ИЗМЕНЕНИЕ ВТОРИЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

С ростом тока вторичной цепи или тока нагрузки I2 напряжение U2  на вторичной обмотке изменяется, что нарушает нормальную работу приемников электроэнергии .

Арифметическая разность ∆U между номинальным вторичным напряжением (или напряжением холостого хода) U2Н  и напряжением U2 , которое получается при заданном токе I2 и коэффициенте мощности нагрузки cos φ2  называется изменением напряжения:

∆U = U2н - U2.

В относительных единицах

.

Причиной изменения напряжения является падение напряжения на внутреннем сопротивлении

Из векторной диаграммы трансформатора можно получить приблизительную формулу для определения ∆U%:

.

Через составляющие напряжения короткого замыкания ∆U% определяется следующим образом:

Зависимость вторичного напряжения от вторичного тока при неизменном cos φ2  называется внешней характеристикой U2=f(I2). Иногда вместо тока I2 используется коэффициент нагрузки . При известном  внешнюю характеристику можно построить по формуле.

.

При нагрузке активного и активно – индуктивного характера с ростом I2 напряжения U2 уменьшается.

ПРОЦЕСС ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В МАСЛЯННЫХ

ТРАНСФОРМАТОРАХ

Потери электрической энергии, возникающие при работе трансформатора в его магнитпроводе, обмотках и конструктивных деталях, преобразуются в тепло и нагревают трансформатор. Для изоляционных материалов и масла установлены допустимые температуры, при превышении которых срок службы резко сокращается. Поэтому необходим проверочный тепловой расчет, при котором определяется температура нагрева различных частей трансформатора и сравнивается с допустимой.

Стандартом определяются следующие нормы превышения температуры частей масляного трансформатора над окружающей средой, температура которой принимается за 40°С:

· обмотки - 65°С

· магнитопровод – 75°С

· масло в верхних слоях – 60°С

Например, предельная температура обмотки в этом случае равна

θ = 40°+ 65° = 105°С, что соответствует допустимой температуре нагрева изоляции класса А.

Температура трансформатора через определенное время работы становится неизменной вследствие того, что тепло передается в окружающую среду.

Теплота передается от более нагретого тела к менее нагретому тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Закономерности этих процессов различны.

Основной характеристикой, которая определяет перепад температур при различных способах теплопередачи, является удельный тепловой поток или плотность теплового потока на поверхности:

 Вт/м².

где Р – тепловая мощность, проходящая через заданную поверхность П0 . Для обмоток трансформатора Р – потери мощности в данной обмотке,

П – её полная поверхность. Для трансформаторов с масляным охлаждением рекомендуемое значение qдоп  1200 Вт/м².

При определении поверхности охлаждения П0 необходимо учитывать, что часть поверхности обмотки может быть закрыта конструктивными деталями, вследствие чего эффективная поверхность охлаждения будет меньше реальной. Это учитывается введением коэффициента закрытия поверхности

Кз ≤ 1,0, на который надо умножить реальную поверхность. Предварительно принимается данный коэффициент равным Кз =0,75 – 0,8.

Если закрытая поверхность определяется рейками, которые обеспечивают определенное расстояние обмотки от изоляционного цилиндра или одной части обмотки от другой для образования охлаждающего канала, то коэффициент закрытия

где D – диаметр обмотки, n -  число реек, с – ширина рейки. При определении n и с можно ориентироваться на следующие рекомендации: ширина рейки с = 40 – 60 мм.; количество реек по окружности обмотки в зависимости от мощности n = 6 при S = 100 кВА, n = 8 при S = 100 – 630 кВА, n = 8 – 12 при S = 1000 – 1400 кВА и n = 12 – 16 при S = 2500 – 10000 кВА.

Удельный тепловой поток q можно определить без расчета поверхности обмотки. Вывод соответствующей формулы основывается на выражении для потерь в обмотке через удельное сопротивление ρ и плотность тока J, полученное в пункте 2.2. С учетом добавочных потерь имеем:

,

где Кд – коэффициент добавочных потерь (п. 3.10), Vпр – объем металла обмотки.

Для цилиндрической обмотки с двумя поверхностями, охлаждаемыми маслом, можно приближенно получить

,

где δ – размер обмотки в направлении теплопередачи (для цилиндрической обмотки – радиальный размер), К₀ - коэффициент заполнения объема обмотки металлом проводника, равный отношению суммарной площади сечения всех проводников к общей площади поперечного сечения обмотки. Этот коэффициент зависит от конструкции обмотки, формы проводника – круглый или прямоугольный и ряда других факторов.

