Тепловой расчет силового трансформатора

введение

Курсовая работа выполняется студентами специальности 110302 специализации "Электроснабжение сельского хозяйства" согласно учебному плану на завершающем этапе изучения дисциплины "Теплотехника". Целью работы является закрепление и углубление теоретических знаний, полученных студентами по теории теплообмена, приобретения практических навыков при решении конкретных инженерных задач, связанных с производством.

общие методические указания по выполнению курсовой работы

В данном руководстве изложена методика расчета по следующим темам:

1.Тепловой расчет силового трансформатора;

2.Расчет системы обеспечения микроклимата ячеек распределительного устройства 6-10 кВ.

Студенты выполняют работу по индивидуальному заданию, получаемому от преподавателя. В задании указывается тема и исходные числовые данные. Курсовая работа состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части.

Расчетно-пояснительная записка должна отражать содержание работы, введение и все основные разделы, включая расчеты и пояснения к ним, выводы по результатам, а также список использованной литературы.

В водной части необходимо четко поставить цель курсовой работы и дать краткое описание объекта проектирования.

Все расчеты нужно выполнять в единицах системы СИ. Расчетные формулы раскрывать и сопровождать подробной расшифровкой входящих величин с указанием их размерности.

При использовании формул и числовых значений величин, принятых по литературным источникам, ссылка на них обязательна.

Графическую часть курсовой работы выполняют на листе формата А1 (допускается А2). Оформление чертежей и расчетно-пояснительной записки должно соответствовать требованиям ЕСКД.

тема 1. тепловой расчет трансформатора

При работе трансформатора часть электрической энергии расходуется на потери, выделяющиеся в виде тепла. В масляных трансформаторах вслед за обмотками и магнитной системой нагреваются масло и металлический бак-корпус, устанавливается температурный перепад между внешней поверхностью бака и воздухом, окружающим трансформатор. Нагрев трансформатора —основная причина, ограничивающая его мощность при нагрузках. При длительном сохранении определенного режима нагрузки повышение температуры прекращается, и вся выделяющееся тепловая энергия отводится в окружающую среду, поэтому тепловой расчет проводится для установившегося теплового режима при номинальной нагрузке. Естественно, что для всех переходных режимов при нагрузке трансформатора не выше номинальной, превышение температуры над окружающей средой будет ниже, чем при номинальной нагрузке.

Тепловой поток проходит сложный путь, который для масляного трансформатора может быть разбит на следующие составляющие участки:

- от поверхности обмотки к наружной поверхности изоляции,

- от наружной поверхности изоляции обмотки в омывающее их трансформаторное масло,

- перенос тепла маслом к внутренней поверхности бака,

- от внутренней поверхности бака к его наружной поверхности,

- от наружной поверхности бака в окружающий его воздух.

На каждом из выделенных участков перенос тепла следует рассчитывать с учетом способов его распространения, описываемых различными законами теплообмена.

Задача теплового расчета трансформатора заданной мощности, заключается в определении:

- зависимости изменения температуры масла от температуры окружающей среды при номинальной его нагрузке;

- зависимости изменения температуры масла от нагрузки трансформатора при максимальной заданной температуре окружающего воздуха.

Курсовая работа по данной теме предполагает выполнение теплового расчета масляных трансформаторов с естественной циркуляцией масла и воздуха. Технические данные силовых трансформаторов приведены в приложении 1.

1.1 МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТРАНСФОРМАТОРА

Тепловой расчет трансформатора выполняется для заданной мощности трансформатора и соответствующей ему конструкции бака [1].

Расчет заключается в определении средней температуры масла верхних слоев трансформатора при различных режимах его работы по условиям нагрузки и по времени года. Технические условия (ГОСТ 11677-85) регламентируют нормы предельного повышения температуры обмоток над температурой воздуха в наиболее жаркое время года 105 — 110 °С при среднегодовой температуре около 75°С. При номинальной нагрузке трансформатора температура верхних слоев масла не должна превышать +95°С для масляных трансформаторов с естественной циркуляцией масла. При соблюдении этих условий изоляция трансформатора не подвергается ускоренному старению и может надежно работать длительное время.

В установившемся режиме работы трансформатора потери энергии переходят в теплоту и от нагретого масла через стенку бака передаются окружающему воздуху. При этом часть тепловой энергии от наружной поверхности бака рассеивается за счет лучистого теплообмена.

Суммарный поток тепловой энергии зависит от нагрузки трансформатора и в любом режиме его работы может быть ориентировочно определен по формуле

Q₀ = DP_ТР = DP_ХХ + DP_КЗ k_З ², (1.1)

где Q₀ — тепловой поток, отдаваемый поверхностью бака воздуху за счет теплоотдачи и излучения, Вт;

DP_ТР— суммарные потери мощности в трансформаторе, Вт;

DP_ХХ и DP_КЗ — потери мощности холостого хода и короткого замыкания, Вт;

 — коэффициент загрузки трансформатора;

I_Н, I_ТР — ток в обмотках трансформатора в номинальном режиме его работы и, соответственно, отличном от этого режима, А.

