A metà luglio, un ingegnere di sottostazione si trova nel cortile dei trasformatori di una calda e polverosa città portuale del Medio Oriente, monitorando un segnale allarmante sullo schermo. La temperatura degli avvolgimenti ha raggiunto 118ºC e continua a salire su un trasformatore con un aumento di temperatura di 65 K e una capacità di 50 MVA. Sono passati meno di due anni dall'installazione e il trasformatore è stato sottoposto a carico elevato durante un'estate caldissima e da record. Sembra che il sistema di raffreddamento naturale a olio del trasformatore non riesca ad eliminare il calore dal serbatoio del trasformatore. L'ingegnere si trova di fronte al dilemma che ogni grande proprietario di trasformatori deve risolvere un giorno: potrebbe o retrofittare il sistema di raffreddamento del trasformatore, ridurne la potenza o essere pronto a una vita utile più breve dell'unità. Va notato che il raffreddamento non è solo una questione di manutenzione. È una considerazione ingegneristica che determina la capacità del serbatoio del trasformatore e la durata dell'isolamento elettrico.
L'articolo presenta tutte le tecnologie di raffreddamento dei trasformatori disponibili, inclusi il raffreddamento ONAN, il raffreddamento ONAF, il raffreddamento OFAF, il raffreddamento ODWF e nuove soluzioni come le soluzioni di retrofit ad aria e a tubo di calore.
In breve: i metodi di raffreddamento per i trasformatori sono definiti dai codici di quattro lettere della norma IEC: ONAN, ONAF, OFAF, OFWF e ODWF. Il limite termico è determinato dall'aumento medio massimo della temperatura degli avvolgimenti, solitamente 65 K per i trasformatori immersi in olio secondo IEC 60076-2 e IEEE C57.12.00. L'installazione di ventilatori ad aria forzata in un trasformatore ONAN di solito offre un aumento continuo della capacità di circa 20-33%; l'applicazione completa del raffreddamento ad olio forzato può aumentare l'erogazione di elettricità di 40-50% rispetto a un dispositivo a raffreddamento naturale.
Perché il raffreddamento determina l'uscita del trasformatore
I trasformatori trasformano l'energia elettrica in modo molto efficiente, ma anche l'1-3 % di potenza che viene convertita in calore implica un'enorme quantità di perdita. Ad esempio, un trasformatore con una potenza nominale di 50 MVA e funzionante con un'efficienza del 99 % ha una perdita di calore di circa 500 kW in modo continuo, sufficiente a riscaldare una piccola casa. Il calore generato ha solo un percorso da seguire: cioè attraverso il sistema di isolamento fino all'olio o all'aria, poi alla parete e ai radiatori del serbatoio e infine all'acqua o all'aria circostante. Questo processo di rimozione del calore stabilisce un limite superiore sulle prestazioni continue del trasformatore misurate in kVA.
Il calore è un nemico dei trasformatori. La principale causa dell'invecchiamento dell'isolamento segue il principio di Arrhenius: ogni aumento della temperatura di 6-10 K sopra la temperatura del punto caldo previsto dimezza la vita utile attesa dell'isolamento. Un trasformatore progettato per un aumento medio di temperatura di 65 K e che lavora a 80 K non solo avrà prestazioni significativamente peggiori, ma consumerà anche molto rapidamente la sua vita progettuale, facendogli perdere anni di vita ogni mese.
