Покачване на температурата на трансформатора: граници, изчисление и ръководство за охлаждане

Повишаване на температурата на трансформаторае един от онези технически детайли, които могат да изглеждат прости на хартия, но имат голямо значение в реална работа. Всеки трансформатор произвежда топлина, когато е под напрежение и носи товар. Предизвикателството е да изведете тази топлина ефективно и да поддържате сърцевината, намотките, изолацията и маслото в техния проектиран температурен диапазон.

Това става особено важно с anмаслен{0}}трансформатор. Трансформаторното масло не само осигурява електрическа изолация. Той също така отвежда топлината от активните части и я пренася към резервоара, радиаторите и околния въздух.

Така че, когато инженерите говорят заповишаване на температурата на маслени{0}}трансформатори, те наистина разглеждат цялата термична система - трансформаторни загуби, циркулация на масло, охлаждащо оборудване, условия на околната среда, дизайн на резервоара и действително натоварване.

Повишаване на температурата и температура на трансформаторите

Първо, струва си да изясним една обща точка:температура на трансформатораиповишаване на температурата на трансформаторане са едно и също нещо.

Температурата на трансформатора е действителната температура на компонент, като например намотката, горното масло, сърцевината или резервоара. Повишаването на температурата еразликата междутази температура и определената околна или референтна температура.

С прости думи:

Температура на трансформатора=Околна температура + Покачване на температурата

Например, ако температурата на околната среда е 30 градуса и повишаването на горната-температура на маслото е 55 К, приблизителната горна-температура на маслото е 85 градуса.

Разбира се, истинският трансформатор не е толкова лесен. Различните части работят при различни температури. Температурата на намотката обикновено е по-висока от заобикалящото масло и малка част от намотката може да стане много по-гореща от средната температура на намотката. Тази област с най-висока-температура е известна катокриволичеща гореща точка.

Ето защо топлинният дизайн на трансформатора разглежда повече от едно отчитане на температурата.

Стандарти за повишаване на температурата на трансформатора

Изискванията- за повишаване на температурата зависят от приложимия стандарт, конструкцията на трансформатора, изолационната система, метода на охлаждане и работните условия.

IEC 60076-2осигурява изисквания за-тестове за повишаване на температурата за течни{1}}потопени трансформатори. TheIEEE C57серията също се използва широко, особено за трансформаторни приложения в Северна Америка.

За конкретен проект винаги е по-добре да проверите приложимия стандарт и спецификация на проекта, вместо просто да копирате температурна стойност от друг трансформатор.

Таблица за граници на повишаване на температурата на трансформатора

За конвенционални конструкции на течно{0}}потопени трансформатори, често цитираните стойности от IEC 60076-2 включват следното:

Тези цифри са полезни инженерни справочници, но не трябва да се третират като универсални ограничения за всеки трансформатор. Действителните изисквания могат да варират в зависимост от изолационната течност, изолационната система, охладителната система, спецификацията на трансформатора и приложимия стандарт.

И има още един момент, който е лесно да се пропусне:повишаването на температурата не е абсолютна температура.

Таблицата е само проста илюстрация. Действителната работна температура на трансформатора зависи от натоварването, условията на охлаждане, разпределението на топлината и термичния дизайн на производителя.

IEEE трансформаторните практики също разграничават дизайни с различни средни покачвания на температурата на намотката, включително често използвани55 градусаи65 градусапроекти за потопени трансформатори с минерално{0}}масло-. Така че, отново, гарантираните от производителя технически данни трябва да бъдат крайната референция за конкретен проект.

Стареене на изолационния материал и повишаване на температурата

Температурата има пряк ефект върху стареенето на изолацията на трансформатора.

Когато изолацията работи при високи температури за дълги периоди, нейният процес на стареене обикновено се ускорява. Както твърдата изолация, така и изолационното масло могат да бъдат повлияни от непрекъснат термичен стрес.

Theкриволичеща гореща точказаслужава особено внимание. Трансформаторът може да има приемлива средна температура на намотката, докато локализирана зона работи значително по-гореща.

Добрият дизайн на трансформатора се опитва да държи тези горещи точки под контрол. Правилната геометрия на намотката, пътеките-на потока на маслото, изборът на проводник и капацитетът на охлаждане играят роля.

Среднопретеглена температура на околната среда

Околна температурае друг фактор, който не трябва да се пренебрегва.

Трансформатор, работещ при същото повишаване на температурата, очевидно ще има по-висока абсолютна температура, когато е инсталиран в гореща среда.

Това е особено важно в тропическите региони, затворените подстанции и промишлените съоръжения, където околните температури могат да останат високи за продължителни периоди.

Може да се наложи инженерите да вземат предвид сезонните температури, надморската височина на монтажа, вентилацията, слънчевата радиация и близкото оборудване.

С други думи, един и същ трансформатор може да се държи доста различно в две инсталационни среди, дори когато номиналното повишаване на температурата е идентично.

