Учебное пособие: 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

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.

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.

2.1 обеспечение температурного режима

По условиям работы температура воздуха внутри шкафов КРУ должна быть не ниже +5 °С. Температура наружного воздуха (окружающей среды) принимается по средней температуре наиболее холодных суток в зависимости от региона расположения подстанции из приложения 6.

Тепловая мощность подогревающего устройства определяется величиной теплопотерь через стенки шкафа КРУ и излучением с его наружной поверхности, Вт:

, (2.1)

где Q_к — конвективный поток теплоты через все теплоотдающие поверхности шкафа, Вт; Q_л — поток тепловой энергии, излучаемой наружной поверхностью шкафа, Вт.

Теплопотери через все поверхности шкафа (боковые, верхние) осуществляются посредством теплопередачи и рассчитываются по уравнению, Вт:

, (2.2)

где к — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²×К), t_ВН, t_Н — температура воздуха внутри шкафа и снаружи, °С, F — расчетная поверхность теплообмена, м².

Ее величина принимается по наружной поверхности шкафа (см рис.3, 4, 5), причем у крайних и средних шкафов, стоящих в одном ряду, поверхность теплообмена разная.

Коэффициент теплопередачи, Вт/(м²×К), рассчитывается по уравнению

, (2.3)

где a_ВН — коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней стенке шкафа, определяется при условии теплоотдачи внутри шкафа свободной конвекцией, Вт/(м² × К),

a_Н — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности шкафа к воздуху, рассчитывается при обдувании поверхности шкафа ветром, Вт/(м² × К).

d_С — толщина стенки шкафа, принять 2,5 ¸ 3 мм;

l_С — коэффициент теплопроводности стенки, выполненной из стали,

l_С = 45 ¸ 55 Вт/(м × К).

Методика расчета коэффициентов теплоотдачи изложена в[3,4,6].Физические параметры воздуха следует принять из приложения 2 по расчетной температуре воздуха: внутри шкафов +5°С, снаружи — по температуре наиболее холодных суток (см. приложение 6). Константы критериальных уравнений выбрать из приложений 4,5 с учетом условий теплоотдачи и расположения расчетной поверхности теплообмена шкафа.

При расчете коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности a_Н скорость ветра принять из приложения 6 согласно заданного региона.

При расчете потерь теплоты через пол учесть, что шкафы стоят на бетоне. Толщина бетона =100 мм, коэффициент теплопроводности бетона l_б = 1.28 ¸ 1.3 Вт/(м × К) [3, 4]. Потери теплоты через пол в грунт осуществляются сначала посредством теплоотдачи, а далее — теплопроводностью через пол шкафа и бетонную подушку, Вт:

Q_п = , (2.4)

где t_вн — температура воздуха внутри шкафа, °С;

t_гр — температура грунта, °С, можно принять на 10¸15 °С выше температуры наружного воздуха;

F_п — поверхность пола шкафа, м².

Рассчитывается суммарный конвективный поток теплоты через боковые и верхнюю поверхности шкафа, а также через пол.

Лучистая составляющая теплопотерь определяется уравнением, Вт,

, (2.5)

где с_о = 5.67 Вт/(м²К⁴) — коэффициент излучения абсолютно черного тела;

e — степень черноты наружной поверхности шкафа;

e = 0.85 ¸ 0.9 — для поверхностей, покрытых масляной краской или эмалью [3].

Т_С, Т_В — абсолютные температуры стенки и окружающего воздуха, К.

Температуру стенки шкафа можно рассчитать, °С,

, (2.6)

где F — расчетная поверхность теплообмена излучением, м².

По величине суммарных тепловых потерь (2.1) подбирают тип и мощность электрообогревательного устройства,

Расчет выполнен по средней температуре самого холодного периода года. Очевидно, с ростом температуры наружного воздуха мощность электрообогрева должна снижаться. Необходимо разработать схему автоматического регулирования тепловыделения нагревательного устройства в зависимости от температуры наружного воздуха.

