Допустимая температура сухих трансформаторов

Классификация трансформаторов

Хотя трансформаторы можно классифицировать по основной конструкции (типу магнитопровода), более практичные виды стандартизированной классификации основаны на назначении трансформатора для конкретного применения и на способе отвода тепла, вызванного потерями в нем.
Существует несколько типов изоляционных рабочих сред.

Две основные группы изоляционных рабочих сред:

В этой статье в основном речь пойдет о нагреве сухих трансформаторов и иногда будут делаться сравнения с масляными трансформаторами.

Как обстоит дело с сухими трансформаторами?

Сухие трансформаторы рассчитаны на отвод тепла, появившегося в результате потерь трансформатора, прежде всего за счёт циркуляции воздуха.
У воздуха относительно низкая теплоемкость. Когда воздушная масса проходит над объектом с более высокой температурой, то лишь небольшое количество тепла может быть отдано этим объектом воздухоподогревателю и отведено в окружающую среду.

Жидкости, с другой стороны, способны отводить большое количество тепла.

Хотя трансформаторы с воздушным охлаждением и работают при более высоких температурах, они не способны отводить тепло так же эффективно, как трансформаторы с жидкостным охлаждением.

Это ещё больше осложняется еще и присущей сухим трансформаторам неэффективностью. Трансформаторные масла и другие синтетические трансформаторные жидкости способны отводить большее количество избыточного тепла.

Сухие трансформаторы особенно подходит для целого ряда применений. Так как в сухих трансформаторы не используется масло, их можно использовать там, где должна быть сведена к минимуму опасность возникновения пожара. Однако поскольку сухие трансформаторы рассчитаны на воздушное охлаждение, а также потому что потери в них, как правило, выше, существует верхний предел их мощности (обычно около 10000 кВА, хотя постоянно разрабатываются более мощные.

Также по причине того, что масло не подходит для повышения диэлектрической прочности изоляции, требуется большее количество изоляции на обмотках и больший зазор её намотки между отдельными витками.

Сухой трансформатор, внешний вид

Сухие трансформаторы могут предназначаться для работы при более высоких температурах, чем масляные (температура поднимается выше 150°C).

Хотя масло способно отводить большее количество тепла, рабочая температура масла должна поддерживаться ниже примерно 100°C для предотвращения ускоренного пробоя масла.

Из-за применяемых изоляционных материалов (стекла, бумаги, эпоксидных смол и т.д.) и использования воздуха в качестве охлаждающей среды рабочие температуры сухих трансформаторов по своей природе более высокие. Важно, чтобы была обеспечена достаточная вентиляция. Хорошим практическим методом является выделение не менее 1,86 квадратных метров на входе и выходе вентиляции в комнате или в шкафу на каждые 1000 кВА мощности трансформатора.

Если известны потери трансформатора, должен быть обеспечен объем воздуха в количестве 2,83 м3/мин. на каждый 1 кВт потерь трансформатора. Сухие трансформаторы бывают с естественным или принудительным воздушным охлаждением.
Самоохлаждаемый сухой трансформатор охлаждается за счет естественной циркуляции воздуха через корпус трансформатора.

Обозначение класса охлаждения этого трансформатора AA. Этот тип трансформаторов рассчитан на то, что конвекционные потоки, создаваемые теплом трансформатора, образуют поток воздуха через катушки трансформатора.

Для увеличения циркуляции воздуха через корпус часто используются вентиляторы. Чтобы направить поток холодного воздуха через обмотки трансформатора используются жалюзи или решетчатые отверстия. Категория кВА сухих трансформаторов с охлаждением при помощи вентиляторов увеличивается более, чем на 33 процента по сравнению с самоохлаждаемыми трансформаторами сухого типа такой же конструкции.

Обозначение класса охлаждения трансформаторов с охлаждением при помощи вентиляторов или воздушного дутья FA. Производятся сухие трансформаторы с комбинированным естественным и принудительным воздушным охлаждением. Обозначение этого типа трансформаторов ANFA.