Decodificare il codice di raffreddamento e i principali metodi di raffreddamento
Il processo di raffreddamento è identificato secondo la nomenclatura standard a quattro lettere definita in IEC 60076-2 e IEEE C57.12.00: la prima lettera indica il mezzo estremamente importante che entra in contatto con gli avvolgimenti (o = olio, k = liquido con punto di infiammabilità superiore a 300°, a = aria), la seconda lettera ci informa sul modo in cui questo mezzo è circolato (n = naturalmente, f = circolazione forzata artificiale, d = circolazione diretta), la terza lettera si riferisce al mezzo con cui l'apparecchiatura interagisce (a = aria, w = acqua) e l'ultima lettera si riferisce al modo in cui avviene la circolazione (n = naturalmente, f = artificialmente).
| Codice di Raffreddamento | Come funziona | Potenza Tipica vs. ONAN | Dimensione Tipica del Trasformatore |
|---|---|---|---|
| ONAN | L'olio circola per convezione naturale; il calore si irradia nell'aria ferma | Linea di base | Fino a ~5 MVA (monostadio); le unità grandi sono classificate ONAN a carico ridotto |
| ONAF | Aggiunge ventilatori radiatori; aria soffiata sulle superfici di raffreddamento | +20 a +33% | 5-100 MVA |
| OFAF | Le pompe dell'olio forzano la circolazione; i ventilatori forzano l'aria sui radiatori | +40 a +50% | 50-300 MVA |
| OFWF | Olio pompato attraverso uno scambiatore di calore raffreddato ad acqua | +40 a +50%, ingombro compatto | Grandi unità dove l'acqua è disponibile |
| ODWF / ODAN / ODAF | Flusso diretto dell'olio attraverso i canali degli avvolgimenti; ventilatori o acqua esternamente | Fino a +60% sul design diretto | 100 MVA e oltre |
Le classificazioni multi-stadio sono comunemente utilizzate nell'acquisto di trasformatori di potenza, ad esempio ONAN/ONAF/ONAF o la combinazione di ONAN/ONAF/ONAF/ONAF, e consentono agli operatori di attivare i ventilatori man mano che il carico aumenta. Ad esempio, un trasformatore con una potenza di 60 MVA può essere classificato a 40 MVA come ONAN, a 50 MVA come ONAF e a 60 MVA, con tutti i ventilatori attivi. I ventilatori utilizzati sono solitamente ventilatori assiali che consumano da 0,75 kW a 3 kW di potenza, una quantità trascurabile rispetto ai carichi che supportano, ammontando a diverse centinaia fino a migliaia di dollari per installazione, ventilatore incluso.
ONAN vs. ONAF vs. OFAF vs. ODWF
| Caratteristica | ONAN | ONAF | OFAF | ODWF |
|---|---|---|---|---|
| Parti in movimento | Nessuno | Solo ventilatori | Pompe + ventilatori | Pompe + sistema ad acqua |
| Gamma di potenza tipica | Fino a 5-10 MVA | 5-100 MVA | 50-300 MVA | 100 MVA e oltre |
| Costo per MVA | Più basso | Moderato | Maggiore | Più alto |
| Affidabilità / manutenzione | Massima; nulla da guastare | I motori dei ventilatori necessitano di attenzione | Aggiunti guarnizioni e motori delle pompe | Rischio di perdite d'acqua e contaminazione |
| Impronta | Grandi banchi radiatori | Radiatori compatti + ventilatori | Compatto con pompe | Il più compatto |
| Rumore | Più basso | Rumore del ventilatore | Rumore della pompa + ventilatore | Rumore della pompa + acqua |
È semplice comprendere i compromessi ingegneristici qui: ogni stadio di raffreddamento forzato aggiuntivo fornisce MVA aggiuntivi per unità di volume del serbatoio, ma comporta l'aggiunta di attrezzature che possono guastarsi, consumare energia o produrre rumore. ONAN è ancora l'opzione più comune, poiché non ha modalità di guasto oltre al trasformatore, mentre ONAF è l'opzione predefinita grazie a ventilatori economici, testati e facilmente retrofittabili; OFAF e ODWF sono utilizzati solo per grandi trasformatori, quando serbatoi e densità di calore non lasciano altre opzioni.
