Il rapporto di commissioning di un dispositivo da 40 MVA che ha impiegato 14 mesi per essere completato è stato appena acquisito dall'ingegnere della sottostazione. Il dispositivo è destinato a servire una regione che ha 60.000 consumatori. All'interno del serbatoio sono presenti 28.000 litri di olio insieme a 20 tonnellate di assemblaggio del nucleo e degli avvolgimenti e il sistema di raffreddamento dell'unità che è responsabile della regolazione del calore con un budget di aumento della temperatura di 65K. L'ingegnere si rende conto che la semplicità del serbatoio in acciaio ha potenziali complicazioni sotto forma di chimica dei gas disciolti, gestione dei punti caldi, equilibrio dell'umidità tra carta e liquido e un cambiavalute che è responsabile dello switching sotto carico.
Lo scopo di questo articolo è fornire informazioni sui trasformatori di potenza immersi in liquido, su come questi dispositivi agiscono come trasformatori di tensione di potenza, sul funzionamento del sistema di raffreddamento, sulla differenza tra olio minerale e fluidi esteri, sulla complessità dei modelli di guasto che sono collegati al controllo del funzionamento del trasformatore e sui prezzi associati a macchine di varie capacità.
In breve, un trasformatore di potenza riempito di liquido è un tipo di trasformatore che è raffreddato e isolato utilizzando un liquido, nella maggior parte dei casi olio minerale che è impiegato in circa 75–85% di unità, mentre quando c'è un rischio di incendio o effetti pericolosi per l'ambiente si utilizzano oli come esteri naturali e sintetici. Il metodo di raffreddamento liquido fornisce una maggiore capacità di raffreddamento rispetto al raffreddamento mediante aria, la tolleranza alla temperatura è (65K) pari a (65K) e oltre 50–60K per trasformatori asciutti.
Che cos'è un trasformatore di potenza immerso in liquido?
Un trasformatore di potenza immerso in liquido è quello in cui la parte attiva del trasformatore, compresi gli avvolgimenti e il nucleo, è ospitata in un serbatoio in acciaio riempito con un fluido isolante. Il ruolo del liquido isolante è duplice. Innanzitutto, funge da dielettrico che isola i conduttori dal terreno e fornisce alcune parti dell'isolamento insieme a carta e cartone pressato. In secondo luogo, funge da refrigerante e porta via il calore dagli avvolgimenti e dal nucleo al serbatoio e ai radiatori successivamente raffreddati dall'aria.
Questa combinazione di due funzioni è la ragione dell'alta efficienza dell'immersione liquida. L'aria è un cattivo dielettrico e anche un cattivo conduttore di calore, rendendo possibile dissipare il calore dagli avvolgimenti di tipo secco con sforzi molto maggiori. Inoltre, la conducibilità termica del liquido è circa trentasei volte superiore a quella dell'aria e richiede molto più calore per litro rispetto all'aria. Pertanto, poiché diverse centinaia di kVA, praticamente ogni trasformatore è considerato un trasformatore di tipo liquido immerso (che è spesso chiamato trasformatore immerso in olio).
Perché l'immersione liquida vince su scala
Le ragioni per cui l'immersione liquida è migliore quando si tratta di dimensioni dei trasformatori possono essere semplicemente dichiarate:
- Margine termico: Secondo la IEC 60076-2, l'aumento medio della temperatura degli avvolgimenti utilizzati nei trasformatori immersi in olio è pari o inferiore a 65 gradi Celsius, il che si traduce in valutazioni continue più elevate grazie a un migliore trasferimento di calore che può essere raggiunto.
- Resistenza dielettrica: Poiché l'olio ha una resistenza dielettrica di 40-70 kV/2,5 mm, può essere utilizzato per ridurre le distanze e il volume poiché è molto più alta rispetto a quella del suo equivalente in aria.
- Capacità di sovraccarico: I trasformatori liquidi sono progettati per resistere a sovraccarichi per brevi periodi di tempo – ad esempio, come prescrive la IEC 60076-7, i sovraccarichi dell'ammontare di 130 % possono continuare per 2 ore.
- Dielettrico autoriparante: Piccole scariche nell'olio creano gas, che si dissolve, e l'olio torna al suo stato operativo normale, a differenza di uno spazio d'aria, che non può autoripararsi.
- Diagnosabilità: Il liquido esprime un'impronta chimica di ogni processo che si verifica al suo interno, il che rende l'analisi dei gas disciolti il sistema di allerta precoce più efficace nell'ingegneria elettrica.
