CUPRINSINTRODUCERE 1. NCLZIREA I TRANSFERUL DE CLDUR N ECHIPAMENTELE ELECTROTEHNICE 1.1. nclzirea echipamentelor electrotehnice1.1.1. Regimuri de nclzire. Stabilitate termic 1.1.2. Producerea cldurii n echipamentele electrice

pag. 1

pag. 3 pag. 3 pag. 5 pag. 7 pag. 8 pag.

1.1.2.1 .Cldura produs n cile de curent 1.1.2.2. Cldura produs n miezurile feromagnetice 11 1.2. Transferul de cldur n echipamente electrice1.2.1. Transmiterea cldurii prin conducie termic

pag. 13 pag.

141.2.2. Transmiterea cldurii prin radiaie termic

pag.

181.2.3. Transmiterea cldurii prin convecie termic 1.2.4. Transmiterea combinat a cldurii

pag.21 pag.

23 1.3. nclzirea echipamentelor electrice 23 1.3.1 nclzirea echipamentelor electrice n regim termic permanent sau stabilizat 1.3.2. nclzirea echipamentelor electrice n regim tranzitoriu de nclzire:/

pag.

pag. 24

pag.24 pag.2

1.3.3. Curentul maxim admisibil 71.4. Rcirea echipamentelor electrice

pag.29

1.5. nclzirea i rcirea n regim de scurtcircuit

pag.

31 2. TRANSFERUL DE CLDUR N ECHIPAMENTELE ELECTROTERMICE 2.1. Electrotermia - Aplicaii ale cldurii obinute cu ajutorul energiei electrice 2.2. Clasificarea instalaiilor electrotermice2.2.1 Instalaii electrotermice cu nclzire cu rezistoare

pag.34

pag.34 pag.37

pag.372.2.2 Instalaii electrotermice cu nclzire cu arc electric

pag.372.2.3 Instalaii

electrotermice

cu

nclzire

dielctrica

pag.38 2.2A Instalaii electrotermice cu nclzire n cmpul unui dipol pag.38 2.2.5 Instalaii electrotermice cu nclzire cu fascicul de electroni pag. 39 2.2.6. Instalaii electrotermice cu nclzire prin inducie pag.39 2.2.6.1 Instalaiile cu miez de fier pag.39 2.2.6.2. Instalaiile fr miez de fier pag.41 2.3. Materiale folosite n construcia instalaiilor electrotermice2.3.1 Materiale refractare

pag. 44 pag.

452.3.2 Materiale

termoizolante pag.

pag.46 233. Materiale pentru electrozii cuptoarelor cu arc 48

2.3.4 Materiale pentru elemente de nclzire 482.3.4.1. Materiale rezistive metalice

pag.

pag.482.3.4.2. Materiale rezistive nemetalice

pag.

49 2.4. Materiale pentru msurarea temperaturii2.4.1 Materiale pentru termocuple

pag. 50

pag.502.4.2 Materiale pentru termistoare

pag.51 2.5. Rcirea cuptoarelor de inducie 52 3. TRANSFERUL DE CLDUR N MAINILE ELECTRICE pag.563.1. Evacuarea cldurii din mainile electrice

pag.

pag.563.2. Maini electrice cu rcire natural

pag.573.3. Maini electrice cu autoventilaie

pag.

58 3.3.1. Maini electrice cu autoventilaie intern3.3.1.1. Maini electrice cu autoventilaie intern axial

pag. 58

pag.593.3.1.2. Maini electrice cu autoventilaie intern radial

pag.61 3.3.2. Maini electrice cu autoventilaie extern3.4. Maini electrice cu ventilaie exterioar sau independent

pag.64

pag.67

3.5. Limitele de nclzire i influene asupra rcirii mainilor

pag.

713.5.1. Rcirea mainilor cu turaie reglabil 3.5.2. Influena temperaturii mediului ambiant 3.5.3. Limitele de nclzire admisibile ale mainilor electrice 3.5.4. Influena altitudinii asupra rcirii mainilor

pag. 71 pag. 72 pag. 73 pag. 76

3.6. Noi soluii constructive i tehnologii pentru creterea transferului de cldur n mainile electrice3.6.1. Rcirea cu hidrogen a turbogeneratoarelor 3.6.2. Rcirea hidrogeneratoarelor cu aer i ap 3.6.3. Rcirea cu antigel 3.6.4.

pag. 79 pag. 80 pag.83 pag. 84 pag.85

Utilizarea tubului termic pentru transferul de cldur

4. TRANSFERUL DE CLDUR N TRANSFORMATOARELE ELECTRICE DE MARE PUTERE4.1. Rcirea transformatoarelor electrice 4.2. Repartiia temperaturilor n interiorul transformatorului 4.2.1. Repartiia temperaturilor n fier 4.2.2. Repartiia temperaturilor n bobinaj

pag.87 pag.87 pag.89 pag. 90 pag.94 pag.100

4.3. Transmisia cldurii din transformator4.3.1. Coeficientul de transmisie a cldurii pentru ulei

pag.1004.3.2. Transmisia cldurii la agentul de rcire

pag.

1024.3.3. Transmisia cldurii la agentul de rcire la rcirea

artificial 4.4. Rcirea transformatoarelor4.4.1. Rcirea transformatoarelor uscate

pag. 106 pag. 108 pag.

108

4.4.2. Rcirea transformatoarelor n ulei

pag. pag. pag.lll

108 4.4.2.1. Rcirea natural la transformatoarele n ulei 108 4A.2.2. Rcirea artificial4.5. Limitele de nclzire admisibile ale transformatoarelor pag. 114 4.6. Noi soluii constructive i tehnologii pentru pentru creterea

transferului de cldur la transformatoare CONCLUZII pag.121 BIBLIOGRAFIE

pag.116

INTRODUCEREAcest referat, intitulat "SITUAIA ACTUAL I DE PERSPECTIV PRIVIND UTILIZAREA DE NOI TEHNOLOGII PENTRU TRANSFERUL DE CLDUR N ECHIPAMENTELE ELECTROTEHNICE" este primul din cele trei care se deruleaz n cadrul tezei de doctorat "CONTRIBUII LA MODERNIZAREA INSTALAIILOR I TEHNOLOGIILOR DE TRANSFER DE CLDUR N ECHIPAMENTELE

ELECTROTEHNICE". El va fi urmat de alte dou intitulate : " SOLUII DE MODERNIZARE A ECHIPAMENTELOR ELECTROTEHNICE PRIN REALIZAREA DE INSTALAII NOI DE RCIRE" i "MODELRI, SIMULRI I EXPERIMENTRI PE INSTALAII DE TRANSFER DE CLDUR MODERNIZATE" Scopul acestui referat este de a face o prezentare a echipamentelor electrotehnice i a transferului de cldur care are loc n timpul funcionrii acestora, deci implicit prezentarea unor tehnologii de rcire a echipamentelor electrotehnice. Referatul este structurat pe 4 capitole.- Primul capitol prezint pe scurt nclzirea i transferul de cldur n echipamentele

electrice.- Al doilea capitol face o prezentare a echipamentelor electrotermice i a materialelor

utilizate la construcia acestora. Sunt prezentate n continuare cele mai utilizate cuptoare de

topire i anume cele prin inducie, punndu-se un accent deosebit pe funcionarea i rcirea cuptorului electric prin inducie cu creuzet.- n al treilea capitol se face o clasificare a mainilor electrice rotative dup sistemul de

rcire folosit pentru transferul de cldur n exteriorul mainii, n continuare sunt prezentate unele soluii de rcire a motoarelor electrice, precum i cteva soluii noi de rcire a mainilor electrice. - Al patrulea capitol face o analiz a transferului de cldur din transformator , prezint sistemele de rcire, unele realizri ale ctorva firme specializate n construcia de transformatoare i puncteaz cteva soluii noi de transfer de cldur. In ultima parte sunt prezentate cteva concluzii care se desprind ca urmare a realizrii acestui referat i problemele care urmeaz a fi abordate in referatul urmtor.

