Підвищення температури трансформатора: обмеження, розрахунок і керівництво з охолодження

Підвищення температури трансформатораце одна з тих технічних деталей, які можуть виглядати просто на папері, але мають велике значення в реальній роботі. Кожен трансформатор виділяє тепло, коли він знаходиться під напругою і несе навантаження. Завдання полягає в тому, щоб ефективно виводити це тепло і підтримувати серцевину, обмотки, ізоляцію та масло в межах проектного діапазону температур.

Це стає особливо важливим з anмасляний-трансформатор. Трансформаторне масло не тільки забезпечує електричну ізоляцію. Він також відводить тепло від активних частин і передає його баку, радіаторам і навколишньому повітрю.

Отже, коли інженери говорять пропідвищення температури масляних-трансформаторів, вони насправді розглядають усю теплову систему - втрати трансформатора, циркуляцію масла, охолоджувальне обладнання, умови навколишнього середовища, конструкцію бака та фактичне навантаження.

Підвищення температури і температура трансформаторів

По-перше, варто з'ясувати одну спільну думку:температура трансформатораіпідвищення температури трансформатораце не те саме.

Температура трансформатора — це фактична температура компонента, наприклад обмотки, верхнього масла, сердечника або бака. Підвищення температури єрізниця міжцю температуру та вказану навколишню або контрольну температуру.

Простими словами:

Температура трансформатора=Температура навколишнього середовища + підвищення температури

Наприклад, якщо температура навколишнього середовища становить 30 градусів, а верхня-температура оливи становить 55 К, приблизна верхня-температура оливи становить 85 градусів.

Звичайно, справжній трансформер не такий вже й простий. Різні частини працюють при різних температурах. Температура обмотки зазвичай вища, ніж навколишнє масло, і невелика ділянка обмотки може стати набагато гарячішою, ніж середня температура обмотки. Ця область із найвищою-температурою відома якзвивиста гаряча точка.

Ось чому тепловий дизайн трансформатора враховує не лише одне показання температури.

Стандарти підвищення температури трансформатора

Вимоги-до підвищення температури залежать від застосовного стандарту, конструкції трансформатора, системи ізоляції, методу охолодження та умов експлуатації.

IEC 60076-2забезпечує вимоги до випробувань-на підвищення температури для рідинних{1}}занурених трансформаторів. TheIEEE C57Серія також широко використовується, особливо для застосування трансформаторів у Північній Америці.

Для конкретного проекту завжди краще перевірити відповідний стандарт і специфікацію проекту, а не просто копіювати значення температури з іншого трансформатора.

Таблиця обмеження підвищення температури трансформатора

Для звичайних конструкцій занурених у рідину трансформаторів загальноприйняті значення з IEC 60076-2 включають таке:

Ці цифри є корисними інженерними довідниками, але їх не слід розглядати як універсальні обмеження для кожного трансформатора. Фактичні вимоги можуть відрізнятися залежно від ізоляційної рідини, системи ізоляції, системи охолодження, специфікації трансформатора та відповідного стандарту.

І є ще один момент, який легко пропустити:підвищення температури не є абсолютною температурою.

Таблиця є простою ілюстрацією. Фактична робоча температура трансформатора залежить від навантаження, умов охолодження, розподілу тепла та теплової конструкції виробника.

Практика трансформаторів IEEE також розрізняє конструкції з різним підвищенням середньої температури обмотки, включно з типовими55 градусіві65 градусівконструкції для занурених трансформаторів із мінеральним{0}}маслом-. Отже, знову ж таки, гарантовані виробником технічні дані повинні бути остаточним орієнтиром для конкретного проекту.

Старіння ізоляційного матеріалу та підвищення температури

Температура безпосередньо впливає на старіння ізоляції трансформатора.

При тривалій експлуатації ізоляції при підвищених температурах процес її старіння зазвичай прискорюється. І тверда ізоляція, і ізоляційна олія можуть піддаватися постійному термічному навантаженню.

Theзвивиста гаряча точказаслуговує на особливу увагу. Трансформатор може мати прийнятну середню температуру обмотки, тоді як локалізована зона працює значно вище.

Хороша конструкція трансформатора намагається тримати ці гарячі точки під контролем. Правильна геометрія обмотки, шляхи-потоку масла, вибір провідника та потужність охолодження відіграють важливу роль.

Середньозважена температура навколишнього середовища

Температура навколишнього середовищає ще одним фактором, який не слід забувати.

Трансформатор, що працює при такому самому підвищенні температури, очевидно матиме вищу абсолютну температуру, якщо його встановити в гарячому середовищі.

Це особливо актуально в тропічних регіонах, на закритих підстанціях і промислових об’єктах, де температура навколишнього середовища може залишатися високою протягом тривалого часу.

Інженерам може знадобитися враховувати сезонні температури, висоту установки, вентиляцію, сонячне випромінювання та обладнання поблизу.

