Тепловой режим трансформаторов

Мощность потерь в трансформаторе относительно номинальной мала, но ее значение в трансформаторах большой мощности может быть велико, поэтому одной из важнейших задач при конструировании трансформаторов является обеспечение отвода в окружающую среду теплоты, нагревающей обмотки и магнитопровод. Задача эта тем сложнее, чем больше мощность трансформатора. При заданных индукции в магнитопроводе и плотности тока в обмотках мощность потерь возрастает пропорционально увеличению объема трансформатора, т. е. пропорционально кубу увеличения его линейных размеров, а поверхность теплоотдачи увеличивается лишь пропорционально квадрату увеличения линейных размеров. Следовательно, с увеличением мощности трансформатора приходится искусственно увеличивать поверхность охлаждения и усиливать теплоотдачу с этой поверхности. Ухудшение условий теплоотдачи с ростом мощности наблюдается в большинстве электрических машин и аппаратов.

Для охлаждения трансформатора применяются: естественное воздушное охлаждение, естественное масляное охлаждение, масляное охлаждение с принудительным воздушным охлаждением, масляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла.

Естественное воздушное охлаждение применяется в сухих трансфор­маторах: теплота, выделяющаяся в трансформаторе, отдается непосредственно окружающему воздуху. Вследствие плохой теплоотдачи распределение температуры в сухом трансформаторе может быть весьма неравномерным. Кроме того, низкая электрическая прочность воздуха (2,1 МВ/м) ухудшает условия изоляции в сухом трансформаторе; приходится считаться и с тем, что пыль, оседая на обмотках, существенно ухудшает их изоляцию. По этим причинам воздушное охлаждение применяется преимущественно в трансформаторах малой мощности и низкого напряжения.

Основное значение в настоящее время имеют масляные трансформаторы, у которых магнитопровод с обмотками помещен в стальной бак, наполненный тщательно очищенным минеральным маслом. Последнее, нагреваясь, циркулирует в баке и, омывая обмотки и магнитопровод, охлаждает их (конвекция). Электрическая прочность масла в несколько раз выше, чем воздуха, что позволяет значительно уменьшить расстояния от обмоток до магнитопровода.

В трансформаторах мощностью до 20-30 кВА достаточную поверхность охлаждения дает гладкий бак. С увеличением мощности трансформаторов до 15-20 тыс. кВА применяются трубчатые (см. рис. 7.3) или радиаторные баки с естественным или принудительным воздушным охлаждением их поверхности. Для трансформаторов больших мощностей (примерно от 90 МВА) применяются принудительные циркуляция масла и воздушное охлаждение радиаторов.

Объем масла в баке трансформатора во время работы значительно изменяется при нагревании и охлаждении. Когда масло сжимается, внутрь бака проникает влажный воздух и отдает влагу весьма гигроскопичному маслу. В результате, на дне бака собирается слой воды, а электрическая прочность масла резко уменьшается. Кроме того, кислород воздуха вызывает процессы окисления в масле, также снижающие его электрическую прочность. Чтобы защитить масло от соприкосновения с воздухом, баки трансформаторов большой мощности наполняют маслом доверху, а резервуаром для избытка нагретого масла служит расширитель (см. рис. 7.3) — цилиндр из листовой стали. Он укрепляется на крышке трансформатора и соединяется с баком трубопроводом, который заканчивается в расширителе несколько выше его дна. Объем расширителя составляет примерно 10% объема бака. Влага воздуха и осадки в большей части оседают на дне расширителя, откуда периодически удаляются через спусковой кран. Поверхность соприкосновения масла с воздухом в расширителе значительно меньше, чем в баке без расширителя; кроме того, масло здесь более низкой температуры и меньше окисляется.

Недостатком масляного охлаждения является горючесть масла (температура возгорания масла около 160°С), оно пожаро и взрывоопасно. Газы, образующиеся при возгорании масла, могут сорвать крышку трансформатора, и масло будет выброшено из бака. Для предупреждения деформации бака при образовании газов трансформаторы мощностью 1000 кВА и больше имеют выхлопную трубу (см, рис. 7.3), которая закрывается стеклянной пластинкой - мембраной. При образовании большого объема газов они выдавливают мембрану и выходят в атмосферу.

Для особо ответственных установок применяются трансформаторы, баки которых заполняются кристаллическим кварцевым песком или негорючей синтетической жидкостью (совтолом); эта жидкость и ее пары ядовиты.

Применение жидких хладагентов существенно осложняет эксплуатацию трансформаторов, так как необходимы постоянный надзор за состоянием этих охладителей и периодическая их очистка или замена.