Повышение температуры трансформатора: пределы, расчет и руководство по охлаждению

Повышение температуры трансформатора– это одна из тех технических деталей, которые могут выглядеть простыми на бумаге, но имеют большое значение в реальной работе. Каждый трансформатор производит тепло, когда он находится под напряжением и несет нагрузку. Задача состоит в том, чтобы эффективно отводить это тепло и поддерживать сердечник, обмотки, изоляцию и масло в расчетном диапазоне температур.

Это становится особенно важным смасляный-трансформатор. Трансформаторное масло не только обеспечивает электрическую изоляцию. Он также отводит тепло от активных частей и передает его в бак, радиаторы и окружающий воздух.

Итак, когда инженеры говорят оповышение температуры масляных-трансформаторов, они действительно учитывают потери трансформатора - всей тепловой системы, циркуляцию масла, охлаждающее оборудование, условия окружающей среды, конструкцию резервуара и фактическую нагрузку.

Повышение температуры и температура трансформаторов

Для начала стоит прояснить один общий момент:температура трансформатораиповышение температуры трансформатораэто не одно и то же.

Температура трансформатора — это фактическая температура компонента, такого как обмотка, верхний слой масла, сердечник или бак. Повышение температурыразница междуэту температуру и указанную температуру окружающей среды или эталонную температуру.

Проще говоря:

Температура трансформатора=Температура окружающей среды + Повышение температуры

Например, если температура окружающей среды составляет 30 градусов, а повышение температуры верхнего-масла составляет 55 К, приблизительная температура верхнего-масла составит 85 градусов.

Конечно, настоящий трансформер не так уж и прост. Разные детали работают при разных температурах. Температура обмотки обычно выше температуры окружающего масла, и небольшая область обмотки может стать намного более горячей, чем средняя температура обмотки. Эта область с самой высокой-температурой известна какизвилистая горячая точка.

Вот почему тепловой расчет трансформатора учитывает не только одно показание температуры.

Стандарты повышения температуры трансформатора

Требования к-повышению температуры зависят от применимого стандарта, конструкции трансформатора, системы изоляции, метода охлаждения и условий эксплуатации.

МЭК 60076-2содержит требования к испытаниям на-превышение температуры для жидкостных-трансформаторов.IEEE C57Серия также широко используется, особенно для трансформаторов в Северной Америке.

Для конкретного проекта всегда лучше проверить применимый стандарт и спецификацию проекта, а не просто копировать значение температуры с другого трансформатора.

Таблица предельных значений повышения температуры трансформатора

Для традиционных конструкций трансформаторов с жидкостным-погружным погружением обычно упоминаются следующие значения из IEC 60076-2:

Эти цифры являются полезными техническими справками, но их не следует рассматривать как универсальные пределы для каждого трансформатора. Фактические требования могут варьироваться в зависимости от изолирующей жидкости, системы изоляции, системы охлаждения, технических характеристик трансформатора и применимого стандарта.

И есть еще один момент, который легко упустить:Повышение температуры не является абсолютной температурой.

Таблица представляет собой просто иллюстрацию. Фактическая рабочая температура трансформатора зависит от нагрузки, условий охлаждения, распределения тепла и тепловой схемы производителя.

Практика создания трансформаторов IEEE также различает конструкции с разным средним превышением температуры обмотки, в том числе широко используемые55 градусови65 градусовконструкции минеральных-масляных-погружных трансформаторов. Итак, опять же, гарантированные технические данные производителя должны быть окончательным ориентиром для конкретного проекта.

Старение изоляционного материала и повышение температуры

Температура оказывает прямое влияние на старение изоляции трансформатора.

Когда изоляция работает при повышенных температурах в течение длительного времени, процесс ее старения обычно ускоряется. Как твердая изоляция, так и изоляционное масло могут подвергаться постоянному термическому воздействию.

извилистая горячая точказаслуживает особого внимания. Трансформатор может иметь приемлемую среднюю температуру обмотки, в то время как определенная область нагревается значительно выше.

Хорошая конструкция трансформатора позволяет держать эти горячие точки под контролем. Правильная геометрия обмотки, пути-протока масла, выбор проводника и охлаждающая способность — все это играет свою роль.

Средневзвешенная температура окружающей среды

Температура окружающей средыЭто еще один фактор, который не следует упускать из виду.

Трансформатор, работающий при таком же повышении температуры, очевидно, будет иметь более высокую абсолютную температуру при установке в горячей среде.

Это особенно актуально в тропических регионах, закрытых подстанциях и промышленных объектах, где температура окружающей среды может оставаться высокой в ​​течение длительных периодов времени.

Инженерам, возможно, придется учитывать сезонные температуры, высоту установки, вентиляцию, солнечное излучение и близлежащее оборудование.

Другими словами, один и тот же трансформатор может вести себя совершенно по-разному в двух условиях установки, даже если номинальное превышение температуры одинаково.