CAPITOLUL 1. NCLZIREA I TRANSFERUL DE CLDUR N ECHIPAMENTELE ELECTROTEHNICE1.1 nclzirea echipamentelor electrotehnice In echipamentele electrice n funciune se dezvolt continuu cldur, n virtutea legii transformrii unei pri din energia electromagnetic n energie termic. Ca urmare a cldurii degajate n orice echipament electric n funcionare, temperaturile diferitelor pri ale acestuia cresc pn la valorile limit, corespunztoare regimului staionar, cnd ntreaga cldur dezvoltat este cedat mediului ambiant [9J. Echipamentul electric n regim staionar posed o anumit "ncrctur caloric", care se pstreaz n stare potenial tot timpul, pn n momentul deconectrii, cnd echipamentul nemaiprimind energie de la surse, toat cldura acumulat este disipat integral, n mod progresiv, mediului ambiant, mai rece. Pentru a garanta o funcionare satisfctoare i de lung durat a echipamentelor electrice, sub aspectul solicitrilor termice, standardele impun, n funcie de materialele utilizate i de condiiile de exploatare, anumite limite (valori) maxime admisibile pentru temperaturile n regimul staionar.

Temperatura unui echipament electric este determinat de temperatura mediului ambiant 0a la care se adaug creterea de temperatur Ts, datorat nclzirii aparatului prin efect electrocaloric. Temperatura mediului ambiant n procesul nclzirii i rcirii aparatului joac un rol important, valoarea acesteia fiind determinat, prin norme, de latitudine i altitudine, ct i de anumite particulariti specifice locului concret de amplasare i funcionare a echipamentului. Diferena dintre temperatura suprafeei corpului cald 8S i temperatura mediului ambiant 0a se numete supratemperatura corpului fa de temperatura mediului ambiant i este independent de alegerea originii pe scara temperaturilor. Majoritatea normelor indic dou valori pentru regimul staionar, i anume:1) supratemperatura maxim (limit) admis i 2) temperatura maxim admis (9 S ; T s ), legtura dintre ele fiind dat de relaia:

rs = e s-6a=Ts-Ta unde:-

(1.1)

6 este temperatura n grade Celsius [C]; T temperatura n grade Kelvin [K].

Pentru temperatura mediului ambiant de referin (n regiunea temperat), ca limit normal se admite valoarea : 6a = 40C. Prin construcia sa, orice echipament electric are o structur neomogen, elementele lui componente putnd s fie: ci de curent, contacte electrice, bobine, miezuri feromagnetice, camere de stingere etc. In unele pri componente ale echipamentului se dezvolt cldur datorit diferitelor procese fizice. De regul, principalele surse de cldur n echipamentele electrice sunt prile lor active, i anume: conductoarele parcurse de cureni electrici (n care se dezvolt cldur prin efect Joule) i miezurile feromagnetice (din fier) strbtute de fluxuri magnetice variabile n timp (nclzirea fiind cauzat de pierderi prin histerezis magnetic i prin cureni turbionari). De asemenea, n echipamentele cu comutaie mecanic (cu contacte) i n siguranele fuzibile se produce o mare degajare de cldur n arcul electric ce nsoete funcionarea acestora. In plus, n materialele izolante pot lua natere

nclziri suplimentare, datorate pierderilor dielectrice produse sub aciunea cmpurilor electrice variabile n timp. Restul elementelor echipamentului, care nu sunt surse de cldur, se pot nclzi puternic pe calea propagrii termice (a transmiterii cldurii de la un corp la altul). Ceea ce intereseaz, din punct de vedere practic, sunt nivelul i distribuia temperaturilor n diferitele elementele componente ale echipamentului electric. Acestea depind, n cea mai mare msur, att de puterea surselor de cldur, ct i de localizarea lor n construcia echipamentului electric n discuie. In general, cu ct "ncrcarea echipamentului" (adic mrimea curentului de sarcin) este mai mare, cu att mai mari vor fi i pierderile de energie electric. Aceasta nseamn c, n condiii de rcire identice, supratemperaturile elementelor componente ale echipamentului vor fi mai ridicate. 1.1.1. Regimuri de nclzire. Stabilitate termic Capacitatea oricrui echipament electric de a rezista (adic, de a nu se degrada) sub aciunea solicitrilor termice, n condiii predeterminate de standarde, se numete stabilitate termic. Valoarea efectiv a celui mai mare curent It pe care l poate suporta echipamentul electric un timp limitat t, fr ca nclzirea diferitelor pri componente s depeasc valorile specificate pentru un anumit regim de funcionare se numete "curent limit termic" (notat cu It). Fabricile constructoare indic fie curentul limit termic It, fie coeficientul de stabilitate termic Kt (la scurtcircuitarea echipamentelor de comutaie).A.

In cazul n care se cunoate curentul limit termic It la un anumit timp t, atunci curentul de stabilitate termic Vt pentru timpul t' (sec) se calculeaz cu formula: (1.2) Pentru verificarea echipamentelor la stabilitate termic n cazul scurtcircuitelor este necesar a se compara cantitatea de cldur real Q (care se degaj n echipament n timpului t ct dureaz scurtcircuitul) cu cantitatea de cldur admisibil Qadm9 suportat de echipament.

Cantitatea de cldur admisibil Qa(jm se calculeaz cu relaia: Qadm = R-ft% iar cantitatea de cldur real Q (disipat n timpul fictiv se stabilete cu formula: I - ^ j -

(1.6)

(1.7) In afara metodei timpului fictiv mai exist i alte metode de verificare la stabilitate termic a echipamentelor electrice. Dac se admit supratemperaturi mai ridicate n echipament se pot obine de la acesta puteri mai mari, cnd toate celelalte condiii se menin neschimbate. Prin urmare, puterea echipamentului este restricionat de valorile supratemperaturilor maxim admise n diferitele lui pri, iar aceste supratemperaturi depind de natura materialelor utilizate. Verificarea supratemperaturii limit admis se va efectua, practic, asupra urmtoarelor pri componente: (a) ci de curent; (b) izolaia electric; (c) elemente elastice; (d) contacte electrice etc.