Classi di Aumento della Temperatura e Limiti
| Parametro | Valore Tipico IEC 60076-2 | Valore Tipico IEEE C57.12.00 |
|---|---|---|
| Massima variazione media dell'avvolgimento (immerso nell'olio) | 65 K | 55 K (OA), 65 K (FA) |
| Massima variazione della temperatura del punto caldo dell'avvolgimento | 78 K (punto caldo a 85°C, 7 K di tolleranza ambientale) | 80 K |
| Massima variazione della temperatura dell'olio superiore | 60 K | 55-65 K per classe |
| Temperatura ambiente di progetto | Media 30°C, max 40°C | Media 30°C, max 40°C |
| Limite massimo della temperatura del punto caldo | 98°C (avvolgimento), 105°C (olio) | 110°C continuo |
Questi valori fanno parte di un accordo o contratto con un formato. Se un trasformatore non supera il test di valutazione dell'aumento di temperatura in fabbrica, allora non ha rispettato le condizioni della specifica e la certificazione deve includere l'aumento di temperatura misurato. Quando si tiene conto dell'altitudine (1.000 m o superiore) o di temperature ambientali elevate (più o meno 40 gradi Celsius), allora i fattori devono essere controllati nella IEC 60076-2, il motivo è che i dispositivi dovranno essere derating nel clima più caldo e quindi saranno diversi dai dispositivi che saranno utilizzati in un clima moderato.
Per comprendere come le diverse fasi di raffreddamento influenzano il processo | lo stesso trasformatore da 25 MVA è stato considerato con diverse condizioni e processi, in modo che si possa realizzare la peculiarità quando i fornitori forniscono offerte irrealistiche:
| Modalità di raffreddamento | Valutazione continua (25 MVA serbatoio) | Aumento a 25°C ambiente | Aumento a 40°C ambiente | Derating necessario a 40°C |
|---|---|---|---|---|
| ONAN (naturale) | ~15 MVA | 52 K olio superiore | 67 K olio superiore | ~12% |
| ONAF (ventilatori accesi) | ~20 MVA | 48 K olio superiore | 63 K olio superiore | ~8% |
| OFAF (pompe + ventilatori) | ~25 MVA | 44 K olio superiore | 59 K olio superiore | ~5% |
| ODWF (diretto + acqua) | ~30 MVA | 40 K olio superiore | 55 K olio superiore | ~5% |
Aggiornamento e potenziamento delle unità esistenti
La conversione da servizio ONAN a ONAF è spesso il metodo di aggiornamento preferito perché di solito è più economico rispetto all'acquisto di un trasformatore più grande.
Controllare il design termico. Ottenere conferma dal produttore se i radiatori e il punto caldo negli avvolgimenti possono gestire il calore extra. Alcuni serbatoi richiederanno una superficie radiatore extra anche con l'installazione di ventilatori.
- Installare una batteria di ventilatori. Il costo rientrerà solitamente tra $1500 e $8000 e includerà 2-6 ventilatori assiali, protezioni, telai di montaggio, cablaggio oltre ai contattori, mentre l'installazione richiederà 2-4 giorni di inattività.
- Dotare di commutazione controllata dalla temperatura. I ventilatori dovrebbero iniziare a funzionare da un segnale di temperatura dell'olio superiore mentre si spengono automaticamente in base a un timer o a un abbassamento della temperatura per evitare un funzionamento ciclico rapido.
- Aggiornare la targa e la protezione. La nuova valutazione combinata deve essere inclusa nelle impostazioni del relè così come nei registri di manutenzione.
- Commissionare con prova di calore. Sarebbe consigliabile ripetere il test di aumento di temperatura alla nuova valutazione per garantire che l'aumento dell'avvolgimento di 65 K sia rispettato.
Andare oltre ONAF e utilizzare la circolazione forzata dell'olio richiede maggiori sforzi, poiché comporta l'aggiunta di pompe per olio e la modifica della tubazione del serbatoio. Questa opzione è considerata quando si trattano trasformatori che superano i 30 MVA. Le conversioni raffreddate ad acqua (OFWF) potrebbero essere possibili, ma in realtà non offrono molti vantaggi poiché sono collegate al rischio di perdite.
