырех (двойных) или двух (одинарных) рядов круглых труб по 16 труб в ряду, изогнутых по концам, подобно тому, как это выполняется у трубчатого бака, и вваренных в два прямоугольных коллектора. Коллекторы снабжены двумя круглыми патрубками с фланцами, при помощи которых охладитель присоединяется к баку трансформатора. Двойные охладители располагаются радиально, а одинарные — тангенциально по отношению к стенке бака. В соответствии с этим патрубки находятся либо на торце коллектора, либо на его середине.

Рис. 10.13. Расположение охладителей на баке и минимальные расстояния между ними:

a — радиальное расположение двойных охладителей; б — тангенциальное расположение одинарных охладителей; 1 — трубы; 2—угольники крепления; 3—коллектор

Расположение охладителей на баке и минимальные расстояния между ними показаны на рис. 10.13.

Размеры охладителей нормализованы по расстоянию между осями патрубков. Тип охладителя выбирается в зависимости от высоты и периметра бака, а их количество — от требующейся охлаждаемой поверхности. В обозначении типа охладителя числитель означает расстояние А между осями в см, а знаменатель — поверхность в м² (см. рис. 10.12).

Основные данные трубчатых охладителей приведены в табл. 10.6.

Общая охлаждаемая поверхность радиаторного бака

П_рад.б= nП_охл+П_б+0,75П_кр (10.18)

где n — число охладителей;

П_охл — эффективная поверхность охладителя, м²;

П_б — поверхность гладкой стенки бака, м².

Таблица 10.12

Тип охладителя	Эффективная поверхность охладителя, м2	Размер А, мм	Минимальная высота бака А+345 мм
одинарного	двойного	одинарного	двойного
188/9,4	188/17,8	9,45	17,8
200/10	220/18,9		18,9
228,5/11,1	228,5/21,2	11,15	21,2
248,5/11,9	248,5/22,7	11,9	22,7
268,5/12,7	268,5/24,4	12,75	24,4
300/13,9	300/26,7	13,9	26,7
325/14,8	325/28,6	14,85	28,6
375/16,7	375/32,4	16,75	32,4