Creșterea temperaturii transformatorului: limite, calcul și ghid de răcire

Creșterea temperaturii transformatoruluieste unul dintre acele detalii tehnice care poate părea simplu pe hârtie, dar contează foarte mult în funcționarea reală. Fiecare transformator produce căldură atunci când este alimentat și poartă o sarcină. Provocarea este de a elimina eficient căldura și de a menține miezul, înfășurările, izolația și uleiul în intervalul de temperatură proiectat.

Acest lucru devine deosebit de important cu untransformator-immers în ulei. Uleiul de transformator face mai mult decât să asigure izolarea electrică. De asemenea, transportă căldura departe de părțile active și o transferă în rezervor, calorifere și aerul din jur.

Deci, când inginerii vorbesc desprecreșterea temperaturii-transformatoarelor cu ulei, se uită cu adevărat la pierderile din transformator - întregului sistem termic, circulația uleiului, echipamentele de răcire, condițiile ambientale, designul rezervorului și încărcarea reală.

Creșterea temperaturii și temperatura transformatoarelor

În primul rând, merită clarificat un punct comun:temperatura transformatoruluişicreșterea temperaturii transformatoruluinu sunt acelasi lucru.

Temperatura transformatorului este temperatura reală a unei componente, cum ar fi înfășurarea, uleiul superior, miezul sau rezervorul. Creșterea temperaturii estediferența dintretemperatura respectivă și temperatura ambiantă sau de referință specificată.

În termeni simpli:

Temperatura transformatorului=Temperatura ambiantă + Creșterea temperaturii

De exemplu, dacă temperatura mediului ambiant este de 30 de grade, iar-creșterea superioară a temperaturii uleiului este de 55 K, temperatura-aproximativă a uleiului este de 85 de grade .

Desigur, un transformator adevărat nu este chiar atât de simplu. Piese diferite funcționează la temperaturi diferite. Temperatura înfășurării este în mod normal mai mare decât uleiul din jur, iar o zonă mică a înfășurării poate deveni mult mai fierbinte decât temperatura medie a înfășurării. Această zonă cu cea mai mare-temperatură este cunoscută sub numele depunct fierbinte sinuos.

De aceea, proiectarea termică a transformatorului are în vedere mai mult decât o singură citire a temperaturii.

Standarde de creștere a temperaturii transformatorului

Cerințele de-creștere a temperaturii depind de standardul aplicabil, de designul transformatorului, de sistemul de izolație, de metoda de răcire și de condițiile de funcționare.

IEC 60076-2oferă cerințe pentru testele de-creștere a temperaturii pentru transformatoarele cu lichid-immerse. TheIEEE C57seria este, de asemenea, utilizată pe scară largă, în special pentru aplicațiile cu transformatoare din America de Nord.

Pentru un anumit proiect, este întotdeauna mai bine să verificați standardul aplicabil și specificațiile proiectului decât să copiați pur și simplu o cifră de temperatură de la alt transformator.

Tabelul limită de creștere a temperaturii transformatorului

Pentru modelele convenționale de transformatoare imersate în lichid-, valorile la care se face referire în mod obișnuit din IEC 60076-2 includ următoarele:

Aceste cifre sunt referințe de inginerie utile, dar nu ar trebui tratate ca limite universale pentru fiecare transformator. Cerințele reale pot varia în funcție de lichidul izolator, sistemul de izolație, aranjamentul de răcire, specificațiile transformatorului și standardul aplicabil.

Și mai este un punct care este ușor de ratat:creșterea temperaturii nu este o temperatură absolută.

Tabelul este doar o ilustrare simplă. Temperatura reală de funcționare a transformatorului depinde de sarcină, condițiile de răcire, distribuția căldurii și designul termic al producătorului.

Practicile de transformare IEEE fac, de asemenea, diferența între modelele cu diferite creșteri medii ale temperaturii înfășurării, inclusiv cele utilizate în mod obișnuit55 de gradeşi65 de gradeproiecte pentru transformatoare-immerse în ulei-mineral. Deci, din nou, datele tehnice garantate de producător ar trebui să fie referința finală pentru un anumit proiect.

