Un ingegnere di utilità situato nel nord del Canada sta progettando una specifica per un trasformatore da 25 MVA che opererà in una sottostazione con livelli di temperatura che scendono sotto -40°C durante il mese di gennaio. I trasformatori hanno grandi dispositivi di raffreddamento, il loro serbatoio è costruito appositamente per resistere ai forti carichi di vento e neve, quindi l'unica cosa che preoccupa l'ingegnere è il tipo di olio utilizzato per il serbatoio. La persona sa cosa significa selezionare il tipo sbagliato olio per trasformatori per operare in un clima freddo. L'olio si addenserà quando le temperature scendono, la pompa inizierà a cavitare e l'olio smetterà di fluire attraverso i dispositivi di raffreddamento, quindi gli avvolgimenti si riscaldano anche se la temperatura esterna è di -30°C. Il trasformatore che ha superato i suoi test con successo funzionerà come un generatore di allarme nella prima stagione invernale.
Questo articolo discute tutto ciò che dovrebbe essere conosciuto da un acquirente o ingegnere di specifiche riguardo alla selezione dell'olio per trasformatori negli trasformatori riempiti d'olio per aree a clima freddo, comprese le principali caratteristiche, norme, vantaggi e svantaggi dell'uso di oli paraffinici e naftenici, differenze di prezzo e l'algoritmo di selezione dell'olio.
Perché l'olio per trasformatori diventa problematico
L'olio per trasformatori ha due scopi principali: raffredda gli avvolgimenti del trasformatore mediante rimozione del calore verso le pareti del serbatoio e isola gli avvolgimenti dallo stress elettrico. Anche se entrambe le funzioni dipendono dalla capacità dell'olio di fluire, nei climi freddi la viscosità dell'olio aumenterà e la circolazione rallenterà, il che porta al riscaldamento degli avvolgimenti del trasformatore mentre la temperatura esterna è bassa. Durante temperature molto basse, l'olio minerale può raggiungere il suo punto di versamento: temperatura alla quale l'olio smette completamente di fluire, il che significa che il raffreddamento si ferma.
C'è un'altra sfida legata all'olio in inverno: la condensazione dell'umidità. L'olio in un trasformatore con il conservatore si muove durante il suo funzionamento, e quando l'aria che è più calda e umida entra attraverso il serbatoio freddo, l'acqua si raffredderà e si unirà all'olio. L'acqua nell'olio per trasformatori distrugge le proprietà dielettriche dell'olio; diverse centinaia di parti d'acqua ridurranno la tensione di rottura dell'olio da 60 kV a meno di 30 kV, quindi le sfide nella selezione dell'olio per trasformatori per climi freddi consistono nella comprensione sia della fluidità che della gestione dell'umidità.
L'ultima caratteristica peculiare del funzionamento in inverno è l'avviamento. L'olio utilizzato nel trasformatore deve essere energizzato al punto di congelamento dell'olio senza riscaldarlo prima, perché immediatamente dopo l'energizzazione l'olio deve circolare e creare le condizioni di temperatura necessarie in ogni parte del trasformatore.
Proprietà chiave a basse temperature
| Proprietà | Cosa misura | Obiettivo per le regioni fredde | Grado standard (temperato) |
|---|---|---|---|
| Punto di versamento | Temperatura più bassa alla quale l'olio fluisce | -40°C a -60°C | -30°C |
| Viscosità cinematica @ 40°C | Fluidità di base alla temperatura operativa | 8-12 mm²/s | 9-12 mm²/s |
| Viscosità cinematica @ -30°C | Fluidità a freddo; il numero chiave a bassa temperatura | Sotto 1.500 mm²/s (limite tipico) | Non specificato |
| Punto di infiammabilità | Sicurezza antincendio; più alto è meglio è | > 135°C (minerale), > 250°C (estere) | > 135°C |
| Tensione di rottura (BDV) | Resistenza dielettrica dopo condizionamento | > 70 kV (nuovo, IEC 60156) | > 70 kV |
| Contenuto d'acqua | Livello di umidità; deve essere minimo | < 30 ppm (olio nuovo) | < 30 ppm |
Quando si tratta di zone climatiche fredde, il punto di versamento e la viscosità a bassa temperatura giocano un ruolo importante. Un valore di -30 gradi Celsius è appropriato per climi con temperature di -10 gradi Celsius; tuttavia, è completamente inefficace a temperature di -40 gradi Celsius. L'olio in questione dovrebbe rimanere al di sopra del suo punto di versamento, anche alla temperatura minima registrata.