Pe de alt parte, pentru a nu se face risip de material conductor (la cile de curent) i de material feromagnetic (la miezurile magnetice), ct i pentru a executa echipamente cu dimensiuni reduse, este necesar ca densitatea de curent "/" n conductoare i inducia magnetic "B" n miezurile de fier s fie ct mai mari. Dar, unor densiti / i inducii B mari le corespund importante pierderi de energie, care determin o nclzire general mai mare a echipamentului. Pentru ca aceast nclzire s nu depeasc limitele admise de standarde este necesar ca transmiterea cldurii ctre mediul nconjurtor (adic rcirea echipamentului) s fie ct mai eficient. Existena unui mijloc eficient de rcire, care poate menine temperatura echipamentului n limitele prescrise, nu trebuie s nsemne creterea ncrcrii echipamentului, deoarece, n acest caz, cldura disipat mai mare (echivalent pierderilor majorate) se poate considera o cheltuial inutil de energie i, din aceast cauz, ea trebuie meninut n limite admisibile. Principial, trebuie fcut distincie ntre cele dou regimuri de nclzire ale echipamentelor electrice.1. Primul l constituie nclzirea de durat. Acesta este regimul normal de

funcionare al majoritii echipamentelor i este caracterizat prin echilibrul termic dintre cldura dezvoltat i cldura cedat mediului de rcire, caz n care, n final, se ajunge la o temperatur staionar bine determinat.2. Al doilea regim, nclzirea de scurt durat, este determinat de supracureni,

ca, de exemplu, nclzirea echipamentelor n cazurile de scurtcircuit. In acest regim, temperatura crete n tot timpul ct dureaz scurtcircuitul. Scopul tuturor calculelor termice const n a verifica dac nclzirile diverselor elemente componente ale echipamentelor nu depesc limitele admisibile care, n principiu, difer pentru cele dou regimuri de nclzire sus menionate. In concluzie, se poate spune c gradul de solicitare termic are o influen direct asupra aspectului tehnico-economic al construciei i exploatrii echipamentelor electrice (n general) i asupra siguranei n funcionare a acestora (n special). O nclzire excesiv (hipertermie) pericliteaz buna funcionare a echipamentului i-i scurteaz viaa de

exploatare, pe cnd o nclzire prea sczut (hipotermie) este rezultatul unei construcii supradimensionate, total neraional din punct de vedere economic.

1.1.2. Producerea cldurii n echipamentele electrice

Temperaturile maxime atinse de echipamentele electrice sau de componentele acestora depind, pe de o parte, de cantitatea de cldur dezvoltat, iar pe de alt parte, de cantitatea de cldur transferat. In echipamentele electrice cldura se dezvolt, mai ales, n masa materialelor active (n conductoare electrice i n miezuri feromagnetice). Pentru calculul solicitrilor termice ale prilor componente ale echipamentelor electrice trebuie s se determine cldura dezvoltat n cile de curent (prin efect JouleLenz) i cldura dezvoltat n miezurile feromagnetice (prin cureni turbionari i prin histerezis magnetic). 1.1.2.1. Cldura produs n cile de curent Savantul englez Joule i academicianul rus Lenz, n perioada anilor 1841-1842, au descoperit (simultan i independent) fenomenul dezvoltrii cldurii datorit trecerii curentului electric de conducie printr-un material conductor, pe baza transformrii energiei cmpului electromagnetic n energie termic deci n cldur. n cazul conductoarelor omogene, izotrope i liniare, n forma local, legea transformrii energiei n masa conductoarelor d expresia energiei disipate de cmpul electromagnetic n unitatea de timp i pe unitatea de volum. Conform acestei legi [9], densitatea de volum " p / f a puterii cedate (ireversibil) conductoarelor de cmpul electromagnetic n procesul de conducie electric (i transformat n cldur) este egal (n fiecare punct) cu produsul scalar dintre intensitatea cmpului electric E i densitatea curentului electric de conducie 7: pj=E-J [W/m3] (1.8)

n interpretarea microscopic a legii, p j deriv din efectul macroscopic al lucrului mecanic cheltuit de cmp n unitatea de timp (i pe unitatea de volum) pentai

deplasarea prin conductor a particulelor libere ncrcate electric. Mrimea scalar p j este ntotdeauna pozitiv i caracterizeaz dezvoltarea de cldur (o caracteristic a strii electrocinetice a conductoarelor electrice), determinnd efectul electrocaloric sau efectul Joule-Lenz, care este un fenomen ireversibil. Cu ajutorul formei locale a legii lui Ohm E = p - J (unde p este rezitivitatea electric a conductorului) nlocuit n (1.8) rezult expresia:Pj

=E-J = E-J = p-J2

(1.9)

care descrie matematic forma local a legii Joule-Lenz de transformare a energiei electromagnetice (pe durata conduciei) n masa conductoarelor, n conductoarele electrice (tar cmp electric imprimat) puterea disipat n masa conductorului sub form de cldur se calculeaz cu formula: Pj = \ p - J 2 - d V = R - i 2 >0 v aceasta fiind denumit i "Legea Joule-Lenz n i'orma integral ".8

(1.10)

Cldura O dezvoltat n timpul At = t2 - t } > 0 se obine prin integrarea puterii pierdute P f .h h h

Q = \Pj'dt='\R-i2-dth

[J]

(1.11)

n curent continuu (cnd R= const. i i = I = const) avem P j = R - 12, iar 0 =Pj At=R -I2 -At. In regim alternativ se pstreaz aceleai relaii (n principiu), cu meniunea c, de aceast dat, /=/ va reprezenta valoarea efectiv (sau eficace), calculat cu relaia general:

i=

)i (tya2

(1.12)

In plus, rezistena R a oricrui conductor electric strbtut de un curent alternativ este mai mare dect rezistena aceluiai conductor strbtut de curent continuu, determinnd, n consecin, majorarea pierderilor prin efect Joule-Leriz. Creterea

rezistenei n ca. R C M . se datoreaz efectului pelicular" i "efectului de proximitate". Aceste dou "efecte" vor fi explicate fizic, pe scurt, n continuare. 1. Efectul pelicular. De la electrotehnic se tie c un cmp magnetic (variabil n timp) creat de un conductor parcurs de curent alternativ induce n acesta o t.e.m. (opus tensiunii aplicate). Pentru un conductor rotund, straturile conductorului mai apropiate de centru vor fi nlnuite deFig.l.l Explicaia efectului pelicular

mai multe linii de cmp magnetic (Fig. 1.1. a) i, prin urmare, densitatea total de curent / (de conducie i de curent indus) va fi mai mic. Densitatea de curent "J" va crete odat cu raza "r" a conductorului (Fig.l.l.b), devenind maxim n straturile din apropierea suprafeei exterioare a conductorului. Aceast distribuie neuniform a densitii de curent pe suprafaa seciunii transversale a conductorului este denumit "efect pelicular". Ea determin o utilizare neuniform a seciunii transversale A , ceea ce echivaleaz fzic cu o cretere a rezistenei conductorului, R = p 11 A (n care P este rezistivitatea electric, iar / este lungimea conductorului). 2. Efectul de proximitate. Este prezent doar n cazul a dou (sau mai multe) conductoare paralele, aflate n vecintate i parcurse de cureni alternativi. Atunci cnd curenii alternativi ce strbat cele dou conductoare au sensuri opuse (Fig.l.2.a), straturile mai apropiate a i ; vor fi nlnuite de un flux 0i mai mic dect fluxul 02 care nlnuie straturile mai ndeprtate b i bi (&i < 02). n consecin, distribuia densitilor de curent va fi cea din figura 1.2.c. Atunci cnd curenii alternativi din cele dou conductoare au acelai sens (Fig.l.2.b) , straturile mai ndeprtate vor fi nlnuite de un flux mai mic 02 < 0i densitile de curent fiind repartizate pe seciunea transversal a conductoarelor ca n Fig. 1.2.d