Raffreddamento dei Trasformatori di Tipo Secco
I trasformatori di tipo secco sono caratterizzati dall'uso dell'aria per il raffreddamento e dalla conformità a codici particolari che includono AN (Aria Naturale) o AF (Aria Forzata). In termini di rimozione del calore, i trasformatori di tipo secco non includono olio e quindi si basano sull'area delle loro bobine incapsulate o avvolte. La capacità dei trasformatori di tipo secco è relativamente inferiore rispetto ai modelli riempiti d'olio. Ad esempio, i trasformatori in resina colata tipici possono raggiungere una capacità massima fino a 3-10 MVA. I trasformatori di tipo secco possono essere categorizzati in due classi di aumento di temperatura secondo la norma IEC 60076-11: Classe F (che aumenta di 100K per raggiungere una temperatura di 155°C) e Classe H (che aumenta di 125K per raggiungere una temperatura di 180°C).
L'implementazione del raffreddamento ad aria forzata aggiunge un paio di centinaia di dollari per la ventola e aumenta la capacità nominale del trasformatore di circa 25 a 30%. Il principale vantaggio dei trasformatori di tipo secco è l'assenza di olio nel processo operativo. Tuttavia, l'uso dell'aria come mezzo di raffreddamento presenta anche alcuni svantaggi, come la necessità di una ventilazione adeguata e un sistema costoso per la gestione della polvere.
Quale Metodo di Raffreddamento per Quale Applicazione
- Trasformatori di distribuzione superiori a 2,5 MVA – In questo caso, ONAN è il metodo standard utilizzato per la maggior parte delle applicazioni. Può essere utilizzato, tuttavia, nel caso in cui ci sia una presenza di carico industriale picco, consentendo l'uso di ONAF.
- Trasformatori di potenza – A questo punto, il metodo ONAN potrebbe essere utilizzato con alcune ventole per fornire un ambiente di raffreddamento appropriato.
- I grandi trasformatori di potenza (oltre 100 MVA) sono di tipo OFAF, quindi vengono utilizzate pompe per olio e sistemi di flusso forzato per questi dispositivi.
- DISTRETTI OFFSHORE E LUOGHI AFFOLLATI – Un tipo OFWF dovrebbe essere preferito quando ci sono risorse idriche, riducendo le dimensioni del sistema.
- Gli edifici commerciali interni trattano unità di tipo secco utilizzando metodi AN e AF, poiché l'olio e il codice antincendio interno non vanno bene insieme.
- Climi caldi e basi ad alta quota richiedono la necessità di implementare un ulteriore livello di raffreddamento e/o derating poiché l'aria circostante non è in grado di assorbire molto calore.
Confronto tra marche e prezzi
| Marca | Origine | Tecnologie di raffreddamento offerte | Fascia di prezzo approssimativa (1 MVA ONAN) |
|---|---|---|---|
| ABB | Svizzera/Svezia | Gamma completa, esperienza ODWF e flusso diretto | $10,000-$25,000 |
| Siemens | Germania | Grandi unità di potenza, ONAF/OFAF a stadi | $11,000-$28,000 |
| Hitachi Energy | Svizzera | Trasformatori di potenza con raffreddamento avanzato | $12,000-$30,000 |
| Schneider Electric | Francia | Unità di distribuzione e di tipo secco AF | $9,000-$22,000 |
| Eaton / GE | USA | Distribuzione ONAN/ONAF | $7,000-$18,000 |
| Jiangsu Subian Energia Elettrica | Cina | ONAN, ONAF, valutazioni a stadi, tipo secco AN/AF | $5,000-$14,000 |
I leader di mercato come ABB, Siemens, Hitachi Energy e Schneider Electric sono i principali attori nel settore dei trasformatori di potenza su larga scala con i loro progetti ODWF/OFAF che vengono utilizzati come benchmark nel settore. In particolare, produttori come Jiangsu Subian Electric Power sono noti per le loro unità ONAN e ONAF a stadi progettate per le classi più piccole da 0,5 a 10 MVA che interessano la maggior parte dei clienti. Le loro unità sono state testate secondo la IEC 60076-2 e ricevono certificati che verificano che i laboratori di aumento della temperatura possono misurare l'aumento della temperatura dei loro trasformatori. Subian spedisce i suoi prodotti in tutto il mondo; può produrre serbatoi e radiatori secondo le specifiche del cliente a prezzi che sono inferiori del 40 al 60% rispetto ai prezzi quotati dai suoi concorrenti europei. I clienti che necessitano di retrofitting della batteria di ventole dovrebbero verificare con Subian le specifiche tecniche per la tecnologia della superficie del radiatore e le scelte delle pompe, poiché quando la temperatura ambiente è alta come 40 gradi Celsius, queste specifiche sono più importanti del prezzo.
