Pujada de temperatura del transformador: límits, càlcul i guia de refrigeració

Augment de temperatura del transformadorés un d'aquells detalls tècnics que poden semblar senzills sobre el paper però que importa molt en el funcionament real. Cada transformador produeix calor quan s'engega i porta una càrrega. El repte és treure aquesta calor de manera eficient i mantenir el nucli, els bobinatges, l'aïllament i l'oli dins del rang de temperatura dissenyat.

Això esdevé especialment important amb untransformador-immers en oli. L'oli del transformador fa més que proporcionar aïllament elèctric. També transporta la calor lluny de les parts actives i la transfereix al dipòsit, als radiadors i a l'aire circumdant.

Així, quan els enginyers parlen delaugment de la temperatura dels transformadors-immersos en oli, estan mirant realment les pèrdues del transformador - del sistema tèrmic sencer, la circulació d'oli, l'equip de refrigeració, les condicions ambientals, el disseny del dipòsit i la càrrega real.

Pujada de temperatura i temperatura dels transformadors

En primer lloc, val la pena aclarir un punt comú:temperatura del transformadoriaugment de la temperatura del transformadorno són el mateix.

La temperatura del transformador és la temperatura real d'un component, com ara el bobinat, l'oli superior, el nucli o el dipòsit. L'augment de la temperatura ésla diferència entreaquesta temperatura i la temperatura ambient o de referència especificada.

En termes senzills:

Temperatura del transformador=Temperatura ambient + Augment de temperatura

Per exemple, si la temperatura ambient és de 30 graus i l'augment-superior de la temperatura de l'oli és de 55 K, la temperatura-superior aproximada de l'oli és de 85 graus .

Per descomptat, un transformador real no és tan senzill. Les diferents parts funcionen a diferents temperatures. La temperatura del bobinatge és normalment més alta que l'oli circumdant, i una petita àrea del bobinatge pot arribar a ser molt més calenta que la temperatura mitjana del bobinatge. Aquesta zona de-temperatura més alta es coneix com apunt calent sinuós.

És per això que el disseny tèrmic del transformador té en compte més d'una lectura de temperatura.

Normes d'augment de temperatura del transformador

Els requisits d'augment-de temperatura depenen de la norma aplicable, el disseny del transformador, el sistema d'aïllament, el mètode de refrigeració i les condicions de funcionament.

IEC 60076-2proporciona els requisits per a les proves de-augment de temperatura per als transformadors-immersos en líquid. ElIEEE C57La sèrie també s'utilitza àmpliament, especialment per a aplicacions de transformadors a Amèrica del Nord.

Per a un projecte específic, sempre és millor comprovar l'estàndard aplicable i les especificacions del projecte en lloc de simplement copiar una xifra de temperatura d'un altre transformador.

Taula de límits de pujada de temperatura del transformador

Per als dissenys de transformadors-immersos en líquids convencionals, els valors de referència habitual de l'IEC 60076-2 inclouen els següents:

Aquestes xifres són referències d'enginyeria útils, però no s'han de tractar com a límits universals per a cada transformador. Els requisits reals poden variar segons el líquid aïllant, el sistema d'aïllament, la disposició de refrigeració, l'especificació del transformador i la norma aplicable.

I hi ha un altre punt que és fàcil de perdre:l'augment de temperatura no és temperatura absoluta.

La taula és només una simple il·lustració. La temperatura de funcionament real del transformador depèn de la càrrega, les condicions de refrigeració, la distribució de la calor i el disseny tèrmic del fabricant.

Les pràctiques de transformadors IEEE també distingeixen entre dissenys amb diferents augments de temperatura mitjana dels bobinatges, inclosos els d'ús comú55 grausi65 grausdissenys per a transformadors-immersos en oli-mineral. Així, de nou, les dades tècniques garantides del fabricant haurien de ser la referència final per a un projecte concret.

Envelliment del material d'aïllament i augment de la temperatura

La temperatura té un efecte directe sobre l'envelliment de l'aïllament del transformador.