Fig. 1.2 Explicaia efectului de proximitate

Practic, creterea rezistenei electrice a unui conductor n curent alternativ RCM fa de rezistena lui n curent continuu Rcc. se ia n considerare (n calcule) prin introducerea unui factor suplimentar "kCM." (supraunitar) de cretere a rezistentei. Deoarece efectul termic al curentului este de natur scalar, fiind cumulativ (puterea pierdut total obinndu-se prin adunri) rezult c i factorul de majorare a rezistenei n ca., k C M _ 1 va fi egal cu suma dintre factorul de efect pelicular " k p e [ " i factorul de efect de proximitate "kprax"-Analitic, rezult:

cu

k C M , = kpei + kprox > /

(1.13)

Observaie. Toate relaiile de mai sus consider doar regimul termic staionar. La scrierea ecuaiilor regimurilor termice tranzitorii (ale conductoarelor), ecuaia (1.3) trebuie utilizat sub forma diferenial: dO (1.14) Dac pe durata procesului termic se modific i rezistena R = R(t), atunci: dQ = R ( t ) - i 2 ( t ) . d t (L15) = R-i2(t)-dt

1.1.2.2. Cldura produs n miezurile feromagnetice ntr-un material feromagnetic (miez), strbtut de linii de cmp magnetic variabil n timp, B = B(t) se dezvolt pierderi, cauzate fizic att de fenomenul de

histerezis magnetic ct i de prezena curenilor turbionari. Aceste pierderi se disipa (sub form de cldur) n toat masa materialului feromagnetic, determinnd nclzirea miezului. 1. Pierderile prin histerezis sunt proporionale cu aria ciclului de histerezis (Fig. 1.3) i se determin cu relaia: P H = V H ' / - B M ' M F = pH - M FE E

(1.16)

unde:- d2, n m. Alte relaii pentru calculul termic prin conducie (n regim staionar), pentru cazurile frecvent ntlnite n practic pot fi gsite n lucrrile de specialitate dedicate doar acestui subiect. 1.2.2. Transmiterea cldurii prin radiaie termic Orice corp cu temperatura diferit de zero absolut emite energie. Energia emis se numete radiaie termic. Radiaia termic este cu att mai important cu ct temperatura corpului radiant este mai mare. Dup teoria lui Maxwell, energia radiat este emis n spaiu ca "raze de cldur", sub form de unde electromagnetice cu lungimi de und n intervalul (0,4...340)juni. Aceste "raze de cldur" (unde electromagnetice) transport energie de la surs (emitor) spre mediul nconjurtor. Printre exemplele de radiaie termic se menioneaz: radiaia solar, radiaia unui radiator electric, radiaia filamentului unui bec cu incandescen, radiaia arcului electric etc. Ca und electromagnetic, cldura radiat se propag n

linie dreapt de la suprafaa corpului radiant (emitor) spre mediul ambiant. n drumul lor, razele de cldur pot fi absorbite sau reflectate de obstacolele (corpurile) pe care le ntlnesc. Corpul care absoarbe integral radiaia inciden este numit "corp negru". In realitate, corpurile nu absorb dect o fraciune din radiaia inciden, restul radiaiei fiind reflectat. Schimbul de cldur ntre corpuri cu temperaturi diferite; pe calea energiei radiate/absorbite se numete transmitere prin radiaie (sau absorbie) termic. Emisia prin radiaie termic este guvernat de Legea Stefan-Boltzmann. Densitatea de flux termic qr emis de radiatorul ideal (corpul negru), aflat la temperatura absolut T (K) este dat de Legea Stefan-Boltzmann: g =

In funcie de clasa materialelor electroizolante folosite, s-au stabilit limitele de nclzire pentru nfurrile mainilor electrice i pentru celelalte elemente ale acestora. Aceste limite de nclzire s-au fixat n ipoteza c temperatura agentului gazos care asigur rcirea mainii nu depete 40C, iar altitudinea locului de montaj nu depete 1000 m. In tabelul 3.2 sunt cuprinse limitele temperaturilor nclzirilor admisibile ale nfurrilor i altor pri ale mainilor electrice n funcie de clasa de izolaie dup STAS 6247-87.

84

Tabelul 3.2Clasele de izolaie

Simbolul clasei de izolaieTemperatura

care caracterizeaz stabilitatea termic a materialului din clasa

corespunztoare [C]Lista principalelor grupe de materiale electroizoante care corespund clasei de izolaie, n ceea ce privete stabilitatea termicY90Izolaii compuse din bumbac, mtase sau hrtie fr a fi impregnate sau introduse n lichide electroizoante i alte materiale sau combinaii de materiale, dac experiena sau ncercrile au artat c sunt indicate s funcioneze la temperatura clasei YA105Izolaii compuse din bumbac, mtase sau hrtie, impregnate sau introduse n lichide electroizoante i alte materiale sau combinaii de materiale, dac experiena sau ncercrile au artat c sunt indicate s funcioneze la temperatura clasei A.E120Unele pelicule organice sintetice precum i diferite materiale sau combinaii de materiale, dac experiena sau ncercrile sunt indicate s funcioneze la temperatura clasei EB130Materiale pe baz de mic, fibre de sticl, azbest cu liani organici i compounduri de impregnare corespunztoare precum i alte materiale sau combinaii de materiale, dac experiena sau ncercrile au artat c sunt indicate s funcioneze la temperatura clasei BF155Materiale pe baz de mic, azbest i fibre de sticl cu liani i compounduri de impregnare corespunztoare precum i alte materiale anorganice sau chiar organice, dac experiena sau ncercrile au artat c sunt indicate s funcioneze la temperatura clasei FH180Materiale pe baz de mic, azbest i fibr de sticl cu liani i compounduri silico- organice (elastomeri silico-organici) precum i alte materiale sau combinaii de materiale, dac experiena sau ncercrile au artat c sunt indicate s funcioneze la temperatura clasei H.Cpeste 180Materiale pe baz de mic, porelan, cuart sticl cu sau iar liani anorganici i alte materiale sau combinaii de materiale care n urma experienei sau ncercrilor rezult c pot fi utilizate la temperaturi superioare clasei H. Temperatura de utilizare a acestor materiale este limitat de caracteristicile lor fizice, chimice i electrice.

