طلب عرض سعر
الأخبار

طرق تبريد المحولات الرئيسية: مجموعة متنوعة من التقنيات

في منتصف يوليو، يقف مهندس محطة تحويل في ساحة المحولات في مدينة ميناء شرق أوسطية حارة ومغبرة، يراقب إشارة مقلقة على الشاشة. لقد وصلت درجة حرارة اللف إلى 118ºC وتستمر في الارتفاع على محول بزيادة حرارة 65 كلفن بسعة 50 MVA. لم يمضِ على التركيب أقل من عامين وكان المحول تحت حمل عالٍ خلال صيف حار ومتواصل وكسر الأرقام القياسية. يبدو أن نظام التبريد الطبيعي بالزيت للمحول غير قادر على إزالة الحرارة من خزان المحول. يواجه المهندس معضلة يجب على أي مالك محول كبير حلها يومًا ما: يمكنه إما تحديث نظام التبريد للمحول، أو تقليل تصنيفه، أو الاستعداد لعمر أقصر للوحدة. يجب ملاحظة أن التبريد ليس مجرد قضية صيانة. إنه اعتبار هندسي يحدد سعة خزان المحول وعمر العزل الكهربائي.

يقدم المقال جميع تقنيات تبريد المحولات المتاحة بما في ذلك تبريد ONAN، وتبريد ONAF، وتبريد OFAF، وتبريد ODWF، وحلول جديدة مثل حلول تحديث الهواء وأنابيب الحرارة.

باختصار: يتم تعريف طرق التبريد للمحولات بواسطة رموز من أربعة أحرف وفقًا لمعيار IEC: ONAN، ONAF، OFAF، OFWF وODWF. يتم تحديد الحد الحراري بواسطة الحد الأقصى للزيادة المتوسطة في درجة حرارة اللف، عادةً 65 كلفن للمحولات المغمورة بالزيت وفقًا لمعيار IEC 60076-2 وIEEE C57.12.00. عادةً ما يؤدي تركيب مراوح الهواء القسري في محول ONAN إلى زيادة سعة مستمرة تبلغ حوالي 20-33%؛ يمكن أن تعزز التطبيق الكامل لتبريد الزيت القسري إمدادات الكهرباء بنسبة 40-50% مقارنةً بجهاز مبرد ذاتيًا.

طرق تبريد المحولات الرئيسية مجموعة متنوعة من التقنيات


لماذا يحدد التبريد إنتاج المحول

تقوم المحولات بتحويل الطاقة الكهربائية بكفاءة عالية ولكن حتى 1 إلى 3 % من الطاقة التي تتحول إلى حرارة تعني فقدانًا هائلًا. على سبيل المثال، محول مصنف عند 50 MVA ويعمل بكفاءة 99 % لديه فقدان حراري يبلغ حوالي 500 كيلووات باستمرار، وهو ما يكفي لتدفئة منزل صغير. الحرارة الناتجة لها مسار واحد فقط للذهاب: وهو من خلال نظام العزل إلى الزيت أو الهواء، ثم إلى الجدار والمشعات في الخزان ثم أخيرًا إلى الماء أو الهواء المحيط. تعطي هذه العملية لإزالة الحرارة حدًا أعلى على الأداء المستمر للمحول يقاس بالكيلو فولت أمبير.

الحرارة عدو للمحولات. السبب الرئيسي في شيخوخة العزل يتبع مبدأ أرهينيوس: كل زيادة في درجة الحرارة بمقدار 6-10 كلفن فوق درجة حرارة النقطة الساخنة المتوقعة تقلل من العمر المتوقع للعزل إلى النصف. لن يؤدي المحول المصمم لزيادة متوسطة في درجة الحرارة تبلغ 65 كلفن ويعمل عند 80 كلفن إلى تدهور الأداء بشكل كبير فحسب، بل سيستهلك أيضًا عمر تصميمه بسرعة مما يتسبب في فقدانه لسنوات من العمر كل شهر.