Quan l'aïllament funciona a temperatures elevades durant llargs períodes, el seu procés d'envelliment generalment s'accelera. Tant l'aïllament sòlid com l'oli aïllant es poden veure afectats per l'estrès tèrmic continu.

Elpunt calent sinuósmereix una atenció especial. Un transformador pot tenir una temperatura de bobinat mitjana acceptable mentre una àrea localitzada funciona significativament més calenta.

Un bon disseny del transformador intenta mantenir aquests punts calents sota control. La geometria adequada de l'enrotllament, els camins-de flux d'oli, la selecció de conductors i la capacitat de refrigeració hi tenen un paper important.

Temperatura ambient mitjana ponderada

Temperatura ambientés un altre factor que no s'ha de passar per alt.

Un transformador que funcioni al mateix augment de temperatura tindrà, òbviament, una temperatura absoluta més alta quan s'instal·la en un ambient calent.

Això és especialment rellevant a les regions tropicals, subestacions tancades i instal·lacions industrials on les temperatures circumdants poden romandre elevades durant períodes prolongats.

És possible que els enginyers hagin de tenir en compte les temperatures estacionals, l'altitud de la instal·lació, la ventilació, la radiació solar i els equips propers.

En altres paraules, el mateix transformador pot comportar-se de manera molt diferent en dos entorns d'instal·lació, fins i tot quan l'augment de temperatura nominal és idèntic.

Calefacció i refrigeració del transformador

Un transformador genera calor principalment a travéspèrdua de nucli, pèrdua de bobinatge i pèrdua de càrrega periòdica.

Les pèrdues del nucli s'associen principalment amb la histèresi i els corrents de Foucault al nucli magnètic. Les pèrdues de bobinatge estan relacionades principalment amb la resistència del conductor, mentre que es poden produir pèrdues addicionals en bobinatges, parets del dipòsit, pinces i altres components metàl·lics.

Per a un transformador-immers en oli, el camí de transferència de calor-bàsic és el següent:

Nucli i bobinatges → oli del transformador → dipòsit/radiadors → aire circumdant

Quan el transformador arriba a l'equilibri tèrmic, la calor que es genera a l'interior s'equilibra aproximadament per la calor que s'allibera a l'exterior.

Mètodes de dissipació de calor del transformador

Diversos-mecanismes de transferència de calor funcionen conjuntament dins d'un transformador.

Per a un transformador petit o mitjà, el refredament natural pot ser suficient. Tanmateix, a mesura que augmenta la capacitat del transformador, també augmenta la quantitat de calor que cal eliminar. Aquí és on entren els bancs de radiadors més grans, els ventiladors, les bombes o la circulació d'oli dirigida.

Mètodes de refrigeració del transformador

Per als transformadors-immersos en oli s'utilitzen habitualment diversos sistemes de refrigeració.

La refrigeració ONAN segueix sent una opció popular perquè és relativament senzilla i fiable. Hi ha menys components auxiliars a mantenir, la qual cosa és un autèntic avantatge en moltes instal·lacions.

Per als transformadors més grans, es poden afegir ventiladors per augmentar la capacitat de refrigeració. Els transformadors de potència molt grans poden utilitzar-circulació forçada d'oli per proporcionar una transferència de calor més controlada.

Escalfament i refrigeració de transformadors immersos d'oli-

Oli del transformadores troba al centre del sistema tèrmic en un transformador-immers en oli.

A mesura que el nucli i els bobinatges generen calor, l'oli circumdant s'escalfa. L'oli calent es torna menys dens i es mou naturalment cap amunt, mentre que l'oli més fred es mou cap avall. Això crea circulació dins del transformador.

Així és essencialment com funciona la refrigeració ONAN.

L'oli escalfat finalment arriba al dipòsit iradiadors, on la seva calor es transfereix a l'aire circumdant.

La càrrega del transformador té un efecte important en aquest procés. Les pèrdues per bobinatge són aproximadament proporcionals al quadrat del corrent:

Pcu ∝ I²

Això significa que un augment relativament modest del corrent pot donar lloc a un augment molt més gran de les pèrdues de bobinatge.