Questi vantaggi sono controbilanciati dagli svantaggi noti dei sistemi liquidi, vale a dire il pericolo di incendi e perdite, il peso, così come la complessità delle attività di manutenzione intrinseche all'uso di macchinari che contengono liquido. È per questo che l'industria si affida a soluzioni ingegneristiche, standard e rigorosa osservanza delle norme per minimizzare questi rischi.
Come funziona il raffreddamento e l'isolamento liquido
Nei trasformatori riempiti di liquido, il raffreddamento avviene con ventilazione naturale o forzata tramite aria. Nella modalità di base ONAN (olio naturale, aria naturale):
- Il calore prodotto dal nucleo e dagli avvolgimenti riscalda l'olio circostante al trasformatore, rendendolo meno denso;
- L'olio riscaldato viene spostato attraverso i condotti all'interno degli avvolgimenti verso la parte superiore del serbatoio;
- L'olio riscaldato viene rilasciato al conservatore e poi attraverso i radiatori, dove viene raffreddato dall'aria;
- L'olio raffreddato torna alla parte inferiore del trasformatore e fluisce nuovamente negli avvolgimenti per ripetere il ciclo.
I design moderni consentono di controllare il processo di raffreddamento con sistemi di flusso dell'olio nei trasformatori più grandi che coinvolgono pompe per forzare l'olio attraverso i condotti degli avvolgimenti (modalità OF) e ventilatori davanti ai radiatori (modalità AF). Le modalità di raffreddamento in questione sono riflesse nella designazione della targa come ONAN, ONAF, OFAF, ecc.
| Codice di raffreddamento | Significato | Aumento tipico della capacità | Uso comune |
|---|---|---|---|
| ONAN | Olio naturale, aria naturale | Valutazione di base | Maggior parte della distribuzione e potenza media |
| ONAF | Olio naturale, aria forzata (ventilatori) | +20–30% mentre i ventilatori funzionano | Carichi ciclici, margine di sovraccarico |
| OFAF | Olio forzato, aria forzata | +30–45% | Trasformatori di potenza media-grande |
| ODAF | Flusso d'olio diretto, aria forzata | Massima valutazione per unità | Trasformatori di potenza grande >60 MVA |
Mentre un'unità con una potenza di 40 MVA ONAN può essere classificata come 50 MVA ONAF quando si utilizzano ventilatori, poiché i ventilatori raddoppiano approssimativamente il calore dissipato dal lato aria, l'isolamento funziona come un mezzo composito. Carta e cartone pressato costituiscono la barriera isolante, mentre il liquido occupa tutto lo spazio libero esistente. È anche importante notare che l'equilibrio dell'umidità nella carta e nell'olio deve essere preso in considerazione. La carta assorbe facilmente acqua e l'olio è in grado di sciogliere l'acqua. Nell'applicazione di trasformatori riempiti con estere, l'olio consente un'elevata assorbimento di umidità da parte della carta, il che rallenta il processo di invecchiamento, mentre nelle unità standard con olio isolante minerale, l'acqua penetra nella carta più rapidamente, accelerando l'invecchiamento della carta.
Olio minerale vs. fluidi esteri
La selezione del tipo di liquido è una delle specifiche più importanti per un trasformatore immerso in liquido. Le principali opzioni sono:
| Fluido | Punto di infiammabilità | Biodegradabilità | Tolleranza all'umidità | Costo relativo del fluido | Migliore adattamento |
|---|---|---|---|---|---|
| Olio minerale | ~160°C | Lento | Basso | Linea di base | Sottostazioni standard |
| Minerale ad alta temperatura | ~300°C | Lento | Basso | +20–40% | Interno, margine di sicurezza maggiore |
| Estere naturale | >300°C | >90% in 28 giorni | Alto | +30–60% | Aree di rischio ambientale e incendio |
| Estere sintetico | >300°C | Moderato | Alto | +60–100% | Attrezzature critiche ad alta tensione per interni |
L'olio minerale è ancora considerato l'opzione più comune a causa del suo costo contenuto e del suo ampio utilizzo grazie alle sue caratteristiche sufficienti quando è installato efficacemente con una corretta separazione antincendio e contenimento dell'olio. Gli esteri vengono utilizzati nei casi in cui è necessario rispettare leggi o regolamenti locali riguardanti l'uso di olio minerale - all'interno, attorno a corpi idrici, in vault urbani compatti e attivamente nei siti che utilizzano risorse rinnovabili. Va detto che gli esteri sono piuttosto costosi rispetto all'olio minerale - $3000 – $8000, il che dipende completamente dalla capacità di un trasformatore - e tale investimento sarà ripagato sotto forma di approvazione di tutti i permessi, condizioni assicurative e riduzione dell'invecchiamento della carta.