فك شفرة التبريد وطرق التبريد الرئيسية

يتم تحديد عملية التبريد وفقًا للتسمية القياسية المكونة من أربعة أحرف المحددة في IEC 60076-2 و IEEE C57.12.00: الحرف الأول يحدد الوسط المهم للغاية الذي يتصل بالملفات (o = زيت، k = سائل نقطة الوميض فوق 300°، a = هواء)، الحرف الثاني يخبرنا عن طريقة تداول هذا الوسط (n = طبيعي، f = دوران قسري صناعي، d = دوران موجه)، الحرف الثالث يشير إلى الوسط الذي يتفاعل معه الجهاز (a = هواء، w = ماء) والحرف الأخير يشير إلى طريقة تنفيذ التداول (n = طبيعي، f = صناعي).

رمز التبريد كيف تعمل زيادة التصنيف النموذجي مقابل ONAN حجم المحول النموذجي
أونان يتداول الزيت عن طريق الحمل الطبيعي؛ الحرارة تشع إلى الهواء الساكن خط الأساس حتى ~5 MVA (مرحلة واحدة)؛ الوحدات الكبيرة مصنفة ONAN عند حمل مخفض
أوناف يضيف مراوح المبرد؛ الهواء يُنفخ عبر الأسطح المبردة +20 إلى +33% 5-100 م.ف.أ
أوفاف تضخ مضخات الزيت التداول؛ المراوح تضخ الهواء فوق المبردات +40 إلى +50% 50-300 م.ف.أ
OFWF يتم ضخ الزيت عبر مبادل حراري مبرد بالماء +40 إلى +50%، مساحة مضغوطة وحدات كبيرة حيث يتوفر الماء
ODWF / ODAN / ODAF تدفق الزيت الموجه عبر قنوات الملفات؛ مراوح أو ماء خارجي حتى +60% في التصميم الموجه 100 MVA وما فوق

يتم استخدام تصنيفات متعددة المراحل بشكل روتيني في شراء المحولات الكهربائية، على سبيل المثال ONAN/ONAF/ONAF أو مجموعة ONAN/ONAF/ONAF/ONAF، وتسمح للمشغلين بتشغيل المراوح مع زيادة الحمل. على سبيل المثال، يمكن تصنيف محول بقوة 60 MVA عند 40 MVA كـ ONAN، وعند 50 MVA كـ ONAF، وعند 60 MVA، مع تشغيل جميع المراوح. المراوح المستخدمة عادةً هي مراوح محورية تستهلك من 0.75 kW إلى 3 kW من الطاقة، وهي كمية ضئيلة بالنظر إلى الأحمال التي تدعمها، والتي تصل إلى عدة مئات إلى آلاف الدولارات لكل تركيب، بما في ذلك المروحة.

ONAN مقابل ONAF مقابل OFAF مقابل ODWF

ONAN مقابل ONAF مقابل OFAF مقابل ODWF

الميزة أونان أوناف أوفاف ODWF
أجزاء متحركة لا شيء مراوح فقط مضخات + مراوح مضخات + نظام ماء
نطاق التصنيف النموذجي حتى 5-10 MVA 5-100 م.ف.أ 50-300 م.ف.أ 100 MVA وما فوق
التكلفة لكل MVA الأدنى معتدل أعلى الأعلى
الموثوقية / الصيانة الأعلى؛ لا شيء للفشل تحتاج محركات المراوح إلى اهتمام تم إضافة أختام ومحركات المضخات خطر تسرب الماء والتلوث
البصمة بنوك مبردات كبيرة مبردات مضغوطة + مراوح مضغوط مع مضخات الأكثر مضغوطًا
الضوضاء الأدنى ضوضاء المروحة ضوضاء المضخة + المروحة ضوضاء المضخة + الماء

من السهل فهم التبادلات الهندسية هنا: كل مرحلة تبريد قسري إضافية توفر MVA إضافية لكل وحدة من حجم الخزان، ولكنها تؤدي إلى إضافة معدات قد تفشل، تستهلك الطاقة أو تنتج ضوضاء. لا يزال ONAN هو الخيار الأكثر شيوعًا، حيث لا توجد أوضاع فشل بخلاف المحول، بينما ONAF هو الخيار الافتراضي بسبب المراوح الميسورة، المجربة وسهلة التعديل؛ يتم استخدام OFAF و ODWF فقط للمحولات الكبيرة، عندما لا تترك الخزانات وكثافة الحرارة أي خيار آخر.