85

Temperaturile admise pentru nfurrile mainilor electrice sunt mai mici dect cele corespunztoare materialelor folosite pentru izolarea acestor nfurri. Aceasta se explic prin faptul c metodele de msurare a nclzirilor determin valoarea medie a nclzirii nfurrilor. n realitate exist ns locuri n care temperatura nfurrii este mai ridicat fa de aceast valoare medie. Deoarece nici n aceste locuri nu trebuie depite limitele prescrise pentru materiale electroizolante, limitele admise pentru nfurrile mainilor electrice sunt mai sczute. Diferenele ntre limitele pe care le pot avea temperaturile nfurrilor i temperaturile la care pot funciona materialele sunt urmtoarele: Clasa A: 5C; Clasa B: 5C; Clasa E: 10C; Clasa E:10C; Clasa H: 15C.

3.5.4. Influena altitudinii asupra rcirii mainilor Un alt element care influeneaz dimensionarea unei maini electrice, respectiv alegerea solicitrilor electromagnetice, este altitudinea la care funcioneaz maina. Conform standardelor n vigoare (STAS 1893/2-87), toate mainile au puterea i nclzirea garantat dac funcioneaz pn la o altitudine de 1 000 m. Dac se depesc 1 000 m, atunci datorit rarefierii aerului, ventilaia mainii se nrutete. Din aceste motive trebuie ca solicitrile electromagnetice s fie micorate cu 5 % la mainile deschise i cu 10 % la mainile nchise, dac mainile sunt destinate a funciona la altitudini de pn la 2000 m. Peste aceast altitudine se ntlnesc cazuri mai rare. Prin STAS 1893/2-87 se precizeaz urmtoarele n legtur cu limitele de nclzire n cazul abaterii de la temperatura mediului de rcire de 40C i la altitudinea locului de montaj de 1000 m :- Dac la locul de folosire, valoarea maxim a temperaturii agentului de rcire (aer sau alt

gaz), la intrare, este mai mic dect +40C, limitele supratemperaturilor rezultate din

86

tabelul 3.2 pot fi mrite cu diferena ntre temperatura de +40 C i temperatura agentului de rcire.- Dac la locul de folosire, valoarea maxim a temperaturii agentului gazos la rcire, la

intrare, depete +40C cu o anumit valoare, ns este mai mic de +45C, limitele supratemperaturilor se vor stabili de productor.- Temperatura maxim a agentului de rcire (aer sau alt gaz) pentru care este construit

maina, trebuie marcat pe plcua indicatoare a mainii, dac este diferit de +40C. - In cazul utilizrii apei ca agent de rcire este sub +25C, limitele supratemperaturilor (nclzirilor) diferitelor pri ale mainii rezultate din tabelul 3.2, pot fi mrite cu pn la 10 C. - Dac temperatura apei de rcire n circuitul de rcire este sub +25C, limitele supratemperaturilor (nclzirilor) diferitelor pri ale mainilor, corectate cum s-a artat, pot fi mrite cu diferena de temperatur dintre +25C i temperatura apei de rcire, iar dac este mai mare de +25C, limitele supratemperaturilor (nclzirilor) diferitelor pri ale mainii corectate cum s-a artat, trebuie reduse cu diferena dintre temperatura apei de rcire i +25 C. Temperatura apei de rcire trebuie trecut pe plcua indicatoare a mainii, dac este diferit de +25C. Beneficiarul trebuie s asigure la locul de montaj regimul de funcionare precum i accesul aerului sau gazului de rcire. Dac rcirea mainii este mpiedicat de montarea ei ntr-un spaiu prea mic sau de dispozitivul de protecie prevzut n instalaiile de exploatare (cabin, cuc etc.) sarcina nominal a mainii poate fi redus astfel nct limitele de temperatur ale diferitelor pri conform tabelului 3.2 s nu fie depite. In aceste condiii nclzirea diferitelor piese sau subansamble nu trebuie s depeasc limitele admisibile indicate n tabelul 3.2.

Pentru mainile montate la altitudini de peste lOOOm pn la 4000m deasupra nivelului mrii, sunt valabile la ncercare aceleai temperaturi (nclziri) din tabelul 3.2, cu condiia

87

ca aceast ncercare s se efectueze la aceeai altitudine la care maina urineaz s funcioneze n exploatarea normal. Dac ncercarea are loc la o altitudine mai mic dect aceea a locului de montaj, temperaturile (nclzirile) limit admise, sunt cele din tabelul 3.2, reduse cu cte 0,5C pentru fiecare lOOm diferen ntre altitudinea locului de montaj i altitudinea locului de ncercare. Dac ncercarea are loc la o altitudine mai mic dect a locului de montaj, temperaturile limit admise indicate n tabelul 3.2, nu se modific n urmtoarele situaii:- dac maina este prevzut cu rcire forat cu aer, sau prin alt agent gazos i dac

presiunea acestui agent de rcire se menine la o valoare constant, independent de altitudinea locului de montaj;- dac temperatura aerului de rcire nu depete valorile cuprinse n tabelul 3.3 In

aceste cazuri trebuie menionat pe plcua indicatoare a mainii condiia impus mediului de rcire. Temperatura maxim a aerului de rcire pentru diferite altitudini ale locului de montaj este prezentat n tabelul 3.3Tabelul 3.3

Altitudinea locului de montajPn la lOOOmPeste lOOOm pn la lOOOmFeste lOOOm pn la 3000mPeste 3000m pn la 4000mTemperatura maxim a aerului de rcire C40353025

3.6. Noi soluii constructive i tehnologii pentru creterea transferului de cldur n mainile electrice

Necesitatea utilizrii mainilor electrice de puteri mari i n regimuri de lucru foarte solicitante au impus gsirea de noi soluii constructive sau de rcire a acestora. Aceasta, doarece creterea puterii nominale a motoarelor conduce la creterea pierderilor, la nclzirea excesiv a motoarelor, iar noile soluii de rcire trebuie s asigure un transfer88

mai rapid al cldurii n exteriorul mainilor. n acest sens, este interesant de fcut o scurt prezentare a sistemelor de rcire ale turbogeneratoarelor i hidrogeneratoarelor. Problema rcirii hidrogeneratoarelor este una din cele mai complexe probleme ale ingineriei electrice, deoarece dimensiunile turbogeneratoarelor, comparate, de exemplu, cu cele ale hidrogeneratoarelor, sunt mult mai mici. n figura 3.20. este prezentat un turbogenerator cu sistem de rcire cu aer i rcire n circuit-nchis.

4212

Fig.3.20 Turbogenerator cu sistem de rcire cu aer i rcire n circuit-nchis

Aerul este introdus n generator de dou ventilatoare duplex / pe ambele pri ale rotorului. Partea de aer care vine de la ventilator circui peste conexiunile terminale ale nfurrilor statorului, trece prin ntrefier/distanorii de aer, i este scos prin conductele radiale n apropierea suprafeelor terminale ale statorului n camerele laterale cu aer fierbinte 2, care comunic cu camera comun cu aer fierbinte 3. Cealalt parte a aerului trece printre camera 2 i carcasa generatorului n camerele 4, fiind apoi eliminat prin conductele de rcire, n camera mijlocie cu aer fierbinte 5 i la final, n camera comun. Din camera 5, aerul fierbinte intr n rcitorul de aer de sub generator i, dup ce a fost rcit, se ntoarce la generator prin camera comun cu aer rece 6. Sistemul de rcire descris n figura 3.20 se refer la un sistem cu trei treceri/circulari de aer, din cauza numrului de ci cu aer fierbinte care apar de la

89

generator. Un astfel de sistem este de obicei utilizat la turbogeneratoarele cu valoare medie la ieire (pn la 25 mii kW); la turbogeneratoarele cu valori mici de ieire (6 la 12 mii kW) este folosit un sistem de rcire cu dou treceri; pentru turbogeneratoarele cu valori mari de ieire, se folosesc sisteme cu treceri multiple. In cazul unui sistem de rcire cu circuit-nchis, pentru rcirea mainii se poate folosi nu doar aer ci i alte gaze. In prezent, n acest scop este folosit hidrogenul.