Îmbătrânirea materialului de izolație și creșterea temperaturii

Temperatura are un efect direct asupra îmbătrânirii izolației transformatorului.

Când izolația funcționează la temperaturi ridicate pentru perioade lungi, procesul de îmbătrânire se accelerează în general. Atât izolația solidă, cât și uleiul izolator pot fi afectate de stresul termic continuu.

Thepunct fierbinte sinuosmerită o atenție deosebită. Un transformator poate avea o temperatură medie acceptabilă a înfășurării în timp ce o zonă localizată funcționează semnificativ mai cald.

Un bun design al transformatorului încearcă să țină sub control aceste puncte fierbinți. Geometria corectă a înfășurării, traseele de curgere-de ulei, selecția conductorilor și capacitatea de răcire joacă toate un rol.

Temperatura ambientală medie ponderată

Temperatura mediului ambianteste un alt factor care nu trebuie trecut cu vederea.

Un transformator care funcționează la aceeași creștere a temperaturii va avea, evident, o temperatură absolută mai mare atunci când este instalat într-un mediu fierbinte.

Acest lucru este deosebit de relevant în regiunile tropicale, substațiile închise și instalațiile industriale unde temperaturile din jur pot rămâne ridicate pentru perioade lungi de timp.

Este posibil ca inginerii să fie nevoiți să ia în considerare temperaturile sezoniere, altitudinea instalației, ventilația, radiația solară și echipamentele din apropiere.

Cu alte cuvinte, același transformator se poate comporta destul de diferit în două medii de instalare chiar și atunci când creșterea nominală a temperaturii este identică.

Încălzire și răcire transformatoare

Un transformator generează căldură în principal prinpierderea miezului, pierderea înfășurării și pierderea sarcinii parazite.

Pierderile în miez sunt asociate în primul rând cu histerezis și curenți turbionari în miezul magnetic. Pierderile în înfășurare sunt legate în principal de rezistența conductorului, în timp ce pierderile suplimentare pot apărea în înfășurări, pereți rezervorului, cleme și alte componente metalice.

Pentru un transformator-imersat în ulei, calea de transfer de căldură-de bază arată astfel:

Miez și înfășurări → ulei de transformator → rezervor/radiatoare → aer din jur

Când transformatorul atinge echilibrul termic, căldura generată în interiorul acestuia este aproximativ echilibrată de căldura degajată în exterior.

Metode de disipare a căldurii la transformator

Mai multe mecanisme-de transfer de căldură lucrează împreună în interiorul unui transformator.

Pentru un transformator mic sau mediu, răcirea naturală poate fi suficientă. Cu toate acestea, pe măsură ce capacitatea transformatorului crește, crește și cantitatea de căldură care trebuie îndepărtată. Aici intervin bancurile mai mari de radiatoare, ventilatoarele, pompele sau circulația direcționată a uleiului.

Metode de răcire a transformatorului

Mai multe sisteme de răcire sunt utilizate în mod obișnuit pentru transformatoarele cu ulei-immerse.

Răcirea ONAN rămâne o alegere populară deoarece este relativ simplă și fiabilă. Sunt mai puține componente auxiliare de întreținut, ceea ce reprezintă un real avantaj în multe instalații.

Pentru transformatoarele mai mari, se pot adăuga ventilatoare pentru a crește capacitatea de răcire. Transformatoarele de putere foarte mari pot folosi circulația-forțată a uleiului pentru a asigura un transfer de căldură mai controlat.

Încălzirea și răcirea transformatoarelor cu ulei-

Ulei de transformatorse află în centrul sistemului termic într-un transformator-immers în ulei.

Pe măsură ce miezul și înfășurările generează căldură, uleiul din jur devine mai cald. Uleiul cald devine mai puțin dens și se mișcă în mod natural în sus, în timp ce uleiul mai rece se mișcă în jos. Acest lucru creează circulație în interiorul transformatorului.

În esență, așa funcționează răcirea ONAN.

Uleiul încălzit ajunge în cele din urmă în rezervor șicalorifere, unde căldura sa este transferată în aerul din jur.