2.2 обеспечение влажностного режима

При положительной температуре окружающей среды и высокой влажности воздуха даже небольшое понижение температуры воздуха на 2—3 °С может привести к выпадению росы на изоляторах внутри шкафа КРУ. Наиболее вероятен такой режим в весенне-осенний периоды из-за большой амплитуды суточного колебания температуры. Поэтому в это время года следует сохранить подогрев воздуха внутри шкафов КРУ. Автоматика должна включаться в этом случае при повышении влажности до 95 %.

Мощность подогревателя можно рассчитать исходя из условия, что изменение температуры воздуха внутри шкафа в течение суток не должно опускаться ниже температуры точки росы, Вт,

, (2.7)

где к — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²×К), рассчитывается аналогично (2.3);

F — расчетная поверхность теплообмена, м², определена (2.2);

 — температурный напор,°С, вычисляется по уравнению:

,

где  — максимальная суточная амплитуда температуры, °С, зависит от региона и месяца [7] и принимается из приложения 7;

t_Р — температура точки росы, °С, определяется по h-d диаграмме влажного воздуха по величине парциального давления пара Р_П в зависимости от месяца и региона [7], принятых из приложения 7.

Расчет коэффициентов теплоотдачи выполняется аналогично изложенному выше.

Физические параметры воздуха следует принять из приложения 2. по расчетной температуре воздуха. При расчете коэффициента теплоотдачи от внутреннего воздуха к стенке a_ВН за определяющую температуру принять температуру точки росы t_Р соответствующего месяца. Расчет коэффициента теплоотдачи к наружному воздуху a_Н выполнить для условий естественной конвекции, за определяющую температуру принять среднюю температуру рассчитываемого месяца из приложения 7.

Константы критериальных уравнений выбрать из приложения 4 с учетом условий теплоотдачи и расположения расчетной поверхности теплообмена шкафа.

Для расчета поверхности теплообмена размеры шкафов КРУ приведены на рис. 3, 4, 5.

Расчеты в этом разделе курсовой работы выполняются для нескольких месяцев в соответствии с заданием. Результаты удобно оформить в виде таблиц. Провести анализ выбранной схемы автоматического регулирования для этого периода работы.

Список рекомендуемых источников

1.  Справочник по электроснабжению и электрооборудованию: в 2 т. Т.2 . Электрооборудование / под ред. А.А. Федорова — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 592 с.

2.  Тихомиров П.Н. Расчет трансформаторов. М.: Энергоатомиздат, 1986. — 528 с.

3.  Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справочник / под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. — М.: Энергоиздат, 1982. — 512 с.

4.  Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. — М.: Энергия, 1973. — 320 с.

5.  Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче.— М.: Энергия, 1980. — 288 с.

6.  Борзов В.П., Шабалина Л.Н. Сборник задач по теплотехнике: учебное пособие для студентов. — Кострома: КГСХА, 2002. — 50 с.

7.  СНиП 2.01.01–82. Строительная климатология и геофизика. — М.: Стройиздат, 1983. — 136 с.

8.  Дорошев К.И. Эксплуатация комплектных распределительных устройств 6—220кВ. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 336 с.

Приложения

Приложение 1

Технические характеристики силовых масляных трансформаторов с естественным охлаждением

Приложение 2

Физические свойства сухого воздуха при В = 760 мм.рт.ст. [6]

Приложение 3

Физические свойства трансформаторного масла в зависимости от температуры [5]

Приложение 4

Значения постоянных для формулы Nu = c×(Gr_ж×Pr_ж)ⁿ

Приложение 5

Значение постоянных для формулы Nu = c×Re_жⁿ ×Pr^m_ж×(Pr_ж/Pr_c)^0,25

Приложение 6

Природно-климатические условия по регионам РФ

Приложение 7

Характеристика влажного воздуха