3.6.1. Rcirea cu hidrogen a turbogeneratoarelor Rcirea cu hidrogen are un numr de avantaje apreciabile fa de rcirea cu aer. Conductivitatea cldurii hidrogenului este de 6,7 ori mai mare dect cea aerului, iar drept rezultat, coeficientul de transfer de cldur la suprafa este de 1,4 ori mai mare dect pentru aer. Prin urmare, hidrogenul rcete o main mult mai intens, iar o main cu valoare mare la ieire poate fi construit cu dimensiuni date. In plus, hidrogenul este de 14 ori mai uor dect aerul. Deci, pierderile prin ventilaie, care la mainile de mare vitez fac s creasc pierderilor totale, scad cu aprox. o zecime fa de pierderile survenite atunci cnd se folosete aer. Ca rezultat, eficiena generatorului crete corespunztor. Calculele i experiena arat c la turbogeneratoarele de 50 i 100 MW, la 3000 rpm, randamentul crete cu aprox. 0,8% n sarcin plin, atingnd valori de 98,5 98,9%. Folosirea rcirii cu hidrogen se reflect si n durata de viat a izolaiei, ntruct atunci cnd are loc fenomenul Corona, nu se produce ozon care s cauzeze oxidarea intens a izolaiei i nu apare nici un compus duntor de nitrogen. Rcirea cu hidrogen este folosit pe scar larg la turbogeneratoare i la compensatoarele sincrone. In Fig. 3.21 este prezentat o seciune longitudinal a unui turbogenerator rcit cu hidrogen, construit de General Electric n SUA. Rcitoarele cu gaz sunt dispuse n locaul generatorului i au dimensiuni substanial mai mici fa de cele ale rcitoarelor cu aer. Capetele terminale i lagrele trebuie s fe prevzute cu garnituri sau nfurri speciale.

90

Fig.3.21 Seciune longitudinal a unui turbogenerator rcit cu hidrogen (GE- SUA) 1- nfurarea statoric; 2- ventilator axial: 3- inele de contact; 4- perii; 5trecere izolat; 6- transformator de curent; 7- rcitoare de gaz; 8- semicupl; 9rezervor pentru lichidul de rcire; 10- furtune izolante de umplere; 11- sistem de evi

Una din cele mai dificile pri de rcire ale turbogeneratorului este rotorul. In schemele convenionale, rotorul este rcit de circulaia gazului peste suprafeele tamburilor exteriori ai rotorului i conexiunile terminale. Pentru o mai bun rcire a rotorului, suprafeele tamburilor sunt prevzute cu caneluri speciale, tiate elicoidal, ntro direcie perpendicular pe axa mainii. Din anumite motive, legate mai ales de posibilitile metalurgiei moderne, ar trebui presupus c diametrul de limitare a rotorului este de aprox. 110 - 120 cm, iar lungimea de limitare a rotorului este de 600 - 650 cm. Astfel de dimensiuni au fost deja atinse la primele turbogeneratoare cu puteri de 100 i 150 MW. Din acest motiv, o cretere pe viitor a puterii este realizat ndeosebi prin creterea sarcinii, care necesit folosirea unui sistem direct mai eficient pentru rcirea nfurrii turbogeneratorului. Atunci cnd avem rcire direct, nfurarea este proiectat cu un sistem de canale interioare (fg.3.22) pentru circularea agentului de rcire.

91

Fig 3.22 Forme de canale n nfurarea rotrica la rcirea intern cu hidrogen

n prezent, pentru rcirea nfurrii rotorului este folosit ndeosebi hidrogen la o presiune de 3-4 atmosfere. nfurrile statorului sunt rcite intern cu un lichid (ap distilat sau ulei) sau cu hidrogen, agentul de rcire fiind fcut s circule de-a lungul conductelor interioare (fig.3.23) n barele bobinei. Apa este cel mai bun rcitor, i de aceea se prefer sistemul cu ap pentru rcirea interioar a nfurrilor statorului la t urb o generatoarei e moderne.

#~M mM< 9?um M^m JPI MkiFig.3.23 Seciune transversal a barelor nfurrii retorice cu rcire intern

V

Turbogeneratoarele industriale experimentale au fost de asemenea proiectate si realizate pentru rcire direct cu ap, att pentru nfurrile statorului ct i ale rotorului. Experiena acumulat n funcionarea acestor maini arat c rcirea cu ap asigur o eficien mrit i c este realizabil.

3.6.2. Rcirea hidrogeneratoarelor cu aer i ap

92

Hidrogeneratoarele sunt n general proiectate cu un sistem de rcire cu aer. La generatoarele cu puteri mai mari, aerul de rcire circul ntr-un circuit nchis (fg.3.24). La aceste generatoare aerul de rcire este introdus din partea corpului rotorului prin canalele radiale n zona exterioar a rotorului, pentru a crea cderea de presiune esenial pentru circulaie.

Fig. 3.24 Seciune longitudinal printr-un hidrogenerator rcit cu aer, de la o central hidroelectric

In prezent, rcirea direct a bobinelor mai este ntrebuinat Ia hidrogeneratoare pentru a mbunti eficacitatea rcirii. Pentru nfurarea statorului este folosit rcirea interioar cu ap, corespunztoare tipului sistemelor de rcire folosite la

turbogeneratoare. Rcirea direct cu aer (fg.3.25) sau rcirea direct cu ap sunt folosite pentru rcirea nfurrile polilor. Figura 3.26 prezint o seciune transversal a unui

93

rotor de hidrogenerator cu valori de 86 MV A, 428,5 rpm, cu rcire direct cu ap a nfurrilor polilor proiectat i realizat de ABB.

Fig.3.25 Rcirea direct cu aer a nfurrii rotorice a unui hidrogenerator

Fig.3.26 Rotor de hidrogenerator cu rcire intern cu ap a nfurrii

In afar de soluiile care privesc mrirea numrului de nervuri, deci a suprafeei de transfer de cldur se experimenteaz i se testeaz altele cu totul noi.

3.6.3. Rcirea cu antigel Alt soluie realizat la SC ELECTROPUTERE SA Craiova pentru un beneficiar extern din SUA, prevede montarea pe carcasa mainii a unor serpentine de rcire prin care circul antigel. In fg.3.27 este prezentat motorul realizat, iar n fig.3.28 se vd serpentinele de rcire prin care circul antigelul.