Трансформаторно отопление и охлаждане

Трансформаторът генерира топлина главно чреззагуба на сърцевина, загуба на намотка и загуба на бездомно натоварване.

Загубите в сърцевината са свързани предимно с хистерезис и вихрови токове в магнитната сърцевина. Загубите в намотките са свързани главно със съпротивлението на проводника, докато допълнителните загуби на разсейване могат да възникнат в намотките, стените на резервоара, скобите и други метални компоненти.

За маслен-трансформатор основният{1}}път за пренос на топлина изглежда така:

Сърцевина и намотки → трансформаторно масло → резервоар/радиатори → околен въздух

Когато трансформаторът достигне топлинно равновесие, топлината, генерирана вътре в него, се балансира грубо от топлината, отделена навън.

Методи за разсейване на топлината на трансформатора

Няколко механизма за{0}}пренос на топлина работят заедно в трансформатора.

За малък или среден трансформатор естественото охлаждане може да е достатъчно. С увеличаването на капацитета на трансформатора обаче количеството топлина, което трябва да бъде отстранено, също се увеличава. Това е мястото, където идват по-големите радиаторни групи, вентилатори, помпи или насочена циркулация на маслото.

Методи за охлаждане на трансформатора

Няколко системи за охлаждане обикновено се използват за маслени{0}}трансформатори.

Охлаждането ONAN остава популярен избор, защото е относително просто и надеждно. Има по-малко помощни компоненти за поддръжка, което е истинско предимство при много инсталации.

За по-големи трансформатори могат да се добавят вентилатори за увеличаване на охлаждащия капацитет. Много големите силови трансформатори могат да използват принудителна-циркулация на масло, за да осигурят по-контролиран пренос на топлина.

Отопление и охлаждане на маслени-трансформатори

Трансформаторно маслое в сърцето на топлинната система в маслен{0}}трансформатор.

Тъй като сърцевината и намотките генерират топлина, околното масло става по-топло. Топлото масло става по-малко плътно и естествено се движи нагоре, докато по-хладното масло се движи надолу. Това създава циркулация вътре в трансформатора.

По същество това е начинът, по който работи ONAN охлаждането.

Загрятото масло в крайна сметка достига до резервоара ирадиатори, където топлината му се предава на околния въздух.

Натоварването на трансформатора има голямо влияние върху този процес. Загубите на намотките са приблизително пропорционални на квадрата на тока:

Pcu ∝ I²

Това означава, че относително умерено увеличение на тока може да доведе до много по-голямо увеличение на загубите в намотките.

Това е опростено сравнение. Действителните загуби на трансформатора са по-сложни, тъй като съпротивлението на проводника се променя с температурата и са налице допълнителни губещи загуби.

Все пак посланието е доста ясно: продължителното претоварване може бързо да се превърне в термичен проблем.

Повишаване на температурата на намотките на потопени в масло-трансформатори

Theповишаване на температурата на намотките на маслен{0}}трансформаторе един от ключовите параметри в термичния дизайн на трансформатора.

Температурата на намотката се влияе от материала на проводника, съпротивлението на намотката, плътността на тока, геометрията на намотката, каналите за поток на масло-, разположението на изолацията, метода на охлаждане и натоварването.

Температурата също не е равномерно разпределена в цялата намотка. Някои райони естествено ще са по-горещи от други и местоположението с най-висока-температура става криволичещата гореща точка.

Опростена връзка е:

Температура-на гореща точка=Околна температура + горно{3}}повишаване на маслото + намотка-към-градиент на температурата на маслото

Действителното изчисление е по-сложно и зависи от конструкцията на трансформатора и приложимия стандарт.

Инженерни методи за изчисление за потока на маслото и повишаването на температурата в намотките

Инженерите могат да оценят потока на трансформаторното масло и температурата на намотката, като използват аналитични изчисления, термични модели и, за по-големи или по-сложни трансформатори, изчислителна динамика на флуидите (CFD).

Някои от основните параметри включват:

Добрият{0}}дизайн на масления поток е от решаващо значение. Ако маслото не циркулира правилно през намотка, могат да се появят локализирани горещи точки, дори когато общата температура на трансформатора изглежда приемлива.

За големи силови трансформатори CFD анализът може да помогне на инженерите да идентифицират неравномерен поток на маслото, температурни градиенти и потенциални места на горещи-точки, преди трансформаторът да бъде произведен.

Разсейване на топлината на резервоарите за трансформаторно масло

Резервоарът за трансформаторно масло не е просто контейнер за маслото. Той също е част от охладителната система.

След като абсорбира топлината от сърцевината и намотките, маслото пренася тази топлина към стените на резервоара. След това повърхността на резервоара освобождава топлината в околната среда.

По-големите трансформатори обикновено изискват радиатори, за да осигурят допълнителна площ-за пренос на топлина.

Конвекция Разсейване на топлината

Конвекцията е един от основните начини, по които трансформаторът освобождава топлина.