Tipi di olio per regioni fredde
| Tipo di olio | Punto di versamento | Punto di infiammabilità | Prezzo per litro | Miglior utilizzo |
|---|---|---|---|---|
| Olio minerale standard (IEC 60296) | -30°C | > 135°C | $1.5-$2.5 | Climi temperati |
| Olio minerale naftenico a basso punto di versamento | -40°C a -60°C | > 135°C | $2.5-$4 | Regioni fredde fino a -50°C |
| Idrocarburo ad alto peso molecolare | Varia | > 250°C | $4-$8 | Siti freddi e soggetti a incendi |
| Estere sintetico (IEC 61099) | -40°C a -60°C | > 250°C | $6-$15 | Freddo + sicurezza antincendio + biodegradabilità |
| Fluido di silicone | -50°C o inferiore | > 300°C | $15-$30 | Applicazioni speciali per la sicurezza antincendio |
Nella maggior parte dei processi industriali e di utilità nelle regioni fredde, gli oli minerali naftenici con basso punto di congelamento rappresentano il cavallo di battaglia. Forniscono la fluidità necessaria a circa metà del prezzo degli esteri sintetici. Gli esteri sintetici vengono utilizzati quando necessario in risposta ai codici antincendio e alla legislazione ambientale che governa le prestazioni a freddo e fornisce un punto di infiammabilità superiore a 300°C. Il fluido di silicone rappresenta la scelta che offre alte prestazioni a un costo molto elevato.
Olio naftenico vs. Olio paraffinico
| Caratteristica | Olio naftenico | Olio paraffinico |
|---|---|---|
| Contenuto di cera | Molto basso | Maggiore; forma cristalli di cera a freddo |
| Punto di versamento | Naturalmente basso (-40°C a -60°C raggiungibile) | Maggiore; necessita di pesante de-waxing |
| Flusso a bassa temperatura | Eccellente | Degrada bruscamente vicino al punto di congelamento |
| Stabilità all'ossidazione | Buono | Buona (leggermente migliore come base) |
| Comportamento di assorbimento del gas | Migliore assorbimento del gas | Generalmente buono ma la cera è il problema |
| Disponibilità in gradi freddi | Standard per specifiche delle regioni fredde | Raramente utilizzato per le regioni fredde |
C'è un accordo prominente tra gli ingegneri riguardo all'uso degli oli naftenici nelle zone fredde. Il fatto che gli oli paraffinici contengano cera causa un problema maggiore in inverno, poiché la cera si solidifica quando fa freddo, portando a un aumento della viscosità e al conseguente fallimento dell'olio nel fluire — che è precisamente il problema che rende inefficace il raffreddamento dei trasformatori in inverno. La bassa temperatura di versamento dell'olio naftenico e la buona capacità di funzionare in condizioni fredde lo rendono formalmente accettato per ogni specifica seria nelle regioni fredde, con molti produttori di trasformatori che specificano effettivamente il grado naftenico preferito nel disegno del sistema di olio.
Parametri e limiti di specifica
è essenziale includere i seguenti valori:
Standard: IEC 60296 per oli minerali; IEC 61099 per esteri sintetici; ASTM D3487 per il Nord America.
Punto di congelamento: Minimo -40°C per temperature di circa -30°C; minimo -60°C per temperature inferiori a -35°C.
Viscosità cinematica a 40°C: 8 a 12 mm²/s e controllare la viscosità a -30 °C per garantire che sia al di sotto del limite massimo di circolazione stabilito dai produttori; questo limite è solitamente intorno a 1.500 mm²/s.