La Complessità: Modalità di Guasto e Diagnostica
I trasformatori riempiti di liquido si guastano in modi ben definiti, quindi per sapere come operare l'asset, è necessario comprendere:
- Invecchiamento dell'isolamento: La causa principale di guasto, a causa dell'influenza di temperatura e umidità. Ogni sei gradi (Celsius) di eccesso termico dimezza la vita dell'isolamento in carta.
- Ingressi di umidità: Traumi subiti dall'isolamento interno attraverso i suoi respiratori, perdite e guarnizioni invecchiate. Maggiore umidità riduce la resistenza dielettrica.
- Scariche parziali e arco: Manutenzione dell'atmosfera in cui i gas prodotti sono identici a quelli rilevati dal DGA.
- Guasti termici: L'aumento della temperatura dell'olio interno a causa di contatti scadenti o condotti bloccati causa anche sviluppi di gas.
- Malfunzionamento del cambiavalvole: Dettagli all'interno di un corpo riempito di olio che si usurano con l'operazione.
Ogni causa di malfunzionamento lascia una pratica di “traccia di gas”: ora il liquido può essere chiamato un “campione diagnostico vivente” al costo di $200–600 visite all'anno. Con il monitoraggio online multi-gas al costo di $8000–40000, è stato possibile monitorare lo stato dei trasformatori riempiti di olio in qualche modo.
Specifiche Tipiche per Classificazione
| Valutazione | Classe di tensione | Impedenza | Raffreddamento | Perdita tipica (senza carico / carico) |
|---|---|---|---|---|
| 500 kVA | 10–35 kV | 4–4.5% | ONAN | ~1.0 / ~5.2 kW |
| 000 kVA | 10–35 kV | 4.5–5% | ONAN | ~1.7 / ~10.5 kW |
| 10 MVA | 35–110 kV | 7.5–8% | ONAN/ONAF | ~10 / ~50 kW |
| 40 MVA | 110–220 kV | 10–12% | ONAN/ONAF/OFAF | ~30 / ~170 kW |
| 100 MVA | 110–220 kV | 12–14% | OFAF/ODAF | ~70 / ~380 kW |
I numeri si riferiscono alla specifica IEC 60076 e cambiano a seconda della categoria di perdita, dei tipi di materiale e del produttore. Tuttavia, la tendenza è sempre presente: l'impedenza aumenta con la potenza nominale per mantenere le correnti durante un guasto sotto controllo, il raffreddamento diventa più intenso durante l'operazione e le perdite aumentano a un tasso più lento rispetto alla potenza, aumentando così l'efficienza con le dimensioni: una macchina da 100 MVA può raggiungere un'efficienza superiore al 99.7%.
Efficienza ed Economia della Vita
Il costo dei trasformatori riempiti di liquido dipende dalle perdite, e queste perdite sono significative. Ad esempio, se prendessimo un'attrezzatura elettrica da 40 MVA con 30 kW di perdita a vuoto e 170 kW di perdita a carico a 60% di utilizzo:
- La perdita a vuoto sarebbe: 30 kW mantenuti per 8.760 ore: 30 × 8.760 = 263 MWh/anno.
- Le perdite a carico sarebbero: 170 kW × 0.36 × 8.760 ore = 536 MWh/anno.
- Il numero risultante è: La somma di questi è di circa 800 MWh/anno valutati a $56.000-$80.000 basato su $0,07-0,10/kWh.