94

Fig. 3.19 Motor rcit cu antigel

Tipul motorului este VLDY 683 cu 8 poli cu puterea de 605 HP la 451 rpm alimentat la 460 V.

Fig. 3.20 Serpentine de rcire

3.6.4. Utilizarea tubului termic pentru transferul de cldur Este de amintit ncercarea de a se utiliza tuburile termice pentru un transfer rapid de cldur din maina electric la exterior. Soluia propune realizarea axului rotorului din tub termic, care la un capt este scos n afara mainii unde este rcit, astfel nct fluidul de lucru din interiorul tubului termic se condenseaz i face un nou ciclu de rcire.

Tubul termic este un dispozitiv care realizeaz un transfer eficient de cldur prin mbinarea ntr-un ciclu nchis a fenomenelor de vaporizare, transport de vapori, condensare i returnare condens, ale unui fluid de lucru. Din punct de vedere constructiv, tubul termic este format dintr-o incint etan (eava), cptuit la interior cu un strat de material poros (structura capilar) saturat cu fluidul de lucru. nclzind unul din capetele tubului termic, se produce vaporizarea fluidului de lucru coninut de structura capilar, vaporii formai ndreptndu-se spre captul mai rece unde, prin condensare, cedeaz cldura mediului exterior. Condensul se rentoarce n zona de vaporizare prin structura capilar, ciclul de funcionare relundu-se atta timp ct se menine o diferen de temperatur care s poat activa procesul. ntoarcerea condensului n zona de vaporizare poate fi asigurat de unul sau mai multe efecte ca : gravitaie, for centrifug, cmp electrodinamic etc. Capacitatea de a transporta cldur a tubului termic este extrem de mare, mai ales atunci cnd se folosesc ca fluide de lucru, metale lichide. Comparnd posibilitile de transfer de cldur ale tubului termic cu cele ale unei bare de cupru de aceleai dimensiuni, observm c un tub termic funcionnd cu litiu la temperatura de 1500C poate transporta longitudinal 15 kW pe fiecare cm de seciune transversal, cu un gradient axial de temperatur de aproximativ 0,1C/cm, iar o bar de cupru cu aceleai dimensiuni ar necesita un gradient de temperatur de circa 4000C/cm, pentru a transporta prin conducie acelai flux de cldur de 15 kW/cm . O alt proprietate important a tubului termic este funcionarea izoterm. Datorit faptului c n lungul tubului termic presiunea este constant, acesta va funciona la o temperatur constant, temperatura de saturaie corespunztoare presiunii din interiorul tubului. Hidrodinmica tubului termic implic existena unor cderi de presiune i deci a unor cderi de temperatur. Acestea sunt ns att de mici n comparaie cu temperatura tubului termic nct, n aplicaiile practice, putem spune c funcionarea este izoterm. Cele dou proprieti artate mai sus, capacitatea mare de transfer termic i funcionarea izoterm, prezint un mare interes practic, fiind la baza a numeroase aplicaii tehnice.

CAPITOLUL 4.

TRANSFERUL DE CLDUR N

TRANSFORMATOARELE ELECTRICE DE MARE PUTERE4.1. Rcirea transformatoarelor electrice Cldura dezvoltat n prile active ale unui transformator electric trebuie cedat mediului exterior. Mediul prin intermediul cruia are loc cedarea cldurii ctre exterior poate fi aerul sau uleiul. La transformatoarele uscate, cldura dezvoltat este cedat exteriorului prin radiaie i prin convecie. Dac aerul de rcire se deplaseaz n mod natural fr a se interveni din exterior, se spune c transformatorul e cu rcire natural, iar dac e antrenat prin intermediul ventilatoarelor, transformatorul e cu rcire forat. La transformatoareie electrice de puteri mai mari, se utilizeaz uleiul ca mediu de rcire, care are o serie de avantaje fa de aer. Datorit cldurii specifice i a conductivitii termice mai mari dect ale aerului, transmiterea cldurii din prile n care ea se dezvolt se face mai uor dect la transformatoarele uscate. De asemenea, datorit capacitii termice mari, transformatorul poate suporta suprasarcini far dificulti. Uleiul de transformator este un ulei mineral, rafinat, nu atac suprafeele metalice i are o rigiditate dielctrica de circa ase ori mai mare dect aerul. Condiiile pe care trebuie s le ndeplineasc uleiul de transformator sunt date n STAS 811-83. Rigiditatea uleiului trebuie s fie mai mare de 80 kV/cm. Apa reduce foarte mult rigiditatea uleiului i din acest motiv uleiul trebuie ferit de ap; el trebuie ferit i de aer, pentru c oxigenul oxideaz uleiul, impuri ficndu-1. Protecia uleiului fa de ap i aer se face prin utilizarea unui conservator de ulei, plasat deasupra transformatorului i care comunic cu partea cea mai nalt a cu vei plin cu ulei n care este plasat transformatorul. Conservatorul, pe de o parte, este umplut cu ulei pe jumtate i permite dilatarea acestuia, iar pe de alt parte, face ca uleiul s aib o suprafa mic de contact cu aerul. Umezeala i impuritile provenite din oxidare rmn n cea mai mare parte n conservator i astfel alterarea uleiului se face mult mai ncet. La puteri mici, cuvele se fac din tabl plan.

La puteri mai mari, n vederea intensificrii cedrii cldurii dezvoltate, se utilizeaz diferite mijloace, ca: evi de rcire care leag partea de sus a cuvei cu partea de jos, cuv executat din tabl ondulat, pungi de rcire, radiatoare auxiliare, mrirea vitezei uleiului n radiatoare, precum i mrirea vitezei aerului care spal suprafaa exterioar a cuvei. Modurile de rcire a transformatoarelor, prevzute n STAS 1703/2-80, depind de modul n care circul uleiul i de cel n care este rcit suprafaa exterioar a elementelor radiante. Circulaia uleiului poate fi:- natural, simbolizat prin N ; - forat, simbolizat prin F.

Rcirea suprafeei exterioare a elementelor radiante poate fi :- liber (natural) cu aer (L); - forat, prin suflare cu aer (S) ; - cu ap (A).

