5.6. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА

Тепловые процессы в ИТ протекают точно так же, как в силовом трансформаторе. Поэтому методы расчета нагрева и охлаждения ИТ существенно не отличаются от методов расчета теплового режима силовых трансформаторов и по этой причине могли бы не рассматриваться. Однако с методической целью ниже приводятся основные сведения о расчете и некоторых особенностях теплового режима ИТ. Детальный расчет следует производить на основе специальной литературы [20, 30-32].

Потери мощности в МС и обмотках преобразуются в теплоту и вызывают нагрев соответствующих частей ИТ. От мест выделения теплота иод действием теплового градиента направляется к тем местам, где она может быть, передана охлаждающей среде, т. е. воздуху или воде, в зависимости от способа охлаждения. Рассеяние теплоты происходит посредством лучеиспускания и конвекции.

Температура трансформатора должна быть в допустимы пределах. Так, температура трансформаторного масла не должна превышать 95 °С, температура обмоток - предельных допустимых температур для изоляционных материалов. Температура окружающего воздуха определяется условиями эксплуатации ИТ и может достигать 50 °С. Площадь поверхности охлаждения каждого элемента конструкции, рассеивающего теплоту, должна быть достаточной для поддержания перепада температур в заданных пределах.

Главными источниками тепловыделения в ИТ являются МС и обмотки. Для этих частей необходимая площаль поверхности охлаждения определяется по формуле [20]

где - допустимый перепад температур; - мощность потерь; коэффициент - для маслонаполненных - для воздушных ИТ.

При температуре окружающего воздуха 40 ... 50 °С в ИТ допустимы

следующие перепады температур между тепловыделяющими поверхностями и охлаждающей средой: между МС и трансформаторным маслом — до 50 °С; между обмотками и маслом — до 40 °С; между стенками масляного бака и воздухом - до 30 °С. Температурный перепад между маслом и стенками бака обычно не превышает 2 °С, и при расчетах им пренебрегают.

Подставляя в формулу (5.26) значения допустимых перепадов температур, можно получить следующие ориентировочные нормы для тепловой нагрузки поверхности охлаждения МС и обмоток соответственно: 2500 и — для маслонаполненных ИТ; 600 и 500 - для воздушных ИТ.

Приведенные формы несколько выше принятых в силовом трансформаторостроении, так как время непрерывной работы и срок службы ИТ обычно несколько меньше, чем для силовых трансформаторов. В отдельных случаях эти нормы могут быть увеличены, что всегда приводит к уменьшению срока службы изоляции ИТ. Ориентировочно можно считать, что если температура трансформаторного масла 95 °С, то срок службы ИТ составит 20 лет. Увеличение температуры масла на каждые 8 °С уменьшает срок службы вдвое. Таким образом, при температуре масла 103 °С срок службы ИТ составит 10 лет, при 111 °С - 5 лет и т. д. Иногда требования к сроку службы ИТ таковы, что можно допустить нагрев масла до 125 °С, т. е. примерно удвоить тепловые нагрузки ИТ.

Теплота, выделяющаяся в МС, может передаваться как вдоль, так и поперек листов или лент. Вдоль листов благодаря высокой теплопроводности трансформаторной стали теплота передается практически беспрепятственно. В поперечном направлении теплота передается в 5 ... 15 раз хуже из-за относительно, высокого теплового сопротивления междулистовой изоляции [30]. Это обстоятельство не имеет особого значения при расчете поверхности охлаждения шихтованных МС кругового сечения. Однако при расчете поверхности охлаждения МС прямоугольного сечения по этой причине приходится принимать во внимание только торцевые поверхности, так как из глубинных частей МС в поперечном направлении теплота передается намного хуже.

Из-за высокой частоты повторения импульсов и больших потерь на вихревые токи, ИТ обычно характеризуются большими тепловыми нагрузками поверхностей охлаждения МС. Облегчить условия охлаждения ИТ можно посредством охлаждающих каналов шириной 2 ... 5 мм. Если МС витого типа, то она изготовляется из отдельных магнитопроводов, навитых относительно узкими лентами и собираемых с необходимыми зазорами (каналами). Таким способом можно увеличить площадь поверхности охлаждения в несколько раз. Однако это приводит к уменьшению коэффициента заполнения сечения МС и в конечном итоге — к увеличению массы стали МС. Если и при введении охлаждающих масляных каналов тепловая нагрузка поверхности

охлаждения окажется чрезмерно большой, то можно рекомендовать введение в масляные каналы специальных радиаторов водяного охлаждения. Радиаторы — это тонкие медные или алюминиевые диски, к внешнему ободу которых приварены трубки водяного охлаждения, или полости, внутри которых циркулирует вода. Трудности водяного охлаждения связаны, прежде всего, с необходимостью надежной герметизации системы охлаждения. Если перечисленные меры все же недостаточны для организации нормального теплового режима, то приходится использовать в МС ленты пермаллоя толщиной до 0,005 мм и уменьшать приращение индукции. В последнем случае весьма целесообразно применение пермаллоев марок имеющих большее, чем у других магнитных материалов, удельное электрическое сопротивление.