فئات وحدود ارتفاع درجة الحرارة

المعامل IEC 60076-2 القيمة النموذجية IEEE C57.12.00 القيمة النموذجية
أقصى ارتفاع متوسط للملف (مغمور بالزيت) 65 ك 55 ك (OA)، 65 ك (FA)
أقصى ارتفاع لنقطة الحرارة الساخنة 78 ك (نقطة حرارة ساخنة 85 درجة مئوية، 7 ك سماح بيئي) 80 ك
أقصى ارتفاع للزيت العلوي 60 ك 55-65 ك حسب الفئة
درجة حرارة التصميم البيئية متوسط 30 درجة مئوية، أقصى 40 درجة مئوية متوسط 30 درجة مئوية، أقصى 40 درجة مئوية
أقصى حد لدرجة حرارة النقطة الساخنة 98 درجة مئوية (ملف)، 105 درجة مئوية (زيت) 110 درجة مئوية مستمرة

هذه الأرقام جزء من اتفاق أو عقد مع صيغة. إذا لم يجتاز المحول اختبار تقييم ارتفاع درجة الحرارة في المصنع، فإنه لم يتبع شروط المواصفة ويجب أن تتضمن الشهادة ارتفاع درجة الحرارة المقاس. عند أخذ الارتفاع في الاعتبار (1000 م أو أعلى) أو درجة حرارة بيئية عالية (زائد أو ناقص 40 درجة مئوية)، يجب التحقق من العوامل في IEC 60076-2، والسبب في ذلك هو أن الأجهزة ستحتاج إلى تخفيض تصنيفها في المناخ الأكثر حرارة وبالتالي ستكون مختلفة عن الأجهزة التي ستستخدم في مناخ معتدل.

لفهم كيف تؤثر مراحل التبريد المختلفة على العملية | تم اعتبار نفس المحول بقدرة 25 MVA مع ظروف وعمليات مختلفة، بحيث يمكن للمرء أن يدرك الخصوصية عندما يقدم الموردون عروض غير واقعية:

وضع التبريد التصنيف المستمر (25 MVA خزان) الارتفاع عند 25 درجة مئوية بيئية الارتفاع عند 40 درجة مئوية بيئية الحاجة إلى تخفيض التصنيف عند 40 درجة مئوية
ONAN (طبيعي) ~15 م.ف.أ 52 ك زيت علوي 67 ك زيت علوي ~12%
ONAF (مراوح تعمل) ~20 م.ف.أ 48 ك زيت علوي 63 ك زيت علوي ~8%
OFAF (مضخات + مراوح) ~25 م.ف.أ 44 ك زيت علوي 59 ك زيت علوي ~5%
ODWF (موجه + ماء) ~30 م.ف.أ 40 ك زيت علوي 55 ك زيت علوي ~5%

تحديث وترقية الوحدات الحالية

التحويل من خدمة ONAN إلى ONAF غالبًا ما يكون الطريقة المفضلة للترقية لأنه عادة ما يكون أرخص من شراء محول أكبر.

تحقق من التصميم الحراري. احصل على تأكيد من الشركة المصنعة حول ما إذا كانت المشعات ونقطة الحرارة الساخنة في الملفات يمكن أن تتحمل الحرارة الزائدة. بعض الخزانات ستحتاج إلى مساحة سطح مشع إضافية حتى مع تركيب المراوح.

  • تركيب مجموعة مراوح. ستتراوح التكلفة عادة بين $1500 إلى $8000 وستشمل 2-6 مراوح محورية، واقيات، إطارات تركيب، أسلاك بالإضافة إلى مفاتيح، بينما ستتطلب التركيب 2-4 أيام من الانقطاع.
  • تجهيز بتبديل يتحكم في درجة الحرارة. يجب أن تبدأ المراوح في العمل من إشارة درجة حرارة الزيت العلوي بينما يتم إيقافها تلقائيًا بناءً على إما مؤقت أو انخفاض في درجة الحرارة لتجنب التشغيل الدوري السريع.
  • تحديث لوحة الاسم والحماية. يجب تضمين التصنيف الجديد المدمج في إعدادات المرحلات وكذلك سجلات الصيانة.
  • التشغيل مع اختبار الحرارة. سيكون من المستحسن تكرار اختبار ارتفاع درجة الحرارة عند التصنيف الجديد لضمان اتباع ارتفاع الملف البالغ 65 ك.