Используется также много других типов сухих трансформаторов, и постоянно развиваются новые конструкции. Заполнение бака различными инертными газами или заливка всей сердцевины эпоксидными смолами – это всего лишь некоторые из применяемых в настоящее время методов.

Два преимущества сухих трансформаторов — это то, что в них нет жидкости, которая могла бы вытечь или со временем испортиться, и то, что они практически не пожароопасны.

Важно помнить, что сухие трансформаторы рассчитаны прежде всего на отвод тепла сердечника через наружную поверхность. Хотя они требуют меньшего обслуживания, нужно поддерживать чистоту материалов сердечника и корпуса.

Тонкая прослойка пыли или смазки может выступать в качестве изоляционного слоя и сильно снижать способность трансформатора отводить тепло.

Конструкция сухих силовых трансформаторов (видео):

Любой электроприбор во время работы нагревается. Электротрансформатор не является исключением. Но перегрев приводит к выходу аппарата из строя, поэтому при эксплуатации следует учитывать, какова предельно допустимая и рабочая температура трансформатора.

Причины нагрева трансформаторов

Коэффициент полезного действия трансформатора, как и любого другого электроприбора, ниже 100% – от 80% у небольших устройств мощностью 10Вт до 99,5% у силовых трансформаторов. Потери выделяются в обмотках и магнитопроводе в виде тепла.

Нагрев магнитопровода

Потери в сердечнике состоят из двух составляющих:

• вихревые токи;
• потери на гистерезис.

Вихревые токи наводятся обмотками трансформатора в магнитопроводе, причем чем меньше его сопротивление, тем больше токи и нагрев железа. Для увеличения сопротивления железный сердечник делается не сплошным, а из тонких листов, изолированных друг от друга лаком и окисной пленкой. Изготавливаются он не из обычной углеродистой стали, а из трансформаторного железа, с добавками кремния, повышающего сопротивление металла.

При работе магнитопровод намагничивается магнитным полем, создаваемым током, протекающим по катушкам. Поскольку ток переменный, то поле постоянно меняет полярность и происходит перемагничивание сердечника с выделением тепла. Этот процесс называется “петля гистерезиса”, а потери – потери на гистерезис.

Важно! Для каждого сечения, формы и материалов магнитопровода есть оптимальное число витков обмотки. При его уменьшении растут потери на гистерезис, а при увеличении растут потери в обмотках.

Нагрев обмоток

Проводники, которыми намотаны катушки, имеют активное сопротивление. При работе по этому сопротивлению протекает электрический ток и выделяется энергия, которая превращается в тепло.

Потери в обмотках уменьшаются при увеличении сечения провода и замене дешевого алюминия более дорогой медью, имеющей меньшее сопротивление, но эти способы ведут к увеличению габаритов или росту цены аппарата. Поэтому при проектировании электротрансформатора кроме технического производится экономический расчет.

Интересно! В 50-е годы для уменьшения потерь и нагрева проектировались силовые электротрансформаторы с обмотками из серебра, но из-за роста цен на него эти проекты не были реализованы.

Допустимый нагрев трансформаторов

Электротрансформатор – аппарат с высоким, но не 100% КПД. При работе ток, протекающий по обмоткам, нагревает их. Кроме этого, греется магнитопровод. В нем возникают вихревые токи и тратится энергия на перемагничивание. Эти потери нагревают аппарат.

Допустимая температура трансформатора в нормальном режиме зависит от изоляции обмотки:

• провод покрыт электротехническим лаком – 70°С;
• проводник обмотан х/б ниткой – 105°С;
• вместо х/б нитки используется стекловолокно – 180°С;
• трансформаторы, имеющие масляное охлаждение, допускается нагревать до 80°С.

Способы уменьшения температуры электротрансформаторов зависят от мощности и напряжения устройств.