В связи с тем что обмотки в некоторой степени теплоизолируют МС, между ними и МС необходимо создавать охлаждающий масляный канал. По этой причине толщина изоляции между первичной обмоткой и МС оказывается, особенно в мощных ИТ, значительно большей, чем это необходимо для получения достаточной электрической прочностей изоляции первичной обмотки. Это следует учитывать при конструктивном расчете ИТ. Увеличение толщины изоляции первичной обмотки имеет некоторое положительное значение, так как благодаря этому уменьшается емкость первичной обмотки. Для ИТ с небольшим коэффициентом трансформации, и особенно для понижающих напряжение ИТ, уменьшение емкости может быть важным фактором и должно учитываться при Конструктивном расчете ИТ. В сильно повышающих ИТ влияние этой емкости настолько незначительно, что ее можно при расчетах не учитывать.

Вследствие значительного эффекта вихревых токов, особенно при импульсах малой длительности, основное количество теплоты выделяется в МС, и поэтому главные трудности вызывает теплоотвод именно в МС. С увеличением энергии импульсов теплоотвод усложняется, так как при этом необходимо увеличивать объем МС, а увеличение площади поверхности охлаждения "отстает” от роста объема МС. Однако при большой длительности импульсов, когда обмотки содержат большое число витков, потери в обмотках могут Превысить потери в МС и главные трудности составит отвод теплоты от обмоток. Эти трудности усугубляются дополнительными потерями вследствие поверхностного эффекта в проводах и обмотке в целом. Именно в связи с трудностями теплоотвода в мощных ИТ редко применяется изоляция из элегаза, которая во многих других отношениях более целесообразна, чем трансформаторное масло.

В целом можно констатировать, что охлаждение мощных ИТ представляет собой сложную техническую проблему, существенно сдерживающую применение ИТ в импульсных системах большой мощности.

Вследствие. трудностей теплоотвода весьма мощные импульсные установки приходится эксплуатировать в режимах, при которых импульсы следуют в течение относительно короткого рабочего интервала времени, после чего наступает относительно длинная пауза, используемая для охлаждения отдельных частей импульсной установки. Работа ИТ в таком режиме отличается некоторыми особенностями, которые рассматриваются ниже.

Если импульсы следуют с большой частотой, то в рабочем интервале обмотки и МС быстро нагреваются. В таком режиме ИТ работает аналогично силовому трансформатору при кратковременных перегрузках, например в аварийном режиме короткого замыкания. Тепловые процессы в данном случае допустимо рассматривать как нагрев без существенной теплоотдачи в охлаждающую среду, т. е. как адиабатные Процессы. В адиабатном режиме важно, чтобы за время рабочего интервала температура обмоток и МС ИТ не превысила допустимой.

При адиабатном режиме выделившаяся теплота сосредоточивается в меди обмотки и в МС. Уравнение режима имеет вид

где с — удельная теплоемкость меди обмоток или стали МС; - плотность меди или стали; V- объем меди или стали; - температура.

С увеличением температуры удельное электрическое сопротивление меди обмоток увеличивается, вследствие чего по мере нагрева растут и потери в обмотках. С учетом этого из формул (4.24) и (5.27) можно получить следующее соотношение между плотностью тока в обмотке из медного провода, длительностью рабочего интервала начальной и конечной температурами обмоток:

Если заданы интервал и температура, то максимальная допустимая плотность тока в проводе обмоткн выразится формулой

которая является основанием для выбора плотности тока в обмотках ИТ, работающего в адиабатном режиме.

Удельное электрическое сопротивление стали МС с увеличением температуры также увеличивается. Однако в отличие от обмоток здесь в соответствии с формулой (2.10) уменьшаются потери мощности на вихревые токи. Поэтому, если пренебречь уменьшением потерь, то рассчитанная по формуле (5.27) конечная температура окажется больше действительной. Этим создается допустимый и полезный расчетный запас. Однако более важно другое. При близких плотности и теплоемкости меди и стали масса МС обычно на один-два порядка выше массы обмоток. Поэтому нагрев МС происходит значительно медленнее, чем нагрев обмоток, и к тому времени, когда температура обмоток достигает критической, температура МС обычно еще значительно ниже критической для МС. Поэтому температура МС имеет второстепенное значение и может рассчитываться приближенно, а при расчете превышения температуры МС допустимо пренебречь уменьшением потерь.

С учетом этого для превышения температуры МС на основании формулы (5.27) получим

Заключая рассмотрение тепловых процессов в ИТ, отметим, что конструкции баков ИТ и силовых трансформаторов практически не отличаются друг от друта. Так же как в силовых трансформаторах, баки могут быть гладкими или трубчатыми, с естественным или с принудительным охлаждением. Поскольку ИТ входят в состав аппаратуры, работающей, как правило, в закрытых помещениях, то в мощных ИТ шире применяется водяное охлаждение баков. Это позволяет создавать более компактные конструкции ИТ и вводить водяное охлаждение МС.