Трансформаторное отопление и охлаждение

Трансформатор генерирует тепло главным образом за счетпотери в сердечнике, потери в обмотке и потери на случайную нагрузку.

Потери в сердечнике связаны, прежде всего, с гистерезисом и вихревыми токами в магнитопроводе. Потери в обмотках в основном связаны с сопротивлением проводника, тогда как дополнительные паразитные потери могут возникать в обмотках, стенках резервуара, зажимах и других металлических компонентах.

Для масляного-погружного трансформатора основной путь-передачи тепла выглядит следующим образом:

Сердечник и обмотки → трансформаторное масло → бак/радиаторы → окружающий воздух

Когда трансформатор достигает теплового равновесия, тепло, выделяемое внутри него, примерно уравновешивается теплом, выделяемым снаружи.

Методы рассеивания тепла трансформатора

Внутри трансформатора работает несколько механизмов-передачи тепла.

Для трансформатора небольшого или среднего размера может быть достаточно естественного охлаждения. Однако по мере увеличения мощности трансформатора увеличивается и количество тепла, которое необходимо отвести. Именно здесь на помощь приходят более крупные радиаторы, вентиляторы, насосы или направленная циркуляция масла.

Методы охлаждения трансформатора

Для масляных-трансформаторов обычно используются несколько систем охлаждения.

Охлаждение ONAN остается популярным выбором, поскольку оно относительно простое и надежное. Требуется меньше вспомогательных компонентов, требующих обслуживания, что является реальным преимуществом во многих установках.

Для более крупных трансформаторов можно добавить вентиляторы для увеличения охлаждающей способности. В очень мощных силовых трансформаторах может использоваться принудительная-циркуляция масла для обеспечения более контролируемой теплопередачи.

Нагрев и охлаждение масляных-погружных трансформаторов

Трансформаторное маслонаходится в центре тепловой системы в масляном-трансформаторе.

Поскольку сердечник и обмотки выделяют тепло, окружающее масло становится теплее. Теплое масло становится менее плотным и естественным образом движется вверх, тогда как более холодное масло движется вниз. Это создает циркуляцию внутри трансформатора.

По сути, именно так работает охлаждение ONAN.

Нагретое масло в конечном итоге достигает бака ирадиаторы, где его тепло передается окружающему воздуху.

Нагрузка трансформатора оказывает большое влияние на этот процесс. Потери в обмотке примерно пропорциональны квадрату тока:

Pcu ∝ I²

Это означает, что относительно небольшое увеличение тока может привести к гораздо большему увеличению потерь в обмотках.

Это упрощенное сравнение. Фактические потери в трансформаторе более сложны, поскольку сопротивление проводника изменяется с температурой и присутствуют дополнительные паразитные потери.

Тем не менее, суть довольно ясна: постоянная перегрузка может быстро превратиться в тепловую проблему.

Повышение температуры масляных-обмоток трансформатора, погруженных в воду

повышение температуры масляных-обмоток трансформатораявляется одним из ключевых параметров теплового расчета трансформатора.

На температуру обмотки влияют материал проводника, сопротивление обмотки, плотность тока, геометрия обмотки, каналы потока масла-, расположение изоляции, метод охлаждения и нагрузка.

Температура также неравномерно распределяется по обмотке. В некоторых областях естественным образом становится жарче, чем в других, и места с самой высокой-температурой становятся извилистыми горячими точками.

Упрощенные отношения:

Температура горячей-точки=Температура окружающей среды + верхний-подъем масла + градиент температуры обмотки-до-масла

Фактический расчет более сложен и зависит от конструкции трансформатора и применимого стандарта.

Методы инженерного расчета течения масла и повышения температуры в обмотках

Инженеры могут оценить поток трансформаторного масла и температуру обмотки, используя аналитические расчеты, тепловые модели, а для более крупных и сложных трансформаторов — вычислительную гидродинамику (CFD).

Некоторые из основных параметров включают в себя:

Хорошая конструкция-потока масла имеет решающее значение. Если масло не циркулирует должным образом через обмотку, могут возникнуть локальные горячие точки, даже если общая температура трансформатора выглядит приемлемой.

Для больших силовых трансформаторов анализ CFD может помочь инженерам выявить неравномерный поток масла, температурные градиенты и места потенциальных-горячих точек еще до изготовления трансформатора.

Теплоотдача баков трансформаторного масла

Бак трансформаторного масла – это не просто емкость для масла. Это тоже часть системы охлаждения.

Поглотив тепло от сердечника и обмоток, масло передает это тепло стенкам резервуара. Поверхность резервуара затем отдает тепло в окружающую среду.

Трансформаторам большего размера обычно требуются радиаторы, обеспечивающие дополнительную-площадь теплопередачи.

