Wzrost temperatury transformatora: limity, obliczenia i przewodnik po chłodzeniu

Wzrost temperatury transformatorato jeden z tych szczegółów technicznych, które na papierze mogą wyglądać prosto, ale w praktyce mają ogromne znaczenie. Każdy transformator wytwarza ciepło, gdy jest zasilany energią i przenosi obciążenie. Wyzwanie polega na efektywnym odprowadzeniu tego ciepła i utrzymaniu rdzenia, uzwojeń, izolacji i oleju w zaprojektowanym zakresie temperatur.

Staje się to szczególnie ważne w przypadkutransformator zanurzony w oleju-. Olej transformatorowy nie tylko zapewnia izolację elektryczną. Odprowadza również ciepło z aktywnych części i przekazuje je do zbiornika, grzejników i otaczającego powietrza.

Kiedy więc inżynierowie mówią owzrost temperatury transformatorów-zanurzonych w olejutak naprawdę biorą pod uwagę cały system cieplny - straty w transformatorze, obieg oleju, sprzęt chłodzący, warunki otoczenia, konstrukcję zbiornika i rzeczywiste obciążenie.

Wzrost temperatury i temperatura transformatorów

Na początek warto wyjaśnić jeden wspólny punkt:temperatura transformatoraIwzrost temperatury transformatorato nie to samo.

Temperatura transformatora to rzeczywista temperatura elementu, takiego jak uzwojenie, górny olej, rdzeń lub zbiornik. Wzrost temperatury jestróżnica pomiędzytę temperaturę i określoną temperaturę otoczenia lub temperaturę odniesienia.

W prostych słowach:

Temperatura transformatora=Temperatura otoczenia + wzrost temperatury

Na przykład, jeśli temperatura otoczenia wynosi 30 stopni, a wzrost-górnej temperatury oleju wynosi 55 K, przybliżona-górna temperatura oleju wynosi 85 stopni.

Oczywiście prawdziwy transformator nie jest taki prosty. Różne części pracują w różnych temperaturach. Temperatura uzwojenia jest zwykle wyższa niż temperatura otaczającego oleju, a niewielki obszar uzwojenia może stać się znacznie gorętszy niż średnia temperatura uzwojenia. Ten obszar o najwyższej-temperaturze nazywany jestkręty, gorący punkt.

Dlatego też projekt termiczny transformatora uwzględnia więcej niż tylko jeden odczyt temperatury.

Normy wzrostu temperatury transformatora

Wymagania dotyczące-wzrostu temperatury zależą od obowiązującej normy, konstrukcji transformatora, systemu izolacji, metody chłodzenia i warunków pracy.

IEC 60076-2zawiera wymagania dotyczące testów wzrostu temperatury-dla transformatorów zanurzonych w cieczy. TheIEEE C57Seria jest również szeroko stosowana, szczególnie w zastosowaniach transformatorowych w Ameryce Północnej.

W przypadku konkretnego projektu zawsze lepiej jest sprawdzić obowiązującą normę i specyfikację projektu, niż po prostu kopiować wartość temperatury z innego transformatora.

Tabela limitów wzrostu temperatury transformatora

W przypadku konwencjonalnych konstrukcji transformatorów zanurzonych w cieczy-powszechnie przywoływane wartości z normy IEC 60076-2 obejmują:

Liczby te stanowią przydatne odniesienia inżynierskie, lecz nie należy ich traktować jako uniwersalnych wartości granicznych dla każdego transformatora. Rzeczywiste wymagania mogą się różnić w zależności od cieczy izolacyjnej, systemu izolacji, układu chłodzenia, specyfikacji transformatora i obowiązującej normy.

Jest jeszcze jeden punkt, który łatwo przeoczyć:wzrost temperatury nie jest temperaturą bezwzględną.

Tabela jest tylko prostą ilustracją. Rzeczywista temperatura pracy transformatora zależy od obciążenia, warunków chłodzenia, dystrybucji ciepła i projektu termicznego producenta.

W praktykach transformatorowych IEEE rozróżnia się również konstrukcje o różnych średnich wzrostach temperatury uzwojeń, w tym powszechnie stosowane55 stopniI65 stopniprojekty transformatorów zanurzonych-w oleju mineralnym-. Zatem, ponownie, gwarantowane przez producenta dane techniczne powinny być ostatecznym punktem odniesienia dla konkretnego projektu.

Starzenie się materiału izolacyjnego i wzrost temperatury

Temperatura ma bezpośredni wpływ na starzenie się izolacji transformatora.