Punto di infiammabilità: Superiore a 135 °C per oli minerali; fare riferimento al valore esatto indicato sul certificato.
Forza di rottura dielettrica: Superiore a 70 kV per olio nuovo secondo gli standard IEC 60156.
Contenuto d'acqua: 30 ppm max; lo scarico dell'olio deve rispettare questo requisito.
Forza dielettrica e concentrazione di acido: Rispettare le proprietà indicate nella IEC 60296 per oli nuovi.
Non dimenticare di menzionare il punto di congelamento nei contratti. “Olio per regioni fredde” non è abbastanza chiaro. L'olio per regioni fredde è talvolta chiamato olio a bassa temperatura, e potresti finire per acquistare olio di grado standard -30°C senza che il contratto menzioni il punto di congelamento.
La seguente matrice può aiutarti a decidere riguardo alla temperatura minima per il sito specifico:
| Sito Estremo Minimo | Punto di congelamento richiesto | Famiglia di oli | Prezzo approssimativo per litro | Note |
|---|---|---|---|---|
| Sopra -20°C | -30°C | Minerale standard (IEC 60296) | $1.5-$2.5 | Il grado standard è sufficiente |
| -20°C a -35°C | -40°C | Naphthenico a bassa viscosità | $2.5-$3.5 | Specifica più comune per le regioni fredde |
| -35°C a -50°C | -50°C a -60°C | Estere naftenico o sintetico | $3.5-$15 | Controllare la viscosità a basse temperature |
| Sotto -50°C | -60°C o inferiore | Estere sintetico o silicone | $8-$30 | Confermare le valutazioni di pompe e guarnizioni |
Il Processo di Selezione
Determinare la temperatura più bassa nel sito. Tenere conto della temperatura minima estrema piuttosto che della temperatura media invernale, aggiungere anche un margine di sicurezza di 10 o 15 K.
Determinare il punto di versamento richiesto. In caso di una temperatura del sito di -40°C, specificare olio con punto di versamento di -55°C o -60°C in modo che l'olio rimanga liquido.
Controllare la viscosità a basse temperature. Consultare il produttore del trasformatore riguardo alla viscosità dell'olio in caso di -30°C poiché questa è l'informazione che garantirà l'efficacia del sistema di raffreddamento.
Scegliere il tipo di olio. Se l'economia è l'obiettivo, utilizzare olio minerale naftenico; estere sintetico in caso di normative antincendio e ambientali; e silicone solo su base obbligatoria.
Controllare la compatibilità del trasformatore. Assicurarsi che guarnizioni, pompe e respiratori siano compatibili con l'olio e supportino la temperatura estrema; per il sito a -40°C, potrebbe essere necessario scegliere guarnizioni speciali progettate per tali basse temperature.
Assicurarsi di ottenere il certificato. Deve coprire il punto di versamento, la viscosità, il BDV, il contenuto d'acqua e il punto di infiammabilità secondo le proprie esigenze.
Applicazione per Regione e Clima
- Cina settentrionale, Mongolia, aree nel nord degli USA (-30°C a -40°C): olio naftenico a basso punto di versamento con punto di versamento a -40°C.
Canada, Siberia, Scandinavia settentrionale (sotto -40°C): oli con punti di versamento da -55°C a -60°C utilizzati, spesso esteri sintetici per i siti più freddi.
Località ad alta quota (Ande, Tibet, Alpi): combinazione di ambiente freddo e minore raffreddamento ad altitudini, richiedendo derating e utilizzo di olio di classe fredda.
Condizioni marine offshore e fredde: utilizzo di oli naftenici ed esteri con rigoroso controllo dell'umidità.Le altitudini aggiungono difficoltà al freddo: a 3.000 metri, la densità dell'aria è circa il 30% più bassa, rendendo meno efficiente il raffreddamento naturale dei trasformatori, che devono essere derating o assegnati a una fase di raffreddamento più alta prima che la temperatura inizi a essere affrontata.
