Типы и конструкции силовых конденсаторов

Лекция 7.
Тепловой расчет конденсаторов
Потери в силовых конденсаторах Рк состоят в основном из
потерь в диэлектрике РД, которые при синусоидальном напряжении
рассчитываются по формуле:
Рк = Pд = 2πfCKUном2tgδд = Qномtgδд,
(1)
где tgδд - тангенс угла потерь диэлектрика при частоте f
Поделив потери в диэлектрике на активный объем, можно
определить удельные потери Pуд, т. е. мощность, выделяемую в 1 м3
активного объема:
Pуд=2πƒεЕраб2tgδд.
Теплопередача
внутри
конденсатора
(2)
происходит
за
счет
теплопроводности. Способность вещества проводить тепло характериз
уют коэффициентом теплопроводности λ, значение которого зависит
от структуры, плотности, влажности и температуры материала.
Теплопроводности отдельных участков секции различны. Их значение
определяется расположением слоев изоляции секции и фольги по
отношению к направлению теплоотвода, отношением толщины
диэлектрика к толщине фольги и т.п. На пути теплового потока
встречаются участки, где слои диэлектрика и фольги параллельны
вектору теплового потока (зона параллельного теплоотвода) и где они
ему перпендикулярны (зона перпендикулярного теплоотвода). Из
рассмотрения
элементарного
объема
секции,
состоящего из диэлектрика толщиной dc с удельной теплопроводность
ю λиз и фольги
Рис. 1. К расчету коэффициентов теплопроводности секции
толщиной dф с удельной теплопроводностью λф, имеем эквивалентные
коэффициенты теплопроводности для зоны параллельного теплоотвод
а
,
(3)
и для зоны перпендикулярного теплоотвода
(4)
Если тепловой поток направлен вдоль ширины секции, то
(5)
Для
конденсаторов,
промышленной
частоты,
работающих
весьма
важно
при
напряжении
обеспечить
отсутствие
перегрева внутренней части пакета секций. Одна из задач теплового
расчета состоит в нахождении распределения температуры и точки
максимального нагрева диэлектрика при заданных конструкции и
свойствах материалов.
Подавляющее большинство конструкций конденсаторов имеют
форму Прямоугольного параллелепипеда (рис. 2), большую долю внут
реннего объема которого занимает пакет секций. Теплообмен с окруж
ающей средой осуществляется через внешние поверхности корпуса.
Рис. 2. К расчету максимальной температуры внутри силового
конденсатора I - корпус; 2 - корпусная изоляция; 3 – изоляция пакета
секций
В основе теплового расчета лежат упрощающие допущения о
том, что тепло, выделяемое в конденсаторе, отводится только в
направлении, перпендикулярном его боковым поверхностям, и что tgδ
не зависит от температуры.
Если имеем симметричный ряд слоев диэлектрика с координатами
Z 1, Z 2
Zk (отсчет ведется от середины центрального слоя) и
соответственно теплопроводностям
λ1,
λ2,...,
λk
с
потерями,
выделяемыми в единице объема Руд, то для каждого из слоев
двухкратное интегрирование дифференциального уравнения теплопро
водности
,
(6)
в пределах от zi-1 до zi с учетом граничных условий
и
дает
(7)
Перепад температуры между центральной точкой пакета и
наружной поверхностью секций, которая приблизительно может
быть принята за изотермическую поверхность, будет равен
(8)
где H1 = Нс - hc; Руд потери, выделяемые в единице объема конденсатора при напряжении
на конденсаторе UK, определяемые по формуле (2).
Перепад температуры между наружной поверхностью секций и
окружающей средой
,
(9)
где Δ1 и λ1 - толщина и коэффициент теплопроводности стенок бака;
Δ2 и λ2, Δ3, и λ3 - толщины и коэффициенты теплопроводности
изоляции пакета секций и корпусной изоляции; kT - коэффициент
теплоотдачи с поверхности бака в окружающую среду; S поверхность бака конденсатора, приблизительно равная наружной
поверхности пакета секций. Полный перепад температуры между
центральной точкой пакета секций и окружающей средой
(10)
При
определении
зависимости
tgδ=
ΔT
f(T)
значение
для
tg
δд;,
принимается
температуры
по
диэлектрика,
соответствующей наибольшей допустимой рабочей температуре в
конденсаторе. Для конденсаторов с бумажно-масляной изоляцией
перепад температуры AT не должен превышать 35°С, а для
конденсаторов с пропиткой хлордифенилом, касторовым маслом или
фенилксилилэтаном -ΔТ< 60°С.