РАЗДЕЛ 2
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОБМОТКАХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ МАСЛЯНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ
2.1. Способы охлаждения обмоток высоковольтных трансформаторов
С точки зрения протекания процессов теплообмена внутри трансформатора существуют два принципиально различающиеся между собой способа охлаждения силовых трансформаторов: с естественной и с принудительной (смешанной) циркуляцией масла в обмотках.
В первом случае масло омывает обмотку под действием свободной конвекции, т.е. движение масла создается за счет изменения плотности по-разному нагретых слоев масла вдоль высоты охлаждающего канала. Во втором случае движение масла обусловлено работой масляных насосов внешней системы охлаждения.
Каждый из этих способов может быть представлен соответствующей математической моделью, описывающей процессы теплообмена и соответствующим методом решения.
При естественном масляном охлаждении циркуляция масла в контуре охлаждения осуществляется за счет гравитационных сил. Выделяющиеся в активной части трансформатора электрические потери преобразуются в тепловую энергию, которая преимущественно путем конвективного теплообмена передается окружающему активную часть маслу. Масло под действием воспринятого им тепла нагревается, и его плотность уменьшается, в связи, с чем оно в зоне активных частей устремляется вверх, а вместо переместившегося нагретого масла снизу поступает более холодное.
При естественном масляном охлаждении скорость масла является функцией температуры W=W(t). Система уравнений, описывающая данный процесс является нелинейной, поскольку физические свойства трансформаторного масла зависят от температуры. В соответствии с формой обмоток удобно использовать цилиндрическую систему координат:
t = t(x, r, ?, W, ?, Cp, ?3),
W = W(x, r, ?, t, ?, ?, Cp, ?3),
? = ?(t),
? = ?(t),
Cp = Cp(t),
?3 = ?3(t), (2.1)где t - температура масла, оС;
x, r, ? - текущие координаты точки, м;
W - скорость трансформаторного масла, м/с;
? - удельная плотность масла, кг/м3;
? - динамическая вязкость масла, кг/м.с,
Cp - удельная изобарная теплоемкость масла, Дж/кг.град;
?3. - теплопроводность масла, Вт/м.град.
При принудительном масляном охлаждении циркуляция масла в контуре охлаждения осуществляется преимущественно за счет действия внешних сил, (работы масляных насосов), что позволяет значительно повысить скорость движения трансформаторного масла. Влияние гравитационных сил в этом случае существенно снижается.
В этом случае условия теплопередачи существенно изменяются. Поскольку масло под действием внешней принуждающей силы движется вдоль поверхности обмотки с большой скоростью, коэффициент теплоотдачи обмотки увеличивается. Правда экспериментальные исследования показали, что наибольшее превышение температуры обмотки уменьшается медленнее, чем увеличение скорости масла, прокачиваемого по охлаждающим каналам [108]. По данным исследований, проведенных на предприятии "Ганц", которые согласуются с данными других литературных источников, при скорости масла, равной нескольким дециметрам в секунду, перепад температуры между поверхностью обмотки и маслом уменьшается по сравнению с перепадом температуры по толщине изоляции настолько, что дальнейшее увеличение скорости становится нецелесообразным, поскольку это приводит только к увеличению мощности масляных насосов без заметного уменьшения теплового сопротивления [33]. Поэтому большой практический интерес представляют собой установление аналитической зависимости t = t(x, r, ?, W) для различных типоразмеров и конструкций обмоток.
При принудительном направленном охлаждении можно считать заданным расход масла через обмотку и пренебречь в первом приближении зависимостью свойств масла от температуры. Решение задачи в этом случае сводится к интегрированию линейных уравнений движения и энергии, описывающих поле скоростей в масле и температурные поля в масле и обмотке с соответствующими граничными условиями:
t = t(x, r, ?, W),
W = W(x, r, ?). (2.2) Изучение теплообмена и связанного с ним движения масла сводится в конечном итоге к определению зависимостей (2.1) и (2.2).
2.2. Классификация обмоток трансформаторов по способу охлаждения в зависимости от их конструкции
Все обмотки трансформаторов по характеру намотки можно подразделить на следующие основные типы: цилиндрические, винтовые, катушечные. Эти типы в свою очередь могут подразделяться по ряду второстепенных признаков: числу слоев или ходов, наличию параллельных ветвей, транспозиции и т.д. С точки зрения условий охлаждения все обмотки можно разбить на два типа: цилиндрические и дисковые. Первые из них представляют собой кольцевой цилиндр, омываемый маслом с боковых сторон. Вторые представляют собой кольцевой цилиндр, набранный из отдельных дисков, с горизонтальными каналами между ними. У дисковых обмоток маслом омываются как боковые стороны, так и торцевые поверхности дисков вдоль горизонтальных каналов.
Для всех типов обмоток необходимо различать два принципиально разных рода охлаждающих поверхностей: открытые поверхности и охлаждающие каналы. Открытые поверхности обмоток, это когда трансформаторное масло (или другая охлаждающая жидкость) имеет свободный доступ ко всем точкам этих поверхностей. В противоположность открытым поверхностям вертикальные охлаждающие каналы отличаются тем, что напротив поверхности, нуждающейся в охлаждении, на некотором расстоянии от нее находится параллельная ей стенка, которая сама является пассивной в термическом отношении поверхностью. Расстояние между стенками, ограничивающими канал, фиксируется вертикальными рейками, образующими полости призматической формы, по которым движется трансформаторное масло. В связи с этим обмотки охлаждаются только тем маслом, которое поступает в вертикальный канал в нижней части обмотки. Отсутствие возможности притока масла в канал приводит к тому, что процесс теплоотдачи в канале не аналогичен тепловым процессам для