Confronto tra marche e prezzi
| Marca | Origine | Offerte per Regioni Fredde | Prezzo approssimativo per litro |
|---|---|---|---|
| Shell | Paesi Bassi/Regno Unito | Diala S4 ZX-I, Diala AX (naftenico a basso punto di versamento) | $2-$4 |
| ExxonMobil | USA | Mobil 3910-60 (paraffinico, punto di versamento -60°C), Unvolt | $2.5-$4.5 |
| Nynas | Svezia | Nytro Libra, Nytex 620 (specialisti naftenici) | $2-$4 |
| Ergon | USA | Hyvolt III, oli naftenici di classe fredda | $2-$3.5 |
| MIDEL (M&I Materials) | Regno Unito | MIDEL 7131 estere sintetico (punto di versamento -56°C) | $8-$15 |
| Jiangsu Subian Electric Power (con olio a marchio) | Cina | Trasformatori forniti riempiti con olio di classe fredda specificato | Olio confezionato; unità a prezzi competitivi |
L'industria dell'olio è dominata da aziende globali specializzate in lubrificanti ed esteri, tra cui Shell, ExxonMobil, Nynas, Ergon e MIDEL, i cui prodotti freddi sono stati utilizzati in tutto il mondo. Nel caso del trasformatore, il tipo di olio è solitamente specificato nel contratto, e aziende come Jiangsu Subian Electric Power forniscono il trasformatore con l'olio freddo specificato secondo il contratto e indicano il riempimento dell'olio sul certificato. Infatti, questo è critico per i luoghi freddi perché l'olio non è un articolo consumabile e non può essere sostituito; fa parte del design termico del trasformatore. I trasformatori per regioni fredde di Subian sono forniti con il certificato che indica il punto di congelamento e la viscosità dell'olio, e i prezzi per il trasformatore riempito sono solitamente 40-60% inferiori ai prezzi quotati per unità simili prodotte da produttori europei.
Come Scegliere l'Olio Giusto
Applicare la temperatura minima di previsione del sito più la tolleranza per scegliere il requisito per il punto di congelamento.
Selezionare oli naftenici per ambienti freddi ed evitare prodotti paraffinici a meno che non siano stati deparaffinati per soddisfare il parametro del punto di congelamento.
Indicare il limite di viscosità a basse temperature per garantire che il sistema di raffreddamento sia operativo.
Trovare la famiglia di oli conforme ai codici antincendio e ambientali, non solo con il termometro.
Verificare se i materiali della guarnizione e della pompa sono appropriati per le condizioni di temperatura estrema.
Richiedere il certificato che mostri il punto di congelamento, la viscosità, il BDV, il contenuto d'acqua e il punto di infiammabilità.
Manipolazione, Stoccaggio e Avviamento a Freddo
La manipolazione dell'olio per regioni fredde ha una disciplina particolare. Fusti, serbatoi e tubi di trasferimento del calore devono essere posizionati al di sopra del punto di congelamento dell'olio affinché l'olio rimanga pompabile; molti siti ricorrono a stoccaggio riscaldato e linee di trasferimento. Prima del riempimento, l'olio deve essere degassato in vuoto e asciugato fino a un contenuto d'acqua inferiore a 30 ppm a causa del fatto che l'aria fredda contiene pochissima umidità mentre l'olio caldo proveniente dallo stoccaggio la condenserebbe. Di solito, si installerebbero filtri con 1-5 micron e un essiccatore in vuoto durante il riempimento dei trasformatori con olio in regioni fredde.
Quando si avvia l'attrezzatura in condizioni fredde, è molto importante seguire la sequenza: accendere il trasformatore e lasciare circolare l'olio per 10-30 minuti prima di applicare un carico significativo per evitare la formazione di punti caldi nell'olio freddo stagnante. Alcuni operatori mantengono le pompe in funzione durante le notti più fredde invece di impostare il sistema di controllo sulla temperatura dell'olio pompato. Le regole di funzionamento dovrebbero essere incluse nel manuale di manutenzione del sito e non solo nelle sue specifiche.