Come scegliere il metodo di raffreddamento giusto
- La prima cosa è definire il tipo di profilo di carico. Un profilo di carico con utilizzo costante ha un requisito di raffreddamento più elevato rispetto a un profilo di carico con utilizzo variabile. Pertanto, una fase di raffreddamento potrebbe essere ottimizzata per far funzionare le ventole da sole durante i picchi pomeridiani.
- Successivamente, dovrai considerare gli effetti dell'ambiente. Se il tuo ambiente è superiore a 40 gradi Celsius o ti trovi a un'altitudine superiore a 1000 metri, dovrai derating secondo la IEC 60076-2 o fornire una fase di raffreddamento aggiuntiva.
- Assicurati di tenere conto dei requisiti di spazio dell'attrezzatura. Le batterie di radiatori richiedono spazio nel cortile, ma le tecnologie OFWF e ODWF riducono le dimensioni dell'impronta a scapito dei sistemi idrici.
- L'affidabilità è di grande importanza. Per le infrastrutture critiche, le fasi ONAN e le ventole semplici dovrebbero essere favorite rispetto alle pompe ogni volta che è possibile, purché la valutazione lo consenta.
- Fai attenzione al costo totale di proprietà. I motori e le pompe consumano energia e richiedono manutenzione. Un grande serbatoio ONAN potrebbe avere un costo inferiore rispetto a un motore raffreddato forzatamente semplice.
- Non dimenticare di richiedere un test di aumento della temperatura con aumenti di avvolgimento di 65 K (o desiderati) attestati dal certificato di prova piuttosto che presunti.
Manutenzione e Monitoraggio
Il guasto dei sistemi di raffreddamento si verifica in silenzio ed è tipicamente indicato da un allarme attivato dalla caduta della temperatura. Nella pratica di raffreddamento corretta, sono incluse una serie di ispezioni delle parti soggette a rottura come le pale delle ventole, i motori delle ventole, le protezioni delle ventole e così via. Oltre a un controllo mensile di tutte le parti menzionate, dovrebbe essere eseguito un controllo trimestrale delle guarnizioni delle pompe e degli indicatori di flusso dell'olio. Insieme alla termografia annuale delle batterie di radiatori, è anche necessario effettuare un test scritto dell'avviamento automatico della ventola controllata da interruttore di temperatura. Per quanto riguarda i grandi pannelli di raffreddamento, la sezione della temperatura di avvolgimento e il DGA dovrebbero essere analizzati insieme; se c'è un aumento di un punto caldo senza malfunzionamento della ventola, indica un problema all'interno di una parte interna dell'unità di raffreddamento.
La quantità di olio nel conservatore dovrebbe corrispondere al design di raffreddamento. L'insorgere di un basso livello di olio può portare a una situazione in cui si verifica la cavitazione e questo può essere di grande pericolo rispetto al surriscaldamento.
Domande frequenti
Cosa significano ONAN e ONAF su una targhetta di trasformatore?