Важно! Работа при предельно допустимой температуре приводит к ускоренному износу изоляции и “старению” масла. Поэтому следует избегать эксплуатации устройств в подобных режимах.

Воздушное охлаждение

Потери энергии, нагрев и вес аппаратов при увеличении мощности растут. При этом потери и объем увеличиваются в кубической зависимости от габаритов устройства, а поверхность и способность отдавать тепло растет в квадратной степени. Поэтому способы воздушного охлаждения зависят от мощности аппарата.

Трансформаторы малой мощности

В аппаратах мощностью 5-10ВА соотношение между потерями и площадью поверхности позволяет устанавливать их в закрытом корпусе. Такую конструкцию имеют блоки питания для электронной аппаратуры малой мощности, например, роутер или антенный усилитель.

Для уменьшения рабочей температуры трансформатора в блоках питания электронной аппаратуры на первичную обмотку подается напряжение высокой частоты. Предельная рабочая температура трансформатора в блоке питания составляет, в зависимости от конструкции, от 100 до 165°С.

Трансформаторы с принудительным охлаждением

В более мощных аппаратах делаются зазоры между обмотками, а в корпусе имеются отверстия для циркуляции воздуха. Для улучшения охлаждения и уменьшения габаритов электротрансформаторов мощностью свыше 10-50кВА устанавливаются вентиляторы принудительного обдува. Такая система позволяет охлаждать аппараты до 1000кВА. Более мощные установки помещаются в бак, наполненный маслом.

Трансформаторы с масляным охлаждением

Для лучшего охлаждения аппарат помещается в бак, наполненный трансформаторным маслом. Оно отводит тепло от обмоток в 6-8 раз лучше воздуха. Для качественного охлаждения бак с электротрансформатором должен быть полностью заполнен и сверху устанавливается расширительный бачок.

Масло является пожароопасным при вытекании. Для защиты устройств от перегрева и возгорания трансформаторы оснащаются датчиками уровня жидкости и температуры.

В зависимости от мощности электротрансформаторов есть четыре системы уменьшения температуры масла:

• естественное, за счет конвекции масла и окружающего воздуха;
• дутьевой, при помощи обдува бака вентиляторами;
• с принудительной циркуляцией масла насосами и обдувом бака;
• с водяным охлаждением масла.

Справка! Допустимая рабочая температура масла – 80°С. При проверке его качества измеряется температура вспышки (возгорания). Она должна быть не менее 135°С.

Естественное охлаждение масла

Масло в баке при работе устройства нагревается и нуждается в охлаждении. Эффективность естественного охлаждения растёт с увеличением поверхности бака, но простое увеличение размеров мало эффективно. Лучший эффект дает оснащение бака радиаторными ребрами или трубами.

Трубы располагаются вертикально, в несколько рядов и подключаются в верхней и нижней части бака. При работе и нагреве обмоток теплое масло поднимается от катушек вверх, выходит в трубы и идет вниз. При движении охлаждающая жидкость остывает и поступает охлажденным обратно в бак.

Этого достаточно для работы электротрансформаторов мощностью до 6300кВА. В более мощных установках применяются устройства принудительной циркуляции масла.

Информация! Принцип работы системы похож на систему индивидуального водяного отопления.

Дутьевое (вентиляторное) охлаждение

Самый простой способ принудительного охлаждения — это обдув масляного бака вентилятором. Эффективность отдачи тепла по сравнению с естественным охлаждением выше на 40-50%. Таких вентиляторов может быть несколько.

Для улучшения теплоотдачи трубы делаются не круглыми, а прямоугольного сечения, а также с продольными радиаторными ребрами. Дополнительно устанавливается блок автоматики, управляющий вентиляторами. Возможны три варианта:

• питание вентиляторов включено при нагрузке 50-60% номинальной;
• обдув включен, если достигнута температура 50°С;
• вентиляторы работают все время рабочего режима установки.
• Система дутьевого охлаждения эффективна до мощности 63000кВА. Электротрансформаторы большей мощности нуждаются в дополнительных устройствах, для нормальной работы и уменьшения температуры масла.