Aquesta és una comparació simplificada. Les pèrdues reals del transformador són més complicades perquè la resistència del conductor canvia amb la temperatura i hi ha pèrdues periòdiques addicionals.

Tot i així, el missatge és bastant clar: la sobrecàrrega sostinguda es pot convertir ràpidament en un problema tèrmic.

Augment de la temperatura del petroli-Bobinats del transformador immers

Elaugment de la temperatura dels bobinats del transformador-immersos en oliés un dels paràmetres clau en el disseny tèrmic del transformador.

La temperatura del bobinat es veu afectada pel material del conductor, la resistència del bobinat, la densitat de corrent, la geometria del bobinatge, els canals de flux d'oli-, la disposició d'aïllament, el mètode de refrigeració i la càrrega.

La temperatura tampoc es distribueix uniformement per tot el bobinatge. Algunes zones, naturalment, seran més calentes que d'altres, i el lloc amb la temperatura més alta-es converteix en el punt calent sinuós.

Una relació simplificada és:

Temperatura-punt calent=Temperatura ambient + augment-superior de l'oli + gradient de temperatura-enrotllament{-a l'oli

El càlcul real és més complicat i depèn del disseny del transformador i de la norma aplicable.

Mètodes de càlcul d'enginyeria per al cabal d'oli i l'augment de temperatura en bobinatges

Els enginyers poden avaluar el flux d'oli del transformador i la temperatura del bobinatge mitjançant càlculs analítics, models tèrmics i, per a transformadors més grans o complexos, dinàmica de fluids computacional (CFD).

Alguns dels paràmetres principals inclouen:

Un bon disseny-de flux d'oli és fonamental. Si l'oli no circula correctament a través d'un bobinatge, es poden desenvolupar punts calents localitzats fins i tot quan la temperatura general del transformador sembli acceptable.

Per als transformadors de gran potència, l'anàlisi CFD pot ajudar els enginyers a identificar el flux d'oli desigual, els gradients de temperatura i les ubicacions potencials de-punts calents abans de fabricar el transformador.

Dissipació de calor dels dipòsits d'oli del transformador

El dipòsit d'oli del transformador no és només un contenidor per a l'oli. També forma part del sistema de refrigeració.

Després d'absorbir la calor del nucli i dels bobinatges, l'oli transfereix aquesta calor a les parets del dipòsit. Aleshores, la superfície del dipòsit allibera la calor a l'entorn.

Els transformadors més grans normalment requereixen radiadors per proporcionar una àrea de transferència de calor addicional-.

Dissipació de calor per convecció

La convecció és una de les principals maneres en què un transformador allibera calor.

Quan la superfície del dipòsit s'escalfa més que l'aire circumdant, l'aire proper s'escalfa, es torna menys dens i puja. L'aire més fresc es mou cap a la superfície del dipòsit.

Això crea una circulació natural d'aire i allunya la calor del transformador.

Amb la refrigeració per aire forçat-, els ventiladors augmenten el flux d'aire a través de les superfícies del radiador. Això és especialment útil quan el transformador funciona amb una càrrega elevada.

Radiació

El dipòsit del transformador i els radiadors també alliberen calor a través de la radiació tèrmica.

La quantitat de calor irradiada depèn de la temperatura de la superfície, l'emissivitat, l'àrea exposada i les condicions circumdants.

La radiació no funciona sola. A la pràctica, la radiació i la convecció funcionen conjuntament i ambdues contribueixen a la dissipació global de la calor del transformador.

Augment de temperatura dels dipòsits d'oli de transformadors tubulars

Els dipòsits d'oli de transformador tubulars utilitzen estructures tubulars per augmentar l'àrea de transferència de calor externa-.

El camí tèrmic bàsic segueix sent:

Parts actives → oli → dipòsit tubular → aire circumdant

Una superfície de refrigeració més gran pot millorar la dissipació de calor, especialment per als transformadors refrigerats de manera natural.