Когато повърхността на резервоара стане по-топла от околния въздух, близкият въздух се нагрява, става по-малко плътен и се издига. След това по-хладният въздух се придвижва към повърхността на резервоара.

Това създава естествена циркулация на въздуха и отвежда топлината от трансформатора.

С принудително-въздушно охлаждане вентилаторите увеличават въздушния поток през повърхностите на радиатора. Това е особено полезно, когато трансформаторът работи при високо натоварване.

Радиация

Резервоарът на трансформатора и радиаторите също отделят топлина чрез топлинно излъчване.

Количеството излъчена топлина зависи от температурата на повърхността, излъчвателната способност, откритата площ и условията на околната среда.

Радиацията не действа сама. На практика радиацията и конвекцията работят заедно и двете допринасят за общото разсейване на топлината на трансформатора.

Повишаване на температурата на тръбните резервоари за трансформаторно масло

Тръбните резервоари за трансформаторно масло използват тръбни структури за увеличаване на външната топло{0}}преносна площ.

Основният термичен път остава:

Активни части → масло → тръбен резервоар → заобикалящ въздух

По-голямата охлаждаща повърхност може да подобри разсейването на топлината, особено за трансформатори с естествено охлаждане.

Повишаването на температурата на тръбен резервоар за трансформаторно масло зависи от натоварването на трансформатора, циркулацията на маслото, размерите на тръбата, разстоянието между тръбите, температурата на околната среда и въздушния поток около резервоара.

Следователно резервоарът трябва да бъде проектиран като част от пълната термична система, заедно със сърцевината, намотките, маслените канали, радиаторите и околния въздух.

Защо повишаването на температурата на трансформатора има значение

Защо да отделяте толкова време за обсъждане на повишаването на температурата? Тъй като има пряка връзка сживот на изолацията, способност за натоварване на трансформатора, ефективност на охлаждане, надеждност и експлоатационен живот.

Дългосрочната -работа при прекомерни температури може да ускори стареенето на изолацията и да увеличи риска от термично влошаване. От друга страна, прекалено голяма охладителна система може да добави ненужни разходи за оборудване и спомагателна консумация на енергия.

Целта не е просто трансформаторът да бъде възможно най-готин. Доброто инженерство означава намирането на правилния баланс между генериране на топлина, разсейване на топлина, ефективност, цена, надеждност и действителния профил на натоварване.

Съвременните електрически инсталации също заслужават допълнително внимание. Центровете за данни, задвижванията с-променлива честота, преобразувателите на-възобновяема енергия, системите за зареждане на електромобили и други захранващи-електронни товари могат да въведат хармонични токове. Тези токове могат да увеличат допълнителните загуби на трансформатора и да допринесат за нагряване.

Ключови фактори, влияещи върху повишаването на температурата на трансформатора

Когато избирате или посочвате маслен-трансформатор, струва си да разгледате цялостната работна среда, вместо да се фокусирате върху едно температурно число.

Заключение

Повишаване на температурата на трансформаторае основна част от проектирането, тестването и работата на трансформатора. Той описва колко по-горещ става компонент на трансформатора в сравнение с референтната температура на околната среда и предоставя полезна индикация за ефективността на термичната система на трансформатора.

За единмаслен{0}}трансформатортоплината, генерирана от сърцевината и намотките, се прехвърля към изолационното масло, пренася се през охладителната система, преминава към резервоара и радиаторите и накрая се освобождава чрез конвекция и радиация.

Theповишаване на температурата на маслени{0}}трансформаторизависи от много фактори, включително натоварване на трансформатора, температура на околната среда, дизайн на намотката, циркулация на маслото, метод на охлаждане, конструкция на резервоара и налична топло{0}}площ за пренос.

Навиващата се гореща точка заслужава специално внимание, тъй като локализираното прегряване може да ускори стареенето на изолацията, дори когато средната температура остава в приемливи граници.

За производители на трансформатори катоТрансформатор Yawei, топлинният дизайн следователно е съществена част от продуктовия инженеринг. Конфигурацията на намотките, пътеките-на потока на маслото, разпределението на загубите, конструкцията на радиатора, охлаждащото оборудване и тестовете-за повишаване на температурата трябва да работят заедно.

Когато определяте трансформатор, винаги проверявайте приложимияСтандарти IEC 60076 или IEEE C57, проектни изисквания, изолационна система, охлаждане, условия на околната среда и гарантирани от производителя технически данни. Ценности като60 K, 65 K, 70 K и 78 Kса референтни{0}}стойности на повишаване на температурата при определени условия, а не универсални работни{1}}температурни граници за всеки трансформатор.

В крайна сметка добрият топлинен дизайн е сравнително прост по принцип: генерирайте по-малко ненужна топлина, пренасяйте топлината ефективно, поддържайте горещите точки под контрол и се уверете, че трансформаторът може да се справи с реалния-световен товар, който действително ще получи.

Свържете се сега