Sarcina transformatorului are un efect major asupra acestui proces. Pierderile în înfășurare sunt aproximativ proporționale cu pătratul curentului:

Pcu ∝ I²

Aceasta înseamnă că o creștere relativ modestă a curentului poate duce la o creștere mult mai mare a pierderilor de înfășurare.

Aceasta este o comparație simplificată. Pierderile reale ale transformatorului sunt mai complicate deoarece rezistența conductorului se modifică odată cu temperatura și sunt prezente pierderi suplimentare.

Cu toate acestea, mesajul este destul de clar: suprasarcina susținută poate deveni rapid o problemă termică.

Creșterea temperaturii în ulei-înfășurările transformatoarelor imersate

Thecreșterea temperaturii-înfășurărilor transformatoarelor scufundate în uleieste unul dintre parametrii cheie în proiectarea termică a transformatorului.

Temperatura înfășurării este afectată de materialul conductorului, rezistența înfășurării, densitatea curentului, geometria înfășurării, canalele de curgere a uleiului-, aranjamentul izolației, metoda de răcire și sarcina.

De asemenea, temperatura nu este distribuită uniform în întreaga înfășurare. Unele zone vor fi în mod natural mai calde decât altele, iar locația cu cea mai mare-temperatură devine punctul fierbinte.

O relație simplificată este:

Temperatura-punctului fierbinte=Temperatura ambiantă + creșterea-superioară a uleiului + înfășurarea-la-gradientul de temperatură a uleiului

Calculul propriu-zis este mai implicat și depinde de proiectarea transformatorului și de standardul aplicabil.

Metode de calcul tehnice pentru debitul de ulei și creșterea temperaturii în înfășurări

Inginerii pot evalua debitul uleiului de transformator și temperatura înfășurării utilizând calcule analitice, modele termice și, pentru transformatoare mai mari sau mai complexe, dinamica fluidelor computaționale (CFD).

Unii dintre parametrii principali includ:

Un design bun-de curgere a uleiului este esențial. Dacă uleiul nu circulă corespunzător printr-o înfășurare, se pot dezvolta puncte fierbinți localizate chiar și atunci când temperatura generală a transformatorului pare acceptabilă.

Pentru transformatoarele de putere mari, analiza CFD îi poate ajuta pe ingineri să identifice debitul neuniform de ulei, gradienții de temperatură și locațiile potențiale de-puncturi fierbinți înainte de fabricarea transformatorului.

Disiparea căldurii rezervoarelor de ulei de transformator

Rezervorul de ulei al transformatorului nu este doar un recipient pentru ulei. De asemenea, face parte din sistemul de răcire.

După ce a absorbit căldura din miez și înfășurări, uleiul transferă această căldură către pereții rezervorului. Suprafața rezervorului eliberează apoi căldura în mediul înconjurător.

Transformatoarele mai mari necesită, în mod normal, radiatoare pentru a oferi o zonă suplimentară de transfer de căldură-.

Disiparea căldurii prin convecție

Convecția este una dintre principalele moduri prin care un transformator eliberează căldură.

Când suprafața rezervorului devine mai caldă decât aerul din jur, aerul din apropiere se încălzește, devine mai puțin dens și crește. Aerul mai rece se deplasează apoi spre suprafața rezervorului.

Acest lucru creează o circulație naturală a aerului și duce căldura departe de transformator.

Cu răcirea forțată-aerului, ventilatoarele măresc fluxul de aer pe suprafețele radiatorului. Acest lucru este util în special atunci când transformatorul funcționează la sarcină mare.

Radiația

Rezervorul transformatorului și caloriferele eliberează, de asemenea, căldură prin radiație termică.

Cantitatea de căldură radiată depinde de temperatura suprafeței, emisivitate, zona expusă și condițiile din jur.

Radiațiile nu funcționează singure. În practică, radiația și convecția funcționează împreună și ambele contribuie la disiparea totală a căldurii a transformatorului.

Creșterea temperaturii rezervoarelor de ulei de transformatoare tubulare

Rezervoarele tubulare de ulei de transformator folosesc structuri tubulare pentru a crește zona de transfer de căldură externă-.