Очевидно, при номинальной загрузке трансформатора k_З=1.

Для этого режима среднее превышение температуры стенки бака над воздухом, °С, можно предварительно определить [2]

, (1.2)

где F_Л и F_К — поверхность бака, м², отдающая теплоту соответственно излучением и конвекцией.

Среднее превышение температуры масла над температурой стенки бака, °С, приближенно может быть подсчитано по выражению

, (1.3)

где к_I = 1 — при естественном охлаждении масла и

к_I= 0,9 — при охлаждении с дутьем.

Тогда превышение температуры масла в верхних слоях бака над температурой окружающего воздуха, °С, определится по уравнению

, (1.4)

где q = 1 — для гладких баков,

q = 1.2 —для трубчатых баков и баков с радиаторами.

Для гладкого бака поверхности F_К и F_Л одинаковы и равны его внешней расчетной поверхности, которую определяют в зависит от формы бака, м²:

- для прямоугольного бака

, (1.5)

- для овального бака

, (1.6)

где А, В, Н, — размеры бака, м, принимаются из приложения 1;

F_КР — поверхность крышки бака, м²;

0.75— коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности крышки изоляторами вводов ВН и НН и различной арматурой.

Рис. 1. К определению основных размеров бака.

Бак с охлаждающими трубами применяется в трансформаторах мощностью от 160 до 1600 кВА с целью увеличения поверхности теплообмена. Обычно применяют трубы овальные с размерами поперечного сечения 72 ´ 20 мм или круглые диаметром 51/48 мм при толщине стенок 1.5 мм. В последнее время находят применение круглые трубы диаметром 30 мм с толщиной стенок 1.2 мм, что увеличивает теплоотдачу с единицы по поверхности трубы. В зависимости от мощности трансформатора число рядов труб колеблется от 1 до 4, расположение труб — коридорное. Для определения расчетной поверхности охлаждения бака с трубками необходимо принять одну из рекомендованных форм трубки. Размеры труб, радиус закругления R, шаг труб в ряду t_Т, шаг между рядами t_Р и другие размеры выбираются из таблицы 1 по принятой форме трубки.

Таблица 1. Сведения о трубах, применяемых для радиаторов силовых трансформаторов

Форма трубы	Размеры сечения, d, мм	Толщина стенки, d, мм	Поперечное сечение в свету, f, мм2	Поверхность Fl , м2		Размеры (по рис. 2), мм
						а1		с	е
Круглая	51	1.5	1810	0.16		50		60	70
Овальная	72 ´ 20	1.5	890	0.16		50		70	80
Круглая	30	1.2	600	0.0942		50		60	70
Форма трубы	Шаг, мм		Радиус изгиба, R, мм	Число рядов труб при мощности
	между рядами, tР	в ряду, tТ		160-180, кВА	250-630, кВА		1000-1600, кВА
Круглая	75	70	150	1	2		2-3
Овальная	100	50	188	1	1		1-2
Круглая	55	50	150	1	1		2-3

Для расчета поверхности теплообмена необходимые данные выбрать из табл. 1 в соответствии с рис. 2.

Рис. 2. Элементы трубчатого бака.

Развернутую длину трубы в каждом ряду, м, определяют по уравнению:

-для первого (внутреннего) ряда

,

- для второго ряда

,

- для третьего ряда

 и так далее.

Число труб в одном ряду на поверхности бака овальной формы

.

Поверхность излучения бака с трубами, м²,

,(1.7)

где d — диаметр круглой трубы (51 или 30 мм) или больший размер поперечного сечения овальной трубы (72 мм); а₁, R, t_Р — размеры из табл. 1 для выбранной трубы, мм.

Для второго и последующих рядов размер а_i рассчитывают по выражению

а_i = а_i–1+ t_Р,

где i = 2,3,… — номер расчетного ряда.

Высота крепления трубок к баку, м :

- для второго ряда

,

-для первого ряда

.

Расчетная поверхность конвекции бака с трубами, м²,

 , (1.8)

где F_К,ГЛ — поверхность конвекции гладкого бака и крышки, рассчитанные по (1.5) или (1.6), м²;

к_Ф — коэффициенты, выбираемые по табл. 2;

F_К,ТР — поверхность конвекции труб, м²,

, (1.9)

где F_l— поверхность 1м трубы, принятая из табл. 1.

Таблица. 2 Значение коэффициентов к_ф.