Kiedy izolacja pracuje w podwyższonych temperaturach przez dłuższy czas, proces jej starzenia ulega z reguły przyspieszeniu. Zarówno izolacja stała, jak i olej izolacyjny mogą być narażone na ciągłe naprężenia termiczne.

Thekręty, gorący punktzasługuje na szczególną uwagę. Transformator może mieć akceptowalną średnią temperaturę uzwojenia, podczas gdy lokalny obszar jest znacznie gorętszy.

Dobra konstrukcja transformatora stara się utrzymać te gorące punkty pod kontrolą. Właściwa geometria uzwojenia,-ścieżka przepływu oleju, dobór przewodnika i wydajność chłodzenia odgrywają rolę.

Średnia ważona temperatura otoczenia

Temperatura otoczeniato kolejny czynnik, którego nie należy pomijać.

Transformator pracujący przy tym samym wzroście temperatury będzie oczywiście miał wyższą temperaturę bezwzględną, jeśli zostanie zainstalowany w gorącym otoczeniu.

Jest to szczególnie istotne w regionach tropikalnych, zamkniętych podstacjach i obiektach przemysłowych, gdzie temperatury otoczenia mogą utrzymywać się na wysokim poziomie przez dłuższy czas.

Inżynierowie mogą potrzebować wziąć pod uwagę temperatury sezonowe, wysokość instalacji, wentylację, promieniowanie słoneczne i pobliski sprzęt.

Innymi słowy, ten sam transformator może zachowywać się zupełnie inaczej w dwóch środowiskach instalacyjnych, nawet jeśli znamionowy wzrost temperatury jest identyczny.

Ogrzewanie i chłodzenie transformatora

Transformator wytwarza ciepło głównie poprzezutrata rdzenia, utrata uzwojenia i utrata obciążenia błądzącego.

Straty w rdzeniu związane są przede wszystkim z histerezą i prądami wirowymi w rdzeniu magnetycznym. Straty w uzwojeniach są głównie związane z rezystancją przewodu, natomiast dodatkowe straty błądzące mogą wystąpić w uzwojeniach, ścianach zbiornika, zaciskach i innych elementach metalowych.

W przypadku transformatora-zanurzonego w oleju podstawowa-ścieżka przekazywania ciepła wygląda następująco:

Rdzeń i uzwojenia → olej transformatorowy → zbiornik/chłodnice → otaczające powietrze

Kiedy transformator osiąga równowagę termiczną, ciepło wytwarzane w nim jest w przybliżeniu równoważone przez ciepło uwalniane na zewnątrz.

Metody rozpraszania ciepła transformatora

Wewnątrz transformatora-współpracuje kilka mechanizmów przenoszenia ciepła.

W przypadku małego lub średniego transformatora wystarczające może okazać się chłodzenie naturalne. Jednak wraz ze wzrostem wydajności transformatora wzrasta również ilość ciepła, które należy usunąć. To właśnie tam pojawiają się większe zespoły chłodnic, wentylatory, pompy lub ukierunkowana cyrkulacja oleju.

Metody chłodzenia transformatora

W przypadku transformatorów zanurzonych w oleju- powszechnie stosuje się kilka układów chłodzenia.

Chłodzenie ONAN pozostaje popularnym wyborem, ponieważ jest stosunkowo proste i niezawodne. Wymaga mniej konserwacji elementów pomocniczych, co w wielu instalacjach jest prawdziwą zaletą.

W przypadku większych transformatorów można dodać wentylatory w celu zwiększenia wydajności chłodzenia. Bardzo duże transformatory mocy mogą wykorzystywać wymuszony-obieg oleju, aby zapewnić bardziej kontrolowane przekazywanie ciepła.

Ogrzewanie i chłodzenie olejowych-transformatorów zanurzonych

Olej transformatorowyznajduje się w sercu systemu cieplnego w transformatorze-zanurzonym w oleju.

W miarę jak rdzeń i uzwojenia wytwarzają ciepło, otaczający olej staje się cieplejszy. Ciepły olej staje się mniej gęsty i naturalnie przemieszcza się w górę, podczas gdy chłodniejszy olej przesuwa się w dół. Stwarza to cyrkulację wewnątrz transformatora.

Zasadniczo tak działa chłodzenie ONAN.

Podgrzany olej ostatecznie dociera do zbiornika igrzejniki, gdzie jego ciepło jest przekazywane do otaczającego powietrza.

