Контроль температуры нагрева масла в силовых трансформаторах

Трансформаторы, используемые в электроэнергетике, являются важными элементами электроустановок. Однако при их работе возникает проблема генерации тепла, которая может привести к нежелательным последствиям, таким как возможное повреждение или поломка трансформатора. Исследования показали, что основной причиной повреждения трансформаторов является износ и старение бумажной изоляции, которая играет важную роль в масляных трансформаторах. Эластичность и механическая прочность изоляции снижается с течением времени, особенно при высоких температурах обмоток. Этот процесс старения изоляции может привести к ее хрупкости и потере эластичности. Причем, при достижении определенной степени старения, изоляция может начать разрушаться и ломаться под воздействием вибраций и динамических усилий. Потенциальные последствия такого разрушения включают гибель и порчу трансформатора.

Изоляция трансформатора, которая потеряла эластичность и прочность, становится подверженной механическим повреждениям. Она может растрескиваться и ломаться под воздействием вибраций и динамических усилий, возникающих в трансформаторе. Такое повреждение изоляции может привести к резкому снижению электрической прочности, пробою и выходу из строя трансформатора. По этой причине для трансформаторов отечественного производства была принята допустимая температура нагрева изоляции, при которой срок службы трансформаторов составляет 20-25 лет. Опыты показали, что наивысшая температура, которую может выдерживать бумажная изоляция в масле без заметного ухудшения своих изоляционных свойств, составляет 105 °С.

Было установлено, что если средняя температура обмоток во время работы может каким-то образом поддерживаться на уровне 105°C, то срок службы трансформатора вряд ли превысит два года. Поэтому температуру обмоток 105°C следует понимать как максимальную среднюю температуру, допустимую для безопасной работы трансформатора в течение нескольких часов вдень в те дни, когда температура окружающей среды достигает своего максимума (40°C).

Как уже упоминалось, при работе трансформатора обмотки, стальные пластины магнитопровода и различные металлические части конструкции нагреваются и, следовательно, являются постоянным источником тепловой энергии. Поэтому в магнитопроводе и обмотках происходит постоянный теплообмен от более нагретых внутренних частей к нагретым внешним поверхностям. Учитывая это, трансформаторы проектируются таким образом, чтобы размеры внешних поверхностей были достаточными для отвода тепла.

Поверхность охлаждения обмоток и магнитопровода в трансформаторах с мощностью, достигающей несколько киловольт-ампер, достаточно велика для того, чтобы отводить незначительное количество тепла, которое выделяется при их работе. Установка для охлаждения малых трансформаторов, находящихся в более холодном воздухе, способствует естественному излучению тепла. Не предусматривается никаких устройств, которые могли бы охлаждать. Таким образом, такие трансформаторы принято называть сухими.

С момента начала работы трансформатора в его баке идет непрерывный процесс нагрева и охлаждения масла, который является своего рода переносчиком тепла от разогретых частей к стенкам бака. Но, несмотря на это, температура масла не всегда одинакова по высоте бака: в самом низу она самая низкая, в середине бака средняя, а верхние слои масла нагреваются до максимальной температуры. Это является наиболее эффективным способом использования трансформаторного масла как теплопередающей среды.

При использовании масляного охлаждения отдача тепла от поверхности в 6-8 раз больше, чем при использовании передачи тепла непосредственно воздуху. Это является наиболее эффективным способом использования трансформаторного масла как теплопередающей среды.

Самый простой путь – это увеличение линейных размеров (длины, ширины, высоты) бака. Оптимизация охлаждения трансформаторов представляет важный аспект, позволяющий избежать увеличения общих размеров устройств и сэкономить ресурсы. Вместо этого, эффективным решением является увеличение поверхности бака трансформатора с помощью волнистых стенок, труб или трубчатых охладителей, которые пристраиваются к его стенкам.

На данный момент существует несколько способов принудительного охлаждения трансформаторов, которые мы рассмотрим далее.

Первый способ – это техника охлаждения, основанная на принудительном ускорении движения воздуха, который охлаждает радиаторы, благодаря использованию вентиляторов. Этот метод известен как дутьевое (Д) охлаждение.

Путем установки вентиляторов под радиаторами и создания принудительной циркуляции воздуха вдоль их наружной поверхности, можно увеличить эффективность (теплоотдачу) радиаторов на 40-50% по сравнению с обычным естественным охлаждением. Кроме того, система дутьевого охлаждения разрабатывается таким образом, чтобы вентиляторы можно было отключить при снижении нагрузки до 50-60%, возвращаясь к естественному масляному охлаждению.

Второй способ – заключается в применении системы охлаждения ДЦ, которая основана на принудительном ускорении движения как трансформаторного масла, так и воздуха. Этот тип охлаждения позволяет получить дополнительные преимущества в эффективности и энергосбережении. Для эффективной работы системы ДЦ обычно используют специальные охладители, выполненные в виде трубок. Эти трубки встроены в трубопровод системы и нагретое масло пропускается через них с помощью встроенных насосов. Чтобы обеспечить оптимальные условия охлаждения, в системе установлено необходимое количество вентиляторов, которые создают направленные потоки воздуха, обдувающие поверхность трубок (рис.).

Рис. Схема охладителя системы ДЦ

Третий способ охлаждения трансформаторов заключается в принудительном прогоне нагретого масла через систему труб, которые соединяются с насосом. Такой способ называется водяной системой охлаждения или охлаждающей системой. Вода является одним из самых эффективных видов охлаждения. Причиной этого является то, что теплоотдача масла от воды в воду намного выше, нежели от воздуха. Таким образом, они получаются более компактными и компактными, чем ДЦ-охладитель. Это часто является решающим фактором при выборе охлаждающей системы. Особенно важно это для электропечных трансформаторов, которые устанавливаются внутри производственных помещений. Габариты такого трансформатора имеют существенное значение, поскольку они непосредственно влияют на стоимость строительных работ и общую эффективность предприятия. Принудительная циркуляция масла – важный и эффективный процесс. Во-первых, она способствует равномерному распределению температуры масла внутри бака, что позволяет снизить нагрев верхних слоев. Во-вторых, ускоренное движение масла повышает эффективность теплоотдачи от нагретых элементов конструкции трансформатора.

Особенно важна принудительная циркуляция в случаях, когда масло проходит по каналам обмоток и магнитопровода трансформатора с повышенной скоростью. Для достижения такого направленного движения масла в конструкции применяются специальные перегородки и другие устройства, которые направляют масло точно в нужные места.

В целом, принудительная циркуляция масла является критическим аспектом, гарантирующим эффективное функционирование трансформатора и его долгую службу.