يتطلب تجاوز ONAF واستخدام دوران الزيت القسري مزيدًا من الجهد، حيث يتضمن إضافة مضخات زيت وتعديل أنابيب الخزان. يتم اعتبار هذا الخيار عند التعامل مع المحولات التي تتجاوز 30 MVA. قد تكون التحويلات المبردة بالماء (OFWF) ممكنة، ولكن في الواقع، لا تجلب الكثير من المزايا لأنها مرتبطة بمخاطر التسرب.

تبريد المحولات الجافة

تتميز المحولات الجافة باستخدامها الهواء للتبريد والامتثال لمعايير معينة تشمل AN (الهواء الطبيعي) أو AF (الهواء القسري). من حيث إزالة الحرارة، لا تشمل المحولات الجافة الزيت، وبالتالي تعتمد بدلاً من ذلك على مساحة لفائفها المغلقة أو الملفوفة. سعة المحولات الجافة أصغر نسبيًا من النماذج المملوءة بالزيت. على سبيل المثال، قد تصل المحولات المصبوبة بالراتنج النموذجية إلى سعة قصوى تصل إلى 3-10 MVA. يمكن تصنيف المحولات الجافة إلى فئتين من ارتفاع درجة الحرارة وفقًا لمعيار IEC 60076-11: الفئة F (التي ترتفع بمقدار 100K لتصل إلى درجة حرارة 155°C) والفئة H (التي ترتفع بمقدار 125K لتصل إلى درجة حرارة 180°C).

يضيف تنفيذ التبريد بالهواء القسري بضع مئات من الدولارات لتكلفة المروحة ويزيد السعة المقدرة للمحول بحوالي 25 إلى 30%. الميزة الرئيسية للمحولات الجافة هي غياب الزيت في عملية التشغيل. ومع ذلك، فإن استخدام الهواء كوسيلة للتبريد يطرح أيضًا بعض العيوب مثل الحاجة إلى التهوية المناسبة ونظام مكلف لإدارة الغبار.

أي طريقة تبريد لأي تطبيق

  • محولات التوزيع أكثر من 2.5 MVA - في هذه الحالة، تعتبر طريقة ONAN هي الطريقة القياسية المستخدمة لمعظم التطبيقات. ومع ذلك، يمكن استخدامها في حالة وجود حمل صناعي متقلب، مما يسمح باستخدام ONAF.
  • محولات الطاقة - في هذه المرحلة، يمكن استخدام طريقة ONAN مع بعض المراوح لتوفير بيئة تبريد مناسبة.
  • محولات الطاقة الكبيرة (أكثر من 100 MVA) هي من نوع OFAF، لذا يتم استخدام مضخات الزيت وأنظمة التدفق القسري لهذه الأجهزة.
  • المناطق البحرية والأماكن المزدحمة - يجب تفضيل نوع OFWF عندما تكون هناك موارد مائية، مما يقلل من حجم النظام.
  • المباني التجارية الداخلية تتعامل مع وحدات من النوع الجاف أثناء استخدام طرق AN و AF، حيث أن الزيت وقوانين الحريق الداخلية لا يتناسبان معًا.
  • المناخ الحار والارتفاعات العالية تتطلب الحاجة إلى تنفيذ مستوى تبريد إضافي و/أو تخفيض التصنيف لأن الهواء المحيط غير قادر على تحمل الكثير من الحرارة.

مقارنة العلامات التجارية والأسعار

العلامة التجارية الأصل تقنيات التبريد المقدمة نطاق السعر التقريبي (1 MVA ONAN)
ABB سويسرا/السويد مجموعة كاملة، ODWF وتجربة التدفق الموجه $10,000-$25,000
سيمنز ألمانيا وحدات الطاقة الكبيرة، ONAF/OFAF المراحل $11,000-$28,000
هيتاشي للطاقة سويسرا محولات الطاقة مع تبريد متقدم $12,000-$30,000
شنايدر إلكتريك فرنسا وحدات التوزيع من النوع الجاف AF $9,000-$22,000
إيتون / جنرال إلكتريك الولايات المتحدة الأمريكية توزيع ONAN/ONAF $7,000-$18,000
شركة جيانغسو سوبين للطاقة الكهربائية الصين ONAN، ONAF، التصنيفات المراحل، النوع الجاف AN/AF $5,000-$14,000