L'augment de temperatura d'un dipòsit d'oli de transformador tubular depèn de la càrrega del transformador, la circulació d'oli, les dimensions del tub, l'espai entre tubs, la temperatura ambient i el flux d'aire al voltant del dipòsit.

Per tant, el dipòsit s'ha de dissenyar com a part del sistema tèrmic complet, juntament amb el nucli, els bobinatges, els conductes d'oli, els radiadors i l'aire circumdant.

Per què és important l'augment de temperatura del transformador

Per què passar tant de temps parlant de l'augment de la temperatura? Perquè té una connexió directa ambvida d'aïllament, capacitat de càrrega del transformador, rendiment de refrigeració, fiabilitat i vida útil.

El funcionament a llarg termini-a temperatures excessives pot accelerar l'envelliment de l'aïllament i augmentar el risc de deteriorament tèrmic. D'altra banda, un sistema de refrigeració sobredimensionat pot afegir un cost d'equip innecessari i un consum d'energia auxiliar.

L'objectiu no és simplement fer que el transformador sigui el més fresc possible. Una bona enginyeria consisteix a trobar l'equilibri adequat entre la generació de calor, la dissipació de calor, l'eficiència, el cost, la fiabilitat i el perfil de càrrega real.

Les instal·lacions elèctriques modernes també mereixen una atenció especial. Els centres de dades, les unitats de-freqüència variable, els convertidors d'energia-renovables, els sistemes de càrrega de vehicles elèctrics i altres càrregues-electròniques de potència poden introduir corrents harmònics. Aquests corrents poden augmentar les pèrdues addicionals del transformador i contribuir a l'escalfament.

Factors clau que afecten l'augment de la temperatura del transformador

Quan seleccioneu o especifiqueu un transformador-immers en oli, val la pena mirar l'entorn de funcionament complet en lloc de centrar-vos en un número de temperatura.

Conclusió

Augment de temperatura del transformadorés una part fonamental del disseny, proves i funcionament del transformador. Descriu quant s'escalfa un component del transformador en comparació amb la temperatura ambient de referència i proporciona una indicació útil de l'eficàcia del sistema tèrmic del transformador.

Per untransformador-immers en oli, la calor generada pel nucli i els bobinatges es transfereix a l'oli aïllant, es porta a través del sistema de refrigeració, es passa al dipòsit i als radiadors i, finalment, s'allibera per convecció i radiació.

Elaugment de la temperatura dels transformadors-immersos en olidepèn de molts factors, com ara la càrrega del transformador, la temperatura ambient, el disseny del bobinatge, la circulació d'oli, el mètode de refrigeració, la construcció del dipòsit i l'àrea de transferència de calor-disponible.

El punt calent de la bobina mereix una atenció especial perquè el sobreescalfament localitzat pot accelerar l'envelliment de l'aïllament fins i tot quan la temperatura mitjana es manté dins dels límits acceptables.

Per a fabricants de transformadors com araTransformador Yawei, el disseny tèrmic és, per tant, una part essencial de l'enginyeria del producte. La configuració de bobinatge, les-camís de flux d'oli, la distribució de pèrdues, el disseny del radiador, l'equip de refrigeració i les proves d'augment-de temperatura han de treballar conjuntament.

Quan especifiqueu un transformador, comproveu sempre el corresponentEstàndards IEC 60076 o IEEE C57, requisits del projecte, sistema d'aïllament, disposició de refrigeració, condicions ambientals i dades tècniques garantides pel fabricant. Valors com ara60 K, 65 K, 70 K i 78 Ksón valors d'augment de temperatura de referència-en condicions definides, no límits de temperatura de funcionament-universals per a cada transformador.

Al final, un bon disseny tèrmic és bastant senzill en principi: genera menys calor innecessària, mou la calor de manera eficient, manté els punts calents sota control i assegureu-vos que el transformador pugui suportar la càrrega del món real-que veurà realment.

Contacta ara