Calea termică de bază rămâne:

Piese active → ulei → rezervor tubular → aer din jur

O suprafață de răcire mai mare poate îmbunătăți disiparea căldurii, în special pentru transformatoarele răcite natural.

Creșterea temperaturii unui rezervor de ulei de transformator tubular depinde de încărcarea transformatorului, circulația uleiului, dimensiunile tubului, distanța dintre tuburi, temperatura ambiantă și fluxul de aer din jurul rezervorului.

Prin urmare, rezervorul trebuie proiectat ca parte a sistemului termic complet, împreună cu miezul, înfășurările, canalele de ulei, radiatoarele și aerul din jur.

De ce este importantă creșterea temperaturii transformatorului

De ce să petrecem atât de mult timp discutând despre creșterea temperaturii? Pentru că are o legătură directă cudurata de izolație, capacitatea de încărcare a transformatorului, performanța de răcire, fiabilitatea și durata de viață.

Funcționarea pe termen lung-la temperaturi excesive poate accelera îmbătrânirea izolației și poate crește riscul deteriorării termice. Pe de altă parte, un sistem de răcire supradimensionat poate adăuga costuri inutile ale echipamentelor și consumul de energie auxiliară.

Scopul nu este pur și simplu de a face transformatorul cât mai rece posibil. O bună inginerie înseamnă găsirea echilibrului potrivit între generarea de căldură, disiparea căldurii, eficiență, cost, fiabilitate și profilul real al sarcinii.

Instalațiile electrice moderne merită și ele o atenție suplimentară. Centrele de date, unitățile de-frecvență variabilă, convertoarele de-energie regenerabilă, sistemele de încărcare a vehiculelor electrice și alte încărcături electronice-de putere pot introduce curenți armonici. Acești curenți pot crește pierderile suplimentare ale transformatorului și pot contribui la încălzire.

Factori cheie care afectează creșterea temperaturii transformatorului

Când selectați sau specificați un transformator-imersat în ulei, merită să vă uitați la întregul mediu de operare, mai degrabă decât să vă concentrați pe un număr de temperatură.

Concluzie

Creșterea temperaturii transformatoruluieste o parte fundamentală a proiectării, testării și funcționării transformatorului. Descrie cât de mult devine mai fierbinte o componentă a transformatorului în comparație cu temperatura ambiantă de referință și oferă o indicație utilă a eficienței sistemului termic al transformatorului.

Pentru untransformator-immers în ulei, căldura generată de miez și înfășurări este transferată în uleiul izolator, transportată prin sistemul de răcire, trecută în rezervor și calorifere și, în final, eliberată prin convecție și radiație.

Thecreșterea temperaturii-transformatoarelor cu uleidepinde de mulți factori, inclusiv încărcarea transformatorului, temperatura ambiantă, designul înfășurării, circulația uleiului, metoda de răcire, construcția rezervorului și zona disponibilă de transfer de căldură-.

Punctul fierbinte de înfășurare merită o atenție deosebită deoarece supraîncălzirea localizată poate accelera îmbătrânirea izolației chiar și atunci când temperatura medie rămâne în limite acceptabile.

Pentru producătorii de transformatoare precumTransformator Yawei, proiectarea termică este, prin urmare, o parte esențială a ingineriei produsului. Configurația înfășurării, căile-de curgere a uleiului, distribuția pierderilor, designul radiatorului, echipamentele de răcire și testarea-creșterii temperaturii trebuie să funcționeze împreună.

Când specificați un transformator, verificați întotdeauna cel aplicabilStandarde IEC 60076 sau IEEE C57, cerințele proiectului, sistemul de izolare, aranjamentul de răcire, condițiile ambientale și datele tehnice garantate de producător. Valori precum60 K, 65 K, 70 K și 78 Ksunt valori de referință-de creștere a temperaturii în condiții definite, nu limite de temperatură de funcționare-universale pentru fiecare transformator.

În cele din urmă, un design termic bun este destul de simplu în principiu: generați mai puțină căldură inutilă, mutați căldura eficient, mențineți punctele fierbinți sub control și asigurați-vă că transformatorul poate face față sarcinii reale-lumii reale pe care o va vedea cu adevărat.

Contactați acum