Коэффициент	Трубы овального сечения (20 ´ 72) мм и d = 51 мм
	1 ряд	2 ряда	3 ряда	4 ряда
кф	1.4	1.344	1.302	1.26
кф	Трубы d = 30 мм
	1.61	1.546	1.497	1.45

Поток теплоты, передаваемый маслом воздуху через стенку бака, Вт

, (1.10)

где к — коэффициент теплопередачи, Вт/(м² × К);

F_К — наружная расчетная поверхность бака, определена по (1.5) или (1.6) — для гладкого бака и по (1.8) — для бака с охлаждающими трубами, м²;

Dt_{М – В} — разность температур между маслом и воздухом, °С, найдена ранее по (1.4).

Коэффициент теплопередачи, Вт/(м² × К), можно рассчитать по формуле для плоской стенки

,

где d_С — толщина стенки бака, обычно 3 – 5 мм;

l_С — коэффициент теплопроводности бака, Вт/(м × К), бак

выполнен из стали,

l_С = 45 ¸ 55 Вт/(м × К);

_ВН, _Н — коэффициенты теплоотдачи с внутренней и наружной поверхности стенки бака, Вт/(м² × К).

Расчет коэффициентов теплоотдачи от масла к стенке _ВН и от стенки к воздуху _Н производится для условий теплоотдачи при естественном движении и воздуха, и масла согласно [3, 4, 6].

Физические параметры воздуха принять из приложения 2 по расчетной температуре воздуха, а для трансформаторного масла из приложения 3 — по средней температуре масла. Константы критериальных уравнений выбрать из приложений 4,5 с учетом условий теплоотдачи и вертикального расположения бака.

Уточняются температуры, °С,:

- наружной поверхности бака

, (1.11)

где t_В — температура воздуха, °С; и

- трансформаторного масла внутри бака

, (1.12)

где t_С — температура внутренней поверхности бака.

Ввиду малого термического сопротивления стенки бака (), температуры на внутренней и наружной поверхности бака можно принять одинаковыми.

Поток теплоты, излучаемый с поверхности бака, Вт,

, (1.13)

где с₀ = 5.67 Вт/(м²×К⁴) — коэффициент излучения абсолютно черного тела;

e — степень черноты стенки бака. Для окисленной стали принять e » 0.8.

F_Л — поверхность излучения, м², определена по (1.5) или (1.6) — для гладкого бака, и по (1.7) — для бака с охлаждающими трубами;

Т_С — температура поверхности бака, К, уточненная по (1.11);

Т_В — температура тел, воспринимающих поток лучистой энергии, принимается равной температуре воздуха, К.

Правильность расчетов оценивается по общему (суммарному) потоку тепловой энергии, Вт,

. (1.14)

Он не должен значительно отличаться от принятого по (1.1).

Расчет необходимо выполнить для разных значений температуры окружающего воздуха и представить зависимость изменения температуры масла от температуры воздуха.

При заданной температуре воздуха (наибольшей) аналогично выполнить расчеты и определить зависимость изменения температуры масла от нагрузки трансформатора, принимая разные значения коэффициента загрузки к_З в соответствии с заданием. Результаты различных вариантов расчета оформить в виде таблиц. Полученные зависимости проанализировать и прокомментировать.

тема 2. Расчет системы обеспечения микроклимата ячеек ру 6-10 кв

Комплектное распределительное устройство (КРУ) — это совокупность электротехнического оборудования, необходимого для схемы распределительных устройств (РУ), смонтированного в отдельных шкафах. Они широко применяются на распределительных подстанциях энергосистем, преобразовательных подстанциях, подстанциях промышленных и сельскохозяйственных предприятий и т.д. РУ набирается из отдельных шкафов КРУ со встроенным в них электротехническим оборудованием высокого напряжения, устройствами релейной защиты, приборами измерения, автоматики, масляными выключателями и др. В настоящее время широко применяют наружную установку шкафов КРУ. Для надежности работы оборудования вне зависимости от условий окружающей среды необходимо поддерживать определенный микроклимат по температуре и влажности воздуха внутри шкафов КРУ. В холодный (зимний) период года возможно переохлаждение и замерзание масла, что нарушит работу масляных выключателей, недопустимо также переохлаждение системы релейной защиты и образование инея (десублимации влаги) при высокой относительной влажности воздуха. В весенне-осенний период наблюдается большая амплитуда суточного колебания температуры и при высокой влажности воздуха возможно выпадение влаги в жидкой фазе на изоляторах. Обеспечение теплового режима в разное время года подогревом воздуха внутри шкафов КРУ позволит исключить эти нежелательные явления и обеспечит надежную работу оборудования. Задачей курсовой работы по второй теме является расчет мощности нагревательных устройств с целью обеспечения температурного режима в зимних условиях и влажностного режима в переходные периоды года.