Obciążenie transformatora ma duży wpływ na ten proces. Straty uzwojenia są w przybliżeniu proporcjonalne do kwadratu prądu:

Pcu ∝ I²

Oznacza to, że stosunkowo niewielki wzrost prądu może skutkować znacznie większym wzrostem strat uzwojenia.

To jest uproszczone porównanie. Rzeczywiste straty transformatora są bardziej skomplikowane, ponieważ rezystancja przewodu zmienia się wraz z temperaturą i występują dodatkowe straty błądzące.

Mimo to przesłanie jest całkiem jasne: utrzymujące się przeciążenie może szybko stać się problemem termicznym.

Wzrost temperatury oleju-Zanurzone uzwojenia transformatora

Thewzrost temperatury-zanurzonych w oleju uzwojeń transformatorajest jednym z kluczowych parametrów w projektowaniu termicznym transformatora.

Na temperaturę uzwojenia wpływa materiał przewodnika, rezystancja uzwojenia, gęstość prądu, geometria uzwojenia,-kanały przepływu oleju, układ izolacji, metoda chłodzenia i obciążenie.

Temperatura nie jest również równomiernie rozłożona w całym uzwojeniu. W niektórych obszarach jest naturalnie cieplej niż w innych, a miejsce o najwyższej-temperaturze staje się krętym, gorącym punktem.

Uproszczona zależność to:

Temperatura-gorącego miejsca=Temperatura otoczenia +-wzrost oleju u góry + gradient temperatury oleju uzwojenia-do-

Rzeczywiste obliczenia są bardziej złożone i zależą od konstrukcji transformatora i obowiązującej normy.

Inżynierskie metody obliczeń przepływu oleju i wzrostu temperatury w uzwojeniach

Inżynierowie mogą ocenić przepływ oleju transformatorowego i temperaturę uzwojenia za pomocą obliczeń analitycznych, modeli termicznych, a w przypadku większych lub bardziej złożonych transformatorów, obliczeniowej dynamiki płynów (CFD).

Niektóre z głównych parametrów obejmują:

Dobry projekt-przepływu oleju ma kluczowe znaczenie. Jeśli olej nie przepływa prawidłowo przez uzwojenie, mogą pojawić się lokalne gorące punkty, nawet jeśli ogólna temperatura transformatora wydaje się akceptowalna.

W przypadku dużych transformatorów mocy analiza CFD może pomóc inżynierom zidentyfikować nierówny przepływ oleju, gradienty temperatury i potencjalne lokalizacje-gorących punktów przed wyprodukowaniem transformatora.

Rozpraszanie ciepła w zbiornikach oleju transformatorowego

Zbiornik oleju transformatorowego to nie tylko pojemnik na olej. Jest także częścią układu chłodzenia.

Olej po pobraniu ciepła z rdzenia i uzwojeń przekazuje je ściankom zbiornika. Powierzchnia zbiornika następnie uwalnia ciepło do otaczającego środowiska.

Większe transformatory zwykle wymagają grzejników zapewniających dodatkową powierzchnię-przekazywania ciepła.

Konwekcyjne rozpraszanie ciepła

Konwekcja jest jednym z głównych sposobów uwalniania ciepła przez transformator.

Kiedy powierzchnia zbiornika staje się cieplejsza niż otaczające powietrze, pobliskie powietrze nagrzewa się, staje się mniej gęste i unosi się. Chłodniejsze powietrze przemieszcza się następnie w kierunku powierzchni zbiornika.

Tworzy to naturalną cyrkulację powietrza i odprowadza ciepło z transformatora.

W przypadku wymuszonego-chłodzenia powietrzem wentylatory zwiększają przepływ powietrza przez powierzchnie chłodnicy. Jest to szczególnie przydatne, gdy transformator pracuje pod dużym obciążeniem.

Promieniowanie

Kadź transformatora i grzejniki również uwalniają ciepło poprzez promieniowanie cieplne.

Ilość wypromieniowanego ciepła zależy od temperatury powierzchni, emisyjności, odsłoniętego obszaru i warunków otoczenia.

Promieniowanie nie działa samo. W praktyce promieniowanie i konwekcja współdziałają ze sobą i przyczyniają się do całkowitego rozpraszania ciepła przez transformator.

Wzrost temperatury rurowych zbiorników oleju transformatorowego

Rurowe zbiorniki oleju transformatorowego wykorzystują konstrukcję rurową w celu zwiększenia zewnętrznej-powierzchni wymiany ciepła.

Podstawowa ścieżka termiczna pozostaje:

Części aktywne → olej → zbiornik rurowy → otaczające powietrze

Większa powierzchnia chłodząca może poprawić odprowadzanie ciepła, szczególnie w przypadku transformatorów chłodzonych naturalnie.

