Нагрівання та охолодження трансформаторів
Процес нагрівання та охолодження трансформаторів
При роботі трансформаторів частина енергії, що перетворюється ним, втрачається, тому корисна потужність трансформатора, що віддається їм у навантаження, менша за потужність, що споживається ним з мережі джерела енергії. Втрата енергії відбувається як у магнітопроводі трансформатора, так і в його обмотках. Обмотки трансформатора нагріваються струмами, що протікають по них. Втрата енергії в обмотках трансформатора Р пропорційна квадрату щільності струму та ваги обмотувального дроту G.
У магнітопроводі трансформатора виникають втрати енергії за рахунок перемагнічування сталі та вихрових струмів. Втрати сталі магнітопровід залежать від частоти, магнітної індукції, магнітних властивостей матеріалу і товщини сталевих листів, з яких зібраний магнітопровід. Втрати в сталі Зростання пропорційні вазі магнітопроводу G і квадрату максимальної магнітної індукції в магнітопроводі.
Електромагнітні навантаження трансформатора (магнітну індукцію та щільність струму) не можна безмежно збільшувати. Магнітну індукцію в магнітопроводі не можна збільшувати скільки завгодно, так як при перевищенні відомої міри струм, що намагнічує, може виявитися надмірно великим. Щільність струму у проводах обмоток так само не можна збільшувати необмежено, оскільки падіння напруги в опорі обмоток при цьому зростає, знижуючи вторинну напругу трансформатора при навантаженні.
Ще більшою мірою електромагнітні навантаження обмежені допустимими втратами енергії в активних матеріалах трансформатора, тобто в сталі магнітопроводу і проводах обмоток. При збільшенні магнітної індукції зростають втрати у сталі, а при збільшенні щільності струму — втрати у дротах обмоток. Втрати енергії, що виділяються в трансформаторі під час його роботи, перетворюються на тепло і нагрівають його. Цетепло випромінюється від поверхні трансформатора у навколишнє середовище.
Охолодження нагрітих частин трансформатора відбувається за рахунок тепловипромінювання, теплопровідності та конвекції. Тепло відводиться в довкілля головним чином із вільних частин трансформатора (зовнішня циліндрична поверхня обмотки та поверхня ярма). Для збільшення поверхні охолодження роблять вентиляційні канали в магнітопроводі та обмотках.
Внутрішні частини магнітопроводу та обмоток віддають своє тепло поверхневим частинам завдяки теплопровідності. Кількість тепла, що випромінюється в навколишнє середовище, залежить як від поверхні охолодження, так і від різниці температур нагрітих частин трансформатора та навколишнього середовища.
Температура трансформатора спочатку підвищується швидко (рис. 15 а), так як мала різниця температур трансформатора і навколишнього середовища. Отже, кількість тепла, що випромінюється в довкілля, також мало і втрата енергії в трансформаторі витрачається в основному на його нагрівання.
У міру підвищення температури трансформатора збільшується кількість тепла, що випромінюється в навколишнє середовище, і трансформатор нагрівається повільніше. Температура підвищується до певного значення Т, при якому кількість тепла, що виділяється в трансформаторі, повністю випромінюється в навколишнє середовище.
Якщо трансформатор відключити після роботи, його нагріті частини почнуть охолоджуватися. Коли різниця температур трансформатора та довкілля досить велика, трансформатор. охолоджується швидко (рис. 15 б). У міру зниження температури трансформатора різниця температур його та навколишнього середовища зменшується та процес охолодження уповільнюється.
Якщо при роботі трансформатор нагрівається хоча б у якійсь точці до температури, вищої за допустимудля будь-якого матеріалу, з якого виготовлений трансформатор, трансформатор може вийти з ладу. Таким чином, електромагнітні навантаження обмежуються тим матеріалом, який найбільш чутливий до нагрівання.
Ізоляційні матеріали, що застосовуються в трансформаторах, по-різному реагують на підвищення температури. Найчастіше виходить з ладу раніше за інших паперова ізоляція, що є найменш нагрівостійким матеріалом з ізоляційних матеріалів, що використовуються в трансформаторобудуванні. Паперова ізоляція в маслі довго витримує температуру до 105° без істотного зниження своїх ізоляційних властивостей. При нагріванні до температури вище за допустиму відбувається інтенсивне старіння ізоляції, тобто вона швидко втрачає свою електричну і механічну міцність, що веде до виходу з ладу трансформатора.
У ГОСТ 11677-65 встановлені для окремих частин масляного трансформатора наступні найбільші перевищення температури над температурою повітря, що охолоджує, яка приймається рівною 40°С: обмотки (по виміру опору) 65°С; % магнітопровід (на .поверхні75°С масло верхніх шарах Вказані температури встановлені з урахуванням коливання температури протягом доби та року та зміни навантаження транс-. форматора.
Трансформатор є неоднорідне тіло і окремі його частини нагріваються в різній мірі. Необхідно, щоб температура його найбільш нагрітих частин була не вищою за допустиму.
Нагрів трансформатора залежить від втрат енергії та інтенсивності охолодження. Чим інтенсивніше охолодження трансформатора, тим більшими будуть допустимі втрати енергії. Для трансформаторів різних потужностей умови охолодження є різними. Чим більша номінальна потужність трансформатора, тим складніше здійснити його охолодження. Так, длятрансформаторів малих потужностей (десятки чи сотні вольтампер) природне повітряне охолодження виявляється достатнім. Для трансформаторів великих потужностей (десятки, сотні, тисячі і т. д. кіловольтампер) застосовують спеціальні заходи для підвищення інтенсивності охолодження (масляне охолодження, вентиляційні канали, обдув. бака і т. д.).
Це тим, що із збільшенням номінальної потужності трансформатора збільшуються його лінійні розміри. Якщо для трансформаторів різних номінальних потужностей використовувати однакові активні матеріали (сталь магнітопроводу та обмотувальний провід) та допустити однакові електромагнітні навантаження (магнітну індукцію та щільність струму), то втрати енергії в трансформаторі АР будуть пропорційні вазі активного матеріалу або його об'єму V. Об'єм V пропорційний третій ступеня лінійного розміру поверхня охолодження S пропорційна другому ступеню лінійного розміру
Таким чином, зі збільшенням номінальної потужності трансформатора (зі збільшенням його розмірів) втрати енергії; . Щоб уникнути перегріву трансформаторів зі збільшенням їхньої потужності підвищують інтенсивність їхнього охолодження.