تعتبر الشركات الرائدة في السوق مثل ABB وSiemens وHitachi Energy وSchneider Electric اللاعبين الرئيسيين في صناعة محولات الطاقة الكبيرة مع تصميمات ODWF/OFAF التي تستخدم كمعايير في الصناعة. ومن الجدير بالذكر أن الشركات المصنعة مثل Jiangsu Subian Electric Power معروفة بوحدات ONAN وONA المراحل المصممة لفئات 0.5-10 MVA الأصغر التي يهتم بها معظم العملاء. تم اختبار وحداتهم وفقًا لمعيار IEC 60076-2، ويتلقون شهادات تؤكد أن مختبرات ارتفاع درجة الحرارة يمكنها قياس ارتفاع درجة الحرارة لمحولاتهم. تشحن Subian منتجاتها في جميع أنحاء العالم؛ يمكنها إنتاج خزانات ومشعات وفقًا لمواصفات العملاء بأسعار أقل بنسبة 40 إلى 60% من الأسعار المقتبسة من منافسيها الأوروبيين. يجب على العملاء الذين يحتاجون إلى إعادة تركيب بنوك المراوح التحقق مع Subian حول المواصفات الفنية لتقنية سطح المشعاع وخيارات المضخات، حيث أن هذه المواصفات تكون أكثر أهمية من السعر عندما تكون درجة الحرارة المحيطة مرتفعة تصل إلى 40 درجة مئوية.

كيفية اختيار طريقة التبريد المناسبة

كيفية اختيار طريقة التبريد المناسبة

  • أول شيء هو تحديد نوع ملف الحمل. يتطلب ملف الحمل الذي يستخدم بشكل مستمر متطلبات تبريد أعلى من ملف الحمل الذي يستخدم بشكل متغير. لذلك، قد يتم تحسين مرحلة التبريد لتشغيل المراوح فقط خلال أوقات الذروة بعد الظهر.
  • بعد ذلك، يجب أن تأخذ في الاعتبار تأثيرات البيئة المحيطة. إذا كانت بيئتك أكثر من 40 درجة مئوية أو كنت تقع في ارتفاع يزيد عن 1000 متر، ستحتاج إلى تخفيض التصنيف وفقًا لمعيار IEC 60076-2 أو توفير مرحلة تبريد إضافية.
  • تأكد من أنك تأخذ في الاعتبار متطلبات المساحة للمعدات. تتطلب بنوك المشعاع مساحة في الفناء ولكن تقنيات OFWF و ODWF تقلل من حجم البصمة على حساب أنظمة المياه.
  • الموثوقية ذات أهمية عالية. بالنسبة للبنية التحتية الحرجة، يجب تفضيل مراحل ONAN والمراوح البسيطة على المضخات كلما كان ذلك ممكنًا، طالما أن التصنيف يسمح بذلك.
  • كن على دراية بالتكلفة الإجمالية للملكية. تستهلك المحركات والمضخات الطاقة وتتطلب الصيانة. قد يكون لخزان ONAN الكبير تكلفة أقل من محرك مبرد قسري بسيط.
  • لا تنسَ طلب اختبار ارتفاع درجة الحرارة مع زيادة 65 ك (أو المطلوبة) في اللف، والتي يجب أن يتم تأكيدها بشهادة الاختبار بدلاً من أن تُفترض.

الصيانة والمراقبة

يحدث فشل أنظمة التبريد في صمت وعادة ما يتم الإشارة إليه بواسطة إنذار يتم تفعيله بسبب انخفاض درجة الحرارة. في الممارسة السليمة للتبريد، يتم تضمين عدد من الفحوصات لأجزاء الانهيار مثل شفرات المروحة، ومحركات المروحة، وحراس المروحة، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى فحص شهري لجميع الأجزاء المذكورة، يجب إجراء فحص ربع سنوي لختم المضخات ومؤشرات تدفق الزيت. جنبًا إلى جنب مع التصوير الحراري السنوي لبنوك المشعاع، هناك أيضًا حاجة لإجراء اختبار مكتوب لتشغيل المروحة التي تتحكم فيها مفتاح درجة الحرارة. بالنسبة للوحات التبريد الكبيرة، يجب تحليل قسم درجة حرارة اللف و DGA معًا؛ إذا كان هناك ارتفاع في نقطة ساخنة دون عطل في المروحة، فإنه يشير إلى وجود مشكلة داخل جزء داخلي من وحدة التبريد.