Конвекционное тепловыделение

Конвекция — один из основных способов выделения тепла трансформатором.

Когда поверхность резервуара становится теплее окружающего воздуха, близлежащий воздух нагревается, становится менее плотным и поднимается вверх. Более холодный воздух затем движется к поверхности резервуара.

Это создает естественную циркуляцию воздуха и отводит тепло от трансформатора.

При принудительном-воздушном охлаждении вентиляторы увеличивают поток воздуха через поверхности радиатора. Это особенно полезно, когда трансформатор работает с высокой нагрузкой.

Радиация

Бак трансформатора и радиаторы также выделяют тепло за счет теплового излучения.

Количество излучаемого тепла зависит от температуры поверхности, коэффициента излучения, площади воздействия и окружающих условий.

Радиация не действует сама по себе. На практике излучение и конвекция действуют вместе и способствуют общему рассеиванию тепла трансформатором.

Повышение температуры масляных баков трубчатых трансформаторов

В трубчатых баках трансформаторного масла используются трубчатые конструкции для увеличения внешней площади теплопередачи-.

Основной тепловой путь остается:

Активные части → масло → трубчатый бак → окружающий воздух

Большая поверхность охлаждения может улучшить рассеивание тепла, особенно для трансформаторов с естественным охлаждением.

Повышение температуры трубчатого бака трансформаторного масла зависит от нагрузки трансформатора, циркуляции масла, размеров трубок, расстояния между трубками, температуры окружающей среды и потока воздуха вокруг бака.

Поэтому резервуар следует проектировать как часть полной тепловой системы вместе с сердечником, обмотками, масляными каналами, радиаторами и окружающим воздухом.

Почему повышение температуры трансформатора имеет значение

Зачем тратить так много времени на обсуждение повышения температуры? Потому что это имеет прямую связь ссрок службы изоляции, нагрузочная способность трансформатора, эффективность охлаждения, надежность и срок службы..

Длительная-работа при повышенных температурах может ускорить старение изоляции и повысить риск термического разрушения. С другой стороны, слишком большая система охлаждения может привести к ненужным затратам на оборудование и потреблению вспомогательной энергии.

Цель состоит не в том, чтобы просто сделать трансформер максимально крутым. Хорошее проектирование – это поиск правильного баланса между выделением тепла, рассеиванием тепла, эффективностью, стоимостью, надежностью и фактическим профилем нагрузки.

Современные электроустановки также заслуживают особого внимания. Центры обработки данных, приводы с регулируемой-частотой, преобразователи возобновляемой-энергии, системы зарядки электромобилей и другие силовые-электронные нагрузки могут создавать гармонические токи. Эти токи могут увеличить дополнительные потери трансформатора и способствовать нагреву.

Ключевые факторы, влияющие на повышение температуры трансформатора

При выборе или выборе масляного-трансформатора стоит учитывать всю рабочую среду, а не сосредотачиваться на одном температурном показателе.

Заключение

Повышение температуры трансформатораявляется фундаментальной частью проектирования, испытаний и эксплуатации трансформаторов. Он описывает, насколько нагревается компонент трансформатора по сравнению с эталонной температурой окружающей среды, и дает полезный показатель эффективности тепловой системы трансформатора.

Длямасляный-трансформаторТепло, выделяемое сердечником и обмотками, передается изолирующему маслу, проходит через систему охлаждения, передается в бак и радиаторы и, наконец, высвобождается посредством конвекции и излучения.

повышение температуры масляных-трансформаторовзависит от многих факторов, включая нагрузку трансформатора, температуру окружающей среды, конструкцию обмотки, циркуляцию масла, метод охлаждения, конструкцию резервуара и доступную площадь теплопередачи-.

Горячая точка обмотки заслуживает особого внимания, поскольку локальный перегрев может ускорить старение изоляции, даже если средняя температура остается в допустимых пределах.

Для производителей трансформаторов, таких какЯвэй ТрансформерТаким образом, тепловое проектирование является важной частью проектирования изделия. Конфигурация обмотки,-пути потока масла, распределение потерь, конструкция радиатора, охлаждающее оборудование и испытания-на превышение температуры — все это должно работать вместе.

При выборе трансформатора всегда проверяйте применимыеСтандарты IEC 60076 или IEEE C57., требования проекта, система изоляции, система охлаждения, условия окружающей среды и гарантированные производителем технические данные. Такие ценности, как60 К, 65 К, 70 К и 78 Кявляются эталонными значениями-роста температуры в определенных условиях, а не универсальными пределами рабочей-температуры для каждого трансформатора.

В конце концов, хороший тепловой расчет в принципе довольно прост: генерировать меньше ненужного тепла, эффективно перемещать тепло, держать под контролем горячие точки и быть уверенным, что трансформатор сможет выдержать реальную-мировую нагрузку, которую он фактически увидит.

Свяжитесь сейчас