Іншими словами, один і той самий трансформатор може поводитися зовсім по-різному в двох середовищах встановлення, навіть якщо номінальне підвищення температури однакове.

Нагрівання та охолодження трансформатора

Трансформатор виділяє тепло в основному черезвтрати в сердечнику, втрати в обмотці та втрати паразитного навантаження.

Втрати в сердечнику пов'язані в першу чергу з гістерезисом і вихровими струмами в магнітопроводі. Втрати в обмотці в основному пов’язані з опором провідника, тоді як додаткові паразитні втрати можуть виникати в обмотках, стінках бака, затискачах та інших металевих компонентах.

Для масляного-трансформатора основний{1}}шлях теплопередачі виглядає так:

Сердечник і обмотки → трансформаторне масло → бак/радіатори → навколишнє повітря

Коли трансформатор досягає теплової рівноваги, тепло, що виділяється всередині нього, приблизно врівноважується теплом, що виділяється назовні.

Методи розсіювання тепла трансформатора

Кілька механізмів{0}}теплопередачі працюють разом усередині трансформатора.

Для малого або середнього трансформатора може бути достатньо природного охолодження. Проте зі збільшенням потужності трансформатора збільшується і кількість тепла, яке потрібно відвести. Саме тут застосовуються більші блоки радіаторів, вентилятори, насоси або спрямована циркуляція масла.

Способи охолодження трансформатора

Для масляних{0}}трансформаторів зазвичай використовується кілька систем охолодження.

Охолодження ONAN залишається популярним вибором, оскільки воно відносно просте та надійне. Треба обслуговувати менше допоміжних компонентів, що є справжньою перевагою в багатьох установках.

Для більших трансформаторів можна додати вентилятори для збільшення потужності охолодження. Дуже великі силові трансформатори можуть використовувати примусову-циркуляцію масла для забезпечення більш контрольованої теплопередачі.

Нагрівання й охолодження масляних-трансформаторів

Трансформаторне маслознаходиться в центрі теплової системи в масляному{0}}трансформаторі.

Оскільки сердечник і обмотки виробляють тепло, навколишнє масло стає теплішим. Тепла олія стає менш густою і природним чином рухається вгору, тоді як більш холодна олія рухається вниз. Це створює циркуляцію всередині трансформатора.

По суті, так працює охолодження ONAN.

Нагріте масло врешті-решт досягає бака ірадіатори, де його тепло передається навколишньому повітрю.

Основний вплив на цей процес має навантаження трансформатора. Втрати в обмотці приблизно пропорційні квадрату струму:

Pcu ∝ I²

Це означає, що відносно невелике збільшення струму може призвести до набагато більшого збільшення втрат в обмотці.

Це спрощене порівняння. Фактичні втрати трансформатора є складнішими, оскільки опір провідника змінюється з температурою та присутні додаткові паразитні втрати.

Тим не менш, повідомлення досить зрозуміле: тривале перевантаження може швидко перетворитися на температурну проблему.

Підвищення температури обмоток масляного-трансформатора

Theпідвищення температури обмоток-масляного трансформаторає одним із ключових параметрів теплової конструкції трансформатора.

На температуру обмотки впливають матеріал провідника, опір обмотки, густина струму, геометрія обмотки, канали-потоку масла, розташування ізоляції, метод охолодження та навантаження.

Температура також не рівномірно розподіляється по обмотці. У деяких областях природним чином буде гарячіше, ніж в інших, і місце з найвищою-температурою стає звивистою гарячою точкою.

Спрощене відношення це:

Температура-гарячої точки=Температура навколишнього середовища + верхній{3}}підйом масла + градієнт-обмотки-температури масла

Фактичний розрахунок є складнішим і залежить від конструкції трансформатора та відповідного стандарту.

Інженерні методи розрахунку потоку масла та підвищення температури в обмотках

Інженери можуть оцінити потік трансформаторного масла та температуру обмотки за допомогою аналітичних розрахунків, теплових моделей і, для більших або складніших трансформаторів, обчислювальної динаміки рідини (CFD).

Деякі з основних параметрів включають:

Хороша конструкція{0}}потоку масла має вирішальне значення. Якщо масло не циркулює належним чином через обмотку, можуть утворитися локальні гарячі точки, навіть якщо загальна температура трансформатора виглядає прийнятною.

Для великих силових трансформаторів CFD-аналіз може допомогти інженерам визначити нерівномірний потік масла, градієнти температури та потенційні гарячі{0}}локації до виготовлення трансформатора.

Розсіювання тепла резервуарів трансформаторного масла

Бак для трансформаторного масла - це не просто ємність для масла. Він також є частиною системи охолодження.

Після поглинання тепла від сердечника та обмоток масло передає це тепло стінкам бака. Потім поверхня бака віддає тепло в навколишнє середовище.

Більші трансформатори зазвичай потребують радіаторів для забезпечення додаткової-площі теплопередачі.