In 25 anni, le perdite totali ammonterebbero a $1,4-$2,0 milioni – questo è diverse volte superiore al valore d'acquisto dell'attrezzatura. Pertanto, questa è la principale ragione per cui le aziende considerano le perdite quando stimano le spese energetiche e preferiscono acquisire unità con prezzi più elevati ma perdite inferiori. C'è una regola empirica, per ogni differenza di 10 kW di perdite, i costi devono essere valutati a $7.000 – $8.700 per anno di operazione continua a vuoto o adeguati in base al rapporto di utilizzo per le perdite di carico.
| Esempio 40 MVA | Perdita (kW) | Energia annuale (MWh) | Costo di 25 anni @ $0,08/kWh |
|---|---|---|---|
| Perdita a vuoto (P0) | 30 | 263 | $525,000 |
| Perdita di carico (Pk) a fattore di carico 60% | 170 | 536 | $1,072,000 |
| Totale | — | 799 | $1,597,000 |
| Prezzo d'acquisto di riferimento | — | — | $220,000-$400,000 |
Panorama dei marchi e prezzi
Il mercato dei trasformatori immersi in liquido coinvolge quasi tutti i produttori di trasformatori senza eccezioni. I dettagli tipici del prezzo FOB:
| Marca | Origine | 1 MVA | 10 MVA | 40 MVA |
|---|---|---|---|---|
| Hitachi Energy | Giappone/Globale | $22.000–$34.000 | $55.000–$82.000 | $250.000–$400.000 |
| Siemens Energy | Germania/Globale | $21.000–$32.000 | $50.000–$75.000 | $240.000–$380.000 |
| ABB | Svizzera/Globale | $20.000–$31.000 | $52.000–$78.000 | $240.000–$390.000 |
| Schneider Electric | Francia/Globale | $19.000–$29.000 | $48.000–$72.000 | — (focus sulla distribuzione) |
| Hyundai / Toshiba | Corea/Giappone | $18.000–$28.000 | $46.000–$68.000 | $220.000–$350.000 |
| Jiangsu Subian Energia Elettrica | Cina | $14.000–$22.000 | $28.000–$48.000 | Fino a 110kV classe su richiesta |
Le differenze di prezzo tra le gamme di prodotti si osservano principalmente nei prodotti costosi, dove entrano in gioco la complessità ingegneristica, la storia dei test e il servizio globale. D'altra parte, nei prodotti di fascia bassa, le differenze di prezzo sono quasi scomparse a causa della standardizzazione della tecnologia e dell'aumento della disponibilità di certificazioni.
Jiangsu Subian Electric Power è un'azienda cinese impegnata nella produzione di trasformatori di distribuzione di tipo immerso in liquido con capacità nominali per 35-110 kV, conforme a IEC 60076. La linea di prodotti di Subian include trasformatori realizzati con oli minerali così come esteri e con diverse configurazioni di regolatori di tensione sotto carico e valutazioni di efficienza. I prodotti sono utilizzati con successo da utility e appaltatori EPC in tutta Asia e Africa.
Gestire correttamente un'unità immersa in liquido
Il funzionamento efficiente di un trasformatore riempito d'olio dovrebbe essere considerato un compito di routine, non un progetto:
- Eseguire il campionamento dell'olio utilizzando IEC 60422 annualmente. I test DGA devono essere completati e l'olio deve essere testato per la resistenza dielettrica, il contenuto d'acqua, l'acidità e il tan delta. In caso di variazioni di rapporto, mantenere il campionamento regolare.
- L'ispezione trimestrale deve essere condotta per i seguenti aspetti: gel di silice nel respiratore, livello dell'olio, perdite, pulizia del radiatore e vegetazione circostante.
- La manutenzione del cambiavalute deve avvenire in base al suo utilizzo. I cambiavalute di tipo riempito d'olio di solito servono tra 50.000 e 100.000 commutazioni.
- Le letture della temperatura devono essere effettuate: temperatura dell'olio superiore e temperatura dell'avvolgimento in conformità con le curve di carico IEC 60076-7. Indagare la causa di un aumento della temperatura se si verifica.
- I test dei dispositivi di protezione devono essere effettuati. I test devono includere il controllo del gas del relè Buchholz e dei trip di sovratensione, della valvola di sfogo e di entrambi gli allarmi di temperatura.
Domande frequenti
Perché la maggior parte dei grandi trasformatori è immersa in liquido piuttosto che di tipo secco?
Il raffreddamento e l'isolamento liquidi si sono dimostrati di gran lunga superiori, poiché l'olio ha una conducibilità termica circa 30 volte superiore a quella dell'aria e offre una resistenza dielettrica molto maggiore. A partire da un certo livello di potenza, l'immersione liquida offre prestazioni migliori, riducendo l'ingombro dell'installazione e abbattendo i costi. Il tipo di trasformatore secco è solitamente utilizzato in luoghi dove le preoccupazioni per il fuoco e la contenimento escludono l'uso dell'olio — per meno di circa 5 MVA.