Из этих двух выражений находим удельный тепловой поток

 Вт/м2

Если пренебречь межслойной изоляцией, неплотностью намотки и рядом других факторов, то приближенно

для прямоугольного провода

для круглого провода

Размеры проводов a, b, d – без изоляции, , ,  - с изоляцией.

Рассмотрим определение перепада температур в зависимости от удельного теплового потока при разных способах теплопередачи.

Теплопроводность

Под теплопроводностью понимается перенос теплоты путем соприкосновения тел или частей тела с различной температурой, не связанный с перемещением частиц тела.

Если удельный тепловой поток q передаётся через плоскую однородную стенку, толщиной δ (например, изоляционный цилиндр, прокладку, стенку бака), то перепад температур (рис. 4,а):

где θ1 - температура более нагретой поверхности, θ2 - температура менее нагретой поверхности, λ – коэффициент теплопроводности материала стенки.

Рис. 4 Теплопередача через плоскую стенку при подводе тепла извне (а)

и при выделение тепла в самой стенке (б)

Коэффициент теплопроводности λ для различных материалов приводится в табл. 32.

Некоторые элементы трансформатора можно рассматривать как плоские стенки, внутри которых выделяется определенное количество тепла, которое передаётся через боковые поверхности (рис. 4,б). Такими элементами являются обмотки и магнитопровод, внутри которых имеются потери электроэнергии, преобразующиеся в тепло. Распределение источников тепла внутри тела применительно к трансформатору можно считать равномерным. Теплопередача при наличии внутренних источников будет проходить иначе, поскольку тепловой поток по пути прохождения не остается постоянным, как в первом случае, а непрерывно увеличивается от середины к поверхности.

Для плоской стенки внутренними источниками тепла, например, обмотки максимальное превышение температуры между центром стенки θ1 и наружной поверхностью θ2 (рис. 4,б):

где λср – средняя теплопроводность, учитывающая неоднородность материала обмотки, δ – размер обмотки в направлении теплового потока.

Конвекция

Под конвекцией понимается передача теплоты за счет движения частиц жидкости или газа. В трансформаторе роль жидкости играет трансформаторное масло, роль газа – окружающий воздух.

Удельный тепловой поток при конвективном теплообмене

где αк – коэффициент теплоотдачи конвекцией, θ1 – температура поверхности нагретого тела, θ2 – температура жидкости или газа.

Коэффициент теплоотдачи αк зависит от многих факторов: разности температур, высоты поверхности, её расположения, типа омывающей среды и других факторов. Определяется экспериментально или с помощью эмпирических формул.

Превышение температуры

.

Так как αк зависит от температуры, то часто разность температур определяется по эмпирической формуле вида

где к – опытный коэффициент зависящий от условий теплообмена,

n = 0,6 – 0,8 – показатель степени.

Излучение

В нагретом теле часть тепла превращается в энергию электромагнитных волн, называемых тепловыми. Такой процесс передачи тепла называется тепловым излучение или лучеиспусканием.

Удельный тепловой поток при лучистом теплообмене зависит от абсолютной температуры в четвертой степени:

,

и в значительной мере проявляется при высоких температурах.

В трансформаторах температуры относительно невелики, поэтому для упрощения расчета его ведут как при конвекции с введением коэффициента теплоотдачи излучением

и рассматривают общую теплоотдачу

В трансформаторе теплоотдача конвекцией происходит от нагретых поверхностей обмоток и магнитопровода в масло, а конвекцией и излучением – от внешней поверхности бака в окружающую среду. Например, при разности температур в десятки градусов для конвекции с поверхности бака в воздух αк = 8 Вт/м^{2 °}С, а для излучения αи = 6 Вт/м^{2 °}С.

Эффективность масла как охладителя заключается в том, что для него коэффициент теплоотдачи конвекцией αк = 90 – 110 Вт/м^{2 °}С, что более чем в 10 раз выше, чем для воздуха.

 Рассмотрим кратко путь теплового потока в трансформаторе: от внутренних точек обмоток и магнитопровода до их наружных поверхностей (теплопроводность), затем от наружных поверхностей в масло (конвекция); масло переносит все тепло к внутренней поверхности бака (конвекция); за счет теплопроводности через стенки бака тепло переносится на его наружную поверхность, а затем конвекцией и излучением отдается в окружающую среду.