Indicarea modului de rcire se face prin dou litere majuscule, prima artnd circulaia uleiului, iar a doua modul de rcire a suprafeei exterioare, spre exemplu n figura 4.1 este prezentat un transformator de 420 kVA, 6000/400 V, cu evi de rcire fabricat de Electroputere-Craiova care are rcire NL. Uleiul de transformator are dezavantajul c este inflamabil, iar n vederea nlturrii acestui dezavantaj, n ultimul timp se ncearc s se utilizeze ca medii de rcire diferite lichide ca Pyranol, Clopen etc. Acestea nu sunt inflamabile, dar sunt mai scumpe. 4.2. Repartiia temperaturilor n interiorul transformatoruluiFig.4.1 Transformator cu rcire natural Repartiia temperaturilor n interiorul transformatorului liber

poate fi calculat numai pe baza unor anumite ipoteze

simplificatoare,

bazate mai ales pe experien. De aceea, calculul acestor temperaturi are doar rolul de a verifica dac n interiorul transformatorului nu apar diferene de temperaturi exagerate. La transformatoarele uscate este vorba numai de stabilirea repartiiei temperaturilor n fier i

n nfurare, n timp ce la transformatoarele n ulei mai intervine i repartiia temperaturilor n ulei i de-a lungul suprafeei cuvei [ 11]. n continuare vom analiza repartiia temperaturilor ntr-un transformator cu rcire natural i conservator de ulei, cu cuva umplut complet cu ulei, repartiie reprezentat pentru un anumit transformator n fig. 4.2. Chiar dac nclzirile, mai ales cele ale flerului i ale nfurrii, vor fi diferite de la caz la caz, totui fig. 4.2 arat repartiia esenial a temperaturilor n ulei i de-a lungul suprafeelor transformatorului i ale cuvei. Se constat printre altele c temperatura medie a uleiului din canalul dintre nfurri este aproximativ aceeai cu cea a uleiului din exteriorul nfurrilor. Practic aceasta este situaia totdeauna, dac limea canalelor de rcire este de cel puin 5 mm

[11]-

Fig. 4.2. Repartiia nclzirilor la transformatorul n ulei cu conservator de ulei

1 - la suprafaa infurrilor; 2 - la suprafaa miezului; 3 - uleiul din afara bobinajului; 4 - peretele cuvei;

Pe baza experienei, se pot lua ca baz diferenele medii de temperaturi indicate n tabelul 4.2, pentru un transformator n ulei cu canale de rcire suficient de mari n nfurri i la care nclzirea bobinajelor, msurat prin creterea rezistenei, este de 70C. La circulaie forat a uleiului, transmisia de cldur ctre ulei se mrete, astfel c diferena de temperatur dintre ulei i suprafeele din interiorul transformatorului este mai mic dect la circulaia natural a uleiului i deci pentru suprafaa cuvei se poate admite o nclzire mai mare. Diferena de temperaturi dintre ulei i suprafeele din interiorul transformatorului depinde desigur de viteza de circulaie a uleiului, realizat n mod artificial. Tabel 4.1.

Diferene medii de temperaturi la transformatoarele n ulei Circulaie Circulaie natural forat a a uleiului uleiului 8C 19C 3C 40C 70C 8C 12C 2C 48C 70C

Diferene de temperaturi dintre Temperatura medie a bobinajului i temperatura suprafeei bobinajului ( # B a ) ......................................................................... temperatura suprafeei bobinajului i ulei ( 3 j).................... ulei i peretele cuvei................................................................... peretele cuvei i aerul nconjurtor (3)................................ nclzire medie a bobinajului ( 3 B ) ............................................................

Datele din tabelul 4.1 sunt valori medii evaluate. La bobine foarte late i cu conductoare de seciune circular, 9'Ba (rndul 1 n tabelul 4.1) poate fi sensibil mai mare dect 8C, pe cnd la bobinele ntr-un singur strat, care au cel puin o fa lateral de rcire neizolat

i9'Ba este aproape nul. Cderea de temperatur n peretele cuvei se poate considera extremde mic. Raportul diferenelor de temperaturi ntre peretele cuvei i aerul nconjurtor pe de o parte i ulei pe de alt parte este aproximativ invers, proporional cu raportul dintre coeficienii corespunztori de transmisie a cldurii.

4.2.1. Repartiia temperaturilor n fier La calculul repartiiei temperaturilor n fier trebuie acordat atenie faptului c conductibilitatea termic a pachetului de tole este mult mai mic n sens perpendicular pe planul tolelor dect n sens paralel cu planul tolelor. La tole de 0,35 mm grosime ea este n lungul tolelor de aproape o sut de ori mai mare dect perpendicular pe ele. De aceea, n calcule putem admite c fiecare tol are n toate prile aceeai temperatur. Mai departe, deoarece coloanele sunt nchise totdeauna prin juguri, n direcia axei longitudinale nu se transmite cldur. Se poate deci calcula ca i cum am avea un pachet de tole de lungime infinit, la care transmisia de cldur se face numai prin suprafaa lateral. In aceast ipotez pentru diferena 3 'max ntre temperatura maxim i temperatura de la margine s-a gsit valoarea : .9'max

(4.1) 8X

unde :p

- reprezint surplusul de pierderi dezvoltate n unitatea de volum a pachetului

de tole peste pierderile transmise prin marginile subiri ale tolelor, A - este limea pachetului de tole perpendicular pe planul tolelor, X - este conductibilitatea termic n direcie perpendicular pe planul tolelor. Vom exemplifica pentru tole obinuite de 0,5 mm grosime i pentru tola supraaliat de 0,35 mm grosime, utilizat cel mai des la transformatoare. Pierderile ce se dezvolt n unitatea de volum a pachetului de tole sunt

pn care :

'=Ke-r

-p Fe -io- 3

(4.2)

kFe - este raportul dintre limea net a fierului i limea lui real (inclusiv straturile de hrtie i aer), y - greutatea specific a fierului, n g/cmJ, P f e - pierderile specifice n W/kg. Pentru tole de 0,5 mm grosime s-a luat kFe=0,9 iar pentru cele de 0,35 mm grosime se poate admite kFe=0,86. Cu pierderile specifice la 10 000 Gs egale cu Pio=l,35W/kg i la o greutate specific a fierului y = 7,6 g/cm3 pentru tole supraaliate, avem ( B V 10~3 P' = 8 , 8 J0000/ B fiind inducia n miez, exprimat n Gs. O parte din cldura dezvoltat n pachetul de tole este cedat prin marginile subiri ale tolelor; la nlimea L a pachetului de tole, aceasta este [w/cm3] (4.3)

(4.4) P. = 2k P -A - L - a ($ + 3 ' )1/(?

c

\ a

p J

in care: ac - este coeficientul de transmisie a cldurii,

Sa - nclzirea medie a feelor laterale ale pachetului de tole fa de temperaturamedie a uleiului, iar conform [11] unde 3a =3i i3' f = 3', avem 2 3 =-$p

,^ m

(4.5)

este diferena ntre temperatura medie a pachetului de tole i temperatura de la margini. Prin feele laterale de lime b se cedeaz clduraa j

R=2bL-a -SAstfel obinem:p1

R P+P1^1

(4.6)3 3

1A

7Fe

(4.7)

2

bV

Dac pentru fier admitem aceeai nclzire ca i pentru bobinaje, atunci conform tabelului 4.1, la circulaia natural a uleiului rezult 3 8 C i 3n 19 C.7

i

p

i

u

A Dac se mai presupune c = 1 , deci pachet de tole cu seciune transversalb

ptrat, avem :' B p = 0,45p =3,95V

10 000

10

-3

[W/cm3]

(4 .8 )

Conform calculelor [11], pentru tol de 0,5 mm grosime conductibilitatea termic n direcia transversal pe tole rezult egal cu aproximativ 0,01 W/C cm; deci pentru tole de 0,35 mm grosime se obine corespunztor valori mai mici a lui kFe la conductibilitate infinit a fierului =

1_0!90_ Q

000713

1-0,86

[W/C cm]

(4.9)

n aceste condiii, conform relaiei (4.1) rezult:

102

(4.4) 6