Конвекційне розсіювання тепла

Конвекція є одним із основних способів виділення тепла трансформатором.

Коли поверхня резервуара стає теплішою за навколишнє повітря, повітря поблизу нагрівається, стає менш щільним і піднімається. Потім більш холодне повітря рухається до поверхні бака.

Це створює природну циркуляцію повітря та відводить тепло від трансформатора.

Завдяки примусовому-повітряному охолодженню вентилятори збільшують потік повітря через поверхні радіатора. Це особливо корисно, коли трансформатор працює з високим навантаженням.

радіація

Бак трансформатора і радіатори також виділяють тепло через теплове випромінювання.

Кількість випромінюваного тепла залежить від температури поверхні, коефіцієнта випромінювання, відкритої площі та навколишніх умов.

Радіація не працює сама. На практиці випромінювання та конвекція працюють разом і обидва сприяють загальному розсіюванню тепла трансформатора.

Підвищення температури трубчастих трансформаторних масляних баків

У трубчастих резервуарах трансформаторного масла використовуються трубчасті конструкції для збільшення зовнішньої-площі теплообміну.

Основний тепловий шлях залишається:

Активні частини → масло → трубчастий резервуар → навколишнє повітря

Більша поверхня охолодження може покращити розсіювання тепла, особливо для трансформаторів з природним охолодженням.

Підвищення температури масляного резервуара для трубчастого трансформатора залежить від навантаження на трансформатор, циркуляції масла, розмірів труб, відстані між трубами, температури навколишнього середовища та потоку повітря навколо бака.

Таким чином, резервуар повинен бути розроблений як частина повної теплової системи разом із сердечником, обмотками, масляними каналами, радіаторами та навколишнім повітрям.

Чому підвищення температури трансформатора має значення

Навіщо витрачати стільки часу на обговорення підвищення температури? Тому що має прямий зв'язок зтермін служби ізоляції, навантажувальна здатність трансформатора, ефективність охолодження, надійність і термін служби.

Довготривала -експлуатація за високих температур може прискорити старіння ізоляції та збільшити ризик термічного зносу. З іншого боку, велика система охолодження може додати непотрібну вартість обладнання та споживання додаткової енергії.

Мета не просто зробити трансформер максимально крутим. Хороша інженерія полягає в пошуку правильного балансу між теплогенерацією, розсіюванням тепла, ефективністю, вартістю, надійністю та фактичним профілем навантаження.

Сучасні електроустановки також заслуговують на окрему увагу. Центри обробки даних,-частотні приводи, перетворювачі-відновлюваної енергії, системи зарядки електромобілів та інші енергетичні-електронні навантаження можуть створювати гармонійні струми. Ці струми можуть збільшити додаткові втрати трансформатора та сприяти нагріванню.

Ключові фактори, що впливають на підвищення температури трансформатора

Вибираючи чи вказуючи масляний-трансформатор, варто дивитися на повне робоче середовище, а не зосереджуватися на одній температурі.

Висновок

Підвищення температури трансформаторає фундаментальною частиною проектування, випробування та експлуатації трансформатора. Він описує, наскільки гарячішим стає компонент трансформатора порівняно з еталонною температурою навколишнього середовища, і це є корисним показником ефективності теплової системи трансформатора.

Для анмасляний-трансформатор, тепло, що виділяється серцевиною та обмотками, передається ізоляційній маслі, проходить через систему охолодження, передається до бака та радіаторів і, нарешті, виділяється через конвекцію та випромінювання.

Theпідвищення температури масляних-трансформаторівзалежить від багатьох факторів, включаючи навантаження трансформатора, температуру навколишнього середовища, конструкцію обмотки, циркуляцію масла, спосіб охолодження, конструкцію бака та доступну-площу теплопередачі.

Особливої ​​уваги заслуговує звивиста гаряча точка, оскільки локальний перегрів може прискорити старіння ізоляції, навіть якщо середня температура залишається в допустимих межах.

Для виробників трансформаторів, таких якТрансформатор YaweiТому тепловий дизайн є важливою частиною розробки продукту. Конфігурація обмотки, шляхи-потоку масла, розподіл втрат, конструкція радіатора, охолоджувальне обладнання та випробування-на підвищення температури — усе це має працювати разом.

Вибираючи трансформатор, завжди перевіряйте відповідністьСтандарти IEC 60076 або IEEE C57, проектні вимоги, система ізоляції, система охолодження, умови навколишнього середовища та гарантовані виробником технічні дані. Такі цінності, як60 K, 65 K, 70 K і 78 Kце еталонні-значення підвищення температури за певних умов, а не універсальні робочі{1}}температурні межі для кожного трансформатора.

Зрештою, хороший тепловий дизайн у принципі досить простий: генерувати менше непотрібного тепла, ефективно переміщати тепло, тримати гарячі точки під контролем і переконатися, що трансформатор справляється з реальним-світовим навантаженням, яке він фактично відчуває.

Зв'язатися зараз