Принудительная циркуляция

Чем быстрее двигается масло внутри бака и радиаторных труб, тем эффективнее происходит отдача тепла в окружающее пространство, поэтому для охлаждения трансформаторов большой мощности применяется система, включающая в себя вентиляторы, обдувающие бак и насосы, ускоряющие циркуляцию масла. Эта система называется “ДЦ” (дутье-циркуляция).

Насосы позволяют увеличить предельную длину и количество трубок и уменьшить их сечение, увеличив площадь теплоотдачи или вместо прямых труб нагнетать масло в радиаторы, похожие на автомобильные. На каждом радиаторе устанавливается свой вентилятор для обдува.

Ускорение движения при помощи насосов выравнивает температуру внутри бака, улучшает передаче тепла от нагретых элементов к охлаждающей жидкости. Наличие насосов позволяет направить движение масла не только вдоль катушек, но и по каналам внутри обмоток и магнитопровода.

Водяное охлаждение

Коэффициент теплопередачи воды в несколько раз больше, чем воздуха, поэтому самая эффективная система снижения температуры – водяная. Масляные радиаторы находятся в водяной “рубашке”. Движение масла по трубам и воды осуществляется при помощи насосов. Это маслянно-водяной вид охлаждения, или система типа “Ц”.

Такие системы компактнее, чем обычные, но дороже, поэтому используются в тех случаях, когда это экономически выгодно. Например, при замене уже установленных аппаратов на более мощные внутри существующих помещений или для уменьшения размеров строящихся зданий.

Предельная рабочая температура трансформатора регламентируется ПУЭ, ПТЭ и другими нормативными документами.

Нормы нагрева силовых трансформаторов (по ГОСТ 11677-75)

Превышения температуры отдельных элементов масляных трансформаторов и трансформаторов с жидким диэлектриком над температурой охлаждающей среды воздуха или воды) указаны в таблице.

Превышения температуры элементов масляных трансформаторов

Превышение
температуры, С

По изменению сопротивления постоянному току

Поверхности магнитопровода
и конструктивных элементов

По термометру или
термопаре

Масло или другой жидкий диэлектрик в верхних слоях:

а) исполнение герметичное
или с устройством, полностью
защищающим масло или другой жидкий диэлектрик от соприкосновения с окружающим воздухом

По термометру или
термопаре

б) в остальных случаях

55 (допускается 60, если это оговорено в стандартах на отдельные типы трансформаторов)

По термометру или термопаре

Превышение температуры элементов сухих трансформаторов

Класс на-гревостой-кости по ГОСТ 8865-70

Превышение температуры, °С

сопротивления постоянному току

Поверхности магнитопровода и конструктивных деталей

Не более, чем допустимо для соприкасающихся с ними изоляционных материалов

Термометром или термопарой

Превышения температуры отдельных элементов сухого трансформатора над температурой охлаждающей среды указаны в табл.
Превышение температуры контакта над температурой окружающего воздуха при болтовом соединении токоведущих выводов съемных вводов не должно превышать 85°С для контакта в масле и 65°С для контакта в воздухе.

При установившихся токах короткого замыкания и их длительности, установленных в стандартах и ТУ на конкретные типы трансформаторов, температура обмоток не должна превышать:
а) для масляных трансформаторов и трансформаторов с жидким диэлектриком с обмотками из меди. 250°С
б) то же, что п. «а», но с обмотками из алюминия . . 200°С
в) для сухих трансформаторов с обмотками из меди
и изоляцией класса нагревостойкости:
А. 180°С
Е. 250°С
В, F, Н. 350°С
г) то же, что п. «в», но с обмотками из алюминия и изоляцией классов нагревостойкости
А. 180°С
Е, В, F, Н. 200°С