Wzrost temperatury rurowego zbiornika oleju transformatorowego zależy od obciążenia transformatora, cyrkulacji oleju, wymiarów rur, rozstawu rur, temperatury otoczenia i przepływu powietrza wokół zbiornika.

Zbiornik powinien zatem być zaprojektowany jako część kompletnego systemu cieplnego wraz z rdzeniem, uzwojeniami, kanałami olejowymi, grzejnikami i otaczającym powietrzem.

Dlaczego wzrost temperatury transformatora ma znaczenie

Po co spędzać tyle czasu na omawianiu wzrostu temperatury? Ponieważ ma to bezpośredni związek ztrwałość izolacji, obciążalność transformatora, wydajność chłodzenia, niezawodność i żywotność.

Długotrwała-praca w nadmiernych temperaturach może przyspieszyć starzenie się izolacji i zwiększyć ryzyko pogorszenia stanu termicznego. Z drugiej strony przewymiarowany układ chłodzenia może zwiększyć niepotrzebne koszty sprzętu i zużycie energii pomocniczej.

Celem nie jest po prostu uczynienie transformatora tak chłodnym, jak to możliwe. Dobra inżynieria polega na znalezieniu właściwej równowagi pomiędzy wytwarzaniem ciepła, rozpraszaniem ciepła, wydajnością, kosztami, niezawodnością i rzeczywistym profilem obciążenia.

Na szczególną uwagę zasługują nowoczesne instalacje elektryczne. Centra danych, przetwornice-zmiennej częstotliwości,-przetwornice energii odnawialnej, systemy ładowania pojazdów elektrycznych i inne obciążenia-elektroniczne mocy mogą wprowadzać prądy harmoniczne. Prądy te mogą zwiększać dodatkowe straty transformatora i przyczyniać się do nagrzewania.

Kluczowe czynniki wpływające na wzrost temperatury transformatora

Wybierając lub dokonując specyfikacji transformatora-zanurzonego w oleju, warto przyjrzeć się całemu środowisku operacyjnemu, a nie skupiać się na jednej liczbie temperatur.

Wniosek

Wzrost temperatury transformatorajest podstawową częścią projektowania, testowania i działania transformatora. Opisuje, o ile cieplejszy jest element transformatora w porównaniu z referencyjną temperaturą otoczenia, i zapewnia użyteczną wskazówkę dotyczącą efektywności układu termicznego transformatora.

dlatransformator zanurzony w oleju-ciepło wytworzone przez rdzeń i uzwojenia przekazywane jest do oleju izolacyjnego, transportowane przez układ chłodzenia, przekazywane do zbiornika i grzejników, a na koniec uwalniane poprzez konwekcję i promieniowanie.

Thewzrost temperatury transformatorów-zanurzonych w olejuzależy od wielu czynników, w tym obciążenia transformatora, temperatury otoczenia, konstrukcji uzwojenia, obiegu oleju, metody chłodzenia, konstrukcji zbiornika i dostępnej-powierzchni wymiany ciepła.

Na szczególną uwagę zasługuje gorący punkt uzwojenia, ponieważ miejscowe przegrzanie może przyspieszyć starzenie się izolacji, nawet jeśli średnia temperatura utrzymuje się w dopuszczalnych granicach.

Dla producentów transformatorów takich jakTransformator Yawei'aDlatego też projektowanie termiczne jest istotną częścią inżynierii produktu. Konfiguracja uzwojeń,-ścieżki przepływu oleju, rozkład strat, konstrukcja chłodnicy, sprzęt chłodzący i testowanie-wzrostu temperatury – wszystko to musi ze sobą współdziałać.

Określając transformator, zawsze sprawdź odpowiedniNormy IEC 60076 lub IEEE C57, wymagania projektowe, system izolacji, układ chłodzenia, warunki otoczenia i gwarantowane przez producenta dane techniczne. Wartości takie jak60 tys., 65 tys., 70 tys. i 78 tyssą wartościami odniesienia-wzrostu temperatury w określonych warunkach, a nie uniwersalnymi granicami temperatury-pracy dla każdego transformatora.

Ostatecznie dobry projekt układu termicznego jest w zasadzie dość prosty: generuje mniej niepotrzebnego ciepła, wydajnie odprowadza ciepło, utrzymuje pod kontrolą gorące punkty i upewnia się, że transformator wytrzyma-rzeczywiste obciążenie, jakie faktycznie będzie obserwował.

Skontaktuj się teraz