يجب أن تتطابق كمية الزيت في الحافظ مع تصميم التبريد. يمكن أن يؤدي حدوث مستوى زيت منخفض إلى وضع يحدث فيه التجويف، وهذا يمكن أن يكون خطرًا كبيرًا مقارنة بالسخونة الزائدة.

الأسئلة المتكررة

ماذا تعني ONAN و ONAF على لوحة اسم المحول؟

هذه تسميات مرتبطة بالتبريد وفقًا لـ IEC 60076-2. ONAN تعني الزيت الطبيعي والهواء الطبيعي، مما يعني التصميم القياسي المبرد ذاتيًا. تشمل تسمية ONAF مراوح المشعاع التي تساعد في تبريد المحول، وبالتالي تشير تسمية ONAF إلى زيادة القدرة التشغيلية، والتي تتراوح من 20% إلى 33% أعلى من تصميم التبريد الذاتي. لهذا السبب، يتم تصنيف محولات ONAN/ONAF مرتين.

كم يكلف إضافة تبريد بالهواء القسري إلى المحول؟

تكلفة تعديل ONAF على محول من فئة التوزيع تتراوح بين 1500-8000 دولار حيث أنها عادة ما تتضمن تركيب 2-6 مراوح، بالإضافة إلى تركيب الحراس، والمفاتيح، ومفاتيح التحكم في درجة الحرارة. يساعد استخدام الهواء القسري في رفع قدرة المحول بنسبة لا تقل عن 20-33.

هل يمكنني تحميل المحول بشكل زائد إذا قمت بتشغيل المراوح؟

يُسمح بالتحميل الزائد فقط حتى تصنيف ONAF وفقط إذا كانت درجة حرارة الهواء والارتفاع ضمن الحدود المقررة في المفهوم. الزيادة الفعلية في درجة الحرارة هي متطلب؛ وبالتالي، في حالة زيادة متوسط درجة الحرارة عن 65 ك، ستنخفض مدة حياة العزل.

ما الفرق بين تبريد OFAF و ODWF؟

الفرق يكمن في أن في OFAF، يتم تدوير الزيت عبر المبرد بينما في OFDA، يتم ضخ الزيت في قنوات تبريد اللف بواسطة تدفق الماء عبر مبادل الحرارة.

هل الارتفاع عن سطح البحر يؤثر حقًا على تبريد المحولات؟

بالفعل، يؤثر. فوق 1000 متر، تنخفض كثافة الهواء مما يجعل التبريد غير فعال جدًا.

المراجع

الخاتمة

تعتبر طرق تبريد المحولات من العوامل الحاسمة التي تحدد القدرة وعمر المحول. كلما قرأ المرء رمز التبريد المكون من 4 أحرف، وفهم مواصفات ارتفاع درجة الحرارة، واتخذ قرارًا بين التبريد الطبيعي، أو التبريد القسري، أو إضافة مروحة إلى أنظمة التبريد الحالية، فإن كل تلك المعلومات لها استخدام عملي في الهندسة.

  • ONAN هو المعيار الأساسي؛ ONAF يمثل تحسينًا ويتكون من 20-33% فوق ONAN مع تكاليف إضافية للتحديث تتراوح من $1,500 إلى $8,000.
  • يتم استخدام OFAF و ODWF للمحولات الكبيرة الحجم بسبب كثافات الحرارة.
  • يجب إثبات درجة الحرارة من خلال الاختبار وشهادتها مع ارتفاع درجة حرارة الملف بمقدار 65 كيلفن.
  • في حالة الارتفاعات العالية أو درجات الحرارة، يجب تقليل تصنيف المحولات أو تعزيز التبريد.