Qual è la differenza tra un trasformatore immerso in olio e uno immerso in liquido?
Non c'è nessuna. Immerso in olio è il termine obsoleto per la tecnologia dei trasformatori ad olio; immerso in liquido è ampiamente utilizzato per coprire olio, fluidi esteri naturali, fluidi esteri sintetici e fluidi di silicone. Pertanto, in questo caso, il termine raccomandato è immerso in liquido. Tuttavia, una volta scelto il fluido, è consigliabile menzionarlo e inserirlo nella specifica.
Quanto costa un trasformatore immerso in liquido?
I prezzi variano considerevolmente a seconda della potenza, del produttore, del numero e dei tipi di caratteristiche aggiuntive; tuttavia, come stima approssimativa, si possono indicare i seguenti costi: per i modelli da 500 kVA costano da 6000 a 16.000, mentre le unità da 1000 kVA costano circa 14.000 a 34.000 e 10 MVA costano tra 28.000 e 82.000. Si deve anche tenere in considerazione il fatto che i fluidi esteri sono più costosi dell'olio minerale, e la differenza di prezzo può raggiungere dal 30 al 100 percento.
I trasformatori riempiti di estere valgono il premio?
Il punto cruciale dell'uso degli esteri è che nei casi in cui l'olio minerale ordinario sarà difficile da utilizzare a causa delle normative antincendio o degli standard ambientali, i fluidi esteri saranno la migliore alternativa. La ragione è che hanno diversi vantaggi tra cui un punto di infiammabilità superiore a 300°C, biodegradabilità e ritardo del processo di invecchiamento della carta. Anche se i fluidi sono più costosi dal 30 al 100%, il loro utilizzo può essere giustificato a causa dei possibili permessi dalle autorità competenti e per motivi assicurativi che possono infine dimostrare il valore del prezzo più alto.
Con quale frequenza dovrebbe essere testato l'olio del trasformatore?
Per i trasformatori in modalità operativa standard, la frequenza di test dovrebbe essere annuale come prescritto dagli standard IEC 60422. In altri casi, se si verificano cambiamenti significativi al di sopra del livello di base, allora i test mensili dovrebbero essere effettuati per identificare cambiamenti e tendenze rilevanti.
Riferimenti
- IEC 60076-1: Trasformatori di potenza – Generale — Valutazioni, aumento di temperatura e requisiti di test per trasformatori di potenza immersi in liquido.
- IEC 60076-3: Livelli di isolamento e test dielettrici — Requisiti di test d'impulso e dielettrici per classe di tensione.
- IEC 60296: Specifica degli oli isolanti minerali — Requisiti di qualità per il nuovo olio per trasformatori.
- IEC 60422: Linee guida per la supervisione e la manutenzione degli oli isolanti minerali — Limiti e programmi di test dell'olio in servizio.
- IEEE C57.12.00: Trasformatori di distribuzione e di potenza immersi in liquido — Requisiti generali nordamericani per unità immerse in liquido.
- IEEE C57.104: Interpretazione dei gas generati nei trasformatori immersi in olio — Interpretazione DGA e livelli di azione.
- Sito ufficiale di Jiangsu Subian Electric Power — Prodotti per trasformatori immersi in liquido, opzioni di fluido e documentazione di test.
Conclusione
I trasformatori riempiti di liquido hanno una solida presa sulla rete elettrica poiché mantengono la migliore efficienza possibile per il raffreddamento e l'isolamento di macchine elettriche sostanziali. Anche se alcuni aspetti — chimica dei fluidi, gestione dei punti caldi, regolatori, monitoraggio — possono essere complicati, le regole e le procedure rendono abbastanza facile gestirli, fornendo un vantaggio di efficienza che i sistemi di tipo secco non possono raggiungere.
Punti principali da ricordare:
- Il raffreddamento liquido rende possibile raggiungere >99% di efficienza in trasformatori medi e grandi, mentre non fornisce alcun vantaggio per macchinari di tipo secco a questa potenza.
- L'olio minerale è il liquido tradizionale; i fluidi esteri giustificano il loro prezzo basato sul 30-100 percento praticamente ovunque in caso di problemi di incendio ed ecologici.
- Il test DGA annuale può costare 200-600 ma porta il massimo profitto nell'ingegneria elettrica.
- Preparati a pagare tra $6,000-$400,000 trascurando le perdite tenendo conto delle prestazioni di un trasformatore.