Queste sono designazioni collegate al raffreddamento secondo IEC 60076-2. ONAN sta per olio naturale e aria naturale, il che significa il design standard auto-raffreddato. La designazione ONAF include le ventole del radiatore che aiutano a raffreddare il trasformatore, e quindi la designazione ONAF denota la capacità operativa aumentata, che è da 20% a 33% superiore a quella del design auto-raffreddato. Per questo motivo, i trasformatori ONAN/ONAF sono classificati due volte.
Quanto costa aggiungere il raffreddamento ad aria forzata a un trasformatore?
Il retrofit di un ONAF su un trasformatore di classe distribuzione costa tra 1500 e 8000 dollari poiché di solito comporta l'installazione di 2-6 ventole, oltre all'installazione delle protezioni, dei contattori e degli interruttori di controllo della temperatura. L'uso dell'aria forzata aiuta ad aumentare la capacità del trasformatore di almeno 20-33.
Posso sovraccaricare un trasformatore se accendo le ventole?
I sovraccarichi sono consentiti solo fino alla classificazione ONAF e solo se la temperatura dell'aria e l'elevazione sono entro i limiti prescritti nel concetto. L'aumento effettivo della temperatura è un requisito; quindi, in caso di aumento della temperatura media superiore a 65K, la vita utile dell'isolamento sarà ridotta.
Qual è la differenza tra il raffreddamento OFAF e ODWF?
La differenza consiste nel fatto che nell'OFAF, l'olio è circolato attraverso il radiatore mentre nell'OFDA, l'olio è pompato nei canali di raffreddamento degli avvolgimenti mediante flusso d'acqua attraverso lo scambiatore di calore.
L'altitudine conta davvero per il raffreddamento del trasformatore?
Infatti, sì. Al di sopra di 1000 metri, la densità dell'aria diminuisce, rendendo il raffreddamento molto inefficiente.
Riferimenti
- IEC 60076-1 — Trasformatori di Potenza, Requisiti Generali — Specifica master per valutazioni e perdite.
- IEC 60076-2 — Trasformatori di potenza, Aumento di temperatura — Lo standard che definisce i codici di raffreddamento e i limiti di aumento di temperatura.
- IEEE C57.12.00 — Requisiti generali per trasformatori immersi in liquido — Codice di raffreddamento nordamericano e baseline di aumento di temperatura.
- IEC 60076-11 — Trasformatori a secco — Classi termiche per unità raffreddate ad aria.
- Hitachi Energy — Prodotti per trasformatori — Riferimento per le valutazioni di raffreddamento a fasi sui grandi trasformatori di potenza.
- Trasformatori ABB — Riferimento del settore per le opzioni di tecnologia di raffreddamento e schede tecniche.
- Trasformatori Siemens Energy — Documentazione sul raffreddamento e sull'aggiornamento per i trasformatori di potenza.
Conclusione
I raffreddamenti dei trasformatori agiscono come fattori decisivi importanti che determinano la potenza e la durata del trasformatore. Ogni volta che si legge il codice di 4 lettere per il raffreddamento, si comprendono le specifiche dell'aumento di temperatura e si fa una scelta tra raffreddamento naturale, raffreddamento forzato o aggiunta di una ventola ai sistemi di raffreddamento esistenti, tutte queste informazioni hanno un uso pratico in ingegneria.
- ONAN è lo standard di base; ONAF rappresenta un miglioramento e consiste in 20-33% rispetto all'ONAN con costi aggiuntivi di retrofitting da $1,500 a $8,000.
- OFAF e ODWF sono utilizzati per trasformatori di grandi dimensioni per le densità di calore.
- La temperatura deve essere dimostrata attraverso il test e certificata con l'aumento di temperatura dell'avvolgimento di 65 K.
- In caso di alta quota o temperature elevate, i trasformatori devono essere derating o il raffreddamento deve essere rinforzato.