Domande frequenti
Quale olio per trasformatori è appropriato per luoghi freddi?
Per l'uso in applicazioni nelle regioni fredde, l'utilizzo di olio minerale naftalenico a basso punto di versamento approvato dalla IEC 60296 è la scelta migliore: l'olio rimane liquido a temperature da -40°C a -60°C e costa circa $2.5-$4 al litro. Gli esteri sintetici, con un prezzo di circa $8-$15 al litro, offrono sia una maggiore sicurezza antincendio che biodegradabilità, ma con gli stessi livelli di prestazioni nel freddo. L'olio standard, con un punto di versamento di -30°C, non è sufficiente per i siti che sperimentano temperature inferiori a circa -25°C.
Cosa si intende per punto di versamento dell'olio per trasformatori?
Il punto di versamento è definito come la temperatura alla quale l'olio è ancora fluido. A questa temperatura, la circolazione si ferma e, di conseguenza, il trasformatore non si raffredda, causando il surriscaldamento dell'avvolgimento indipendentemente dalle condizioni di gelo. L'olio standard del trasformatore ha un punto di versamento di -30°C; l'olio per regioni fredde è classificato a -40°C, -45°C o -60°C a seconda del sito.
È meglio l'olio per trasformatori naftalenico o paraffinico per l'inverno?
Sicuramente naftalenico. Gli oli paraffinici contengono paraffina che cristallizza a basse temperature, aumentando la viscosità al punto da impedire all'olio di fluire, il che significa che il trasformatore non può essere raffreddato a queste temperature. L'olio naftalenico ha un punto di versamento naturalmente basso e fluisce bene al freddo, motivo per cui le specifiche dell'olio per regioni fredde richiedono quasi sempre olio di grado naftalenico.
Quanto costa l'olio per trasformatori per regioni fredde?
L'olio minerale standard è prezzato a $1.5-$2.5 al litro, l'olio naftalenico a basso punto di versamento costa $2.5-$4 al litro, gli esteri sintetici costano $6-$15 al litro e l'olio di silicone costa $15-$30 al litro. La differenza di prezzo dell'olio è di circa $10,000–$20,000 per un trasformatore da 10,000 litri, che non è grande rispetto al costo di un guasto in inverno.
Posso usare olio per trasformatori standard se derating il trasformatore?
Il derating aiuta con il calore, non con la fluidità a freddo. Se il punto di versamento dell'olio è superiore al minimo del sito, l'olio smetterà di fluire indipendentemente da quanto poco carico porti il trasformatore. La specifica deve essere guidata dalla temperatura del sito e il trasformatore e l'olio devono essere selezionati come un unico sistema termico. L'olio di grado freddo non è opzionale per i siti veramente freddi.
Riferimenti
- IEC 60296 — Fluidi per Applicazioni Elettrotecniche, Oli Minerali Isolanti Non Utilizzati — Lo standard principale per i gradi di olio minerale per trasformatori e punti di versamento.
- IEC 61099 — Estere Organico Sintetico per Scopi Elettrici — Lo standard per gli oli isolanti a base di esteri sintetici.
- ASTM D3487 — Specifica Standard per Olio Minerale Isolante Utilizzato in Apparecchiature Elettriche — Specifica dell'olio minerale nordamericano.
- IEC 60156 — Liquidi Isolanti, Determinazione della Tensione di Rottura — Il metodo di prova dielettrica per BDV.
- IEEE C57.106 — Guida per l'accettazione e la manutenzione dell'olio minerale isolante — Criteri di accettazione dell'olio e limiti di umidità.
- Nynas — Soluzioni per Olio per Trasformatori — Gradi di olio naftalenico specializzati e linee guida per l'applicazione.
- M&I Materials — Fluidi Ester MIDEL — Prodotti a base di esteri sintetici con dati pubblicati sulle basse temperature.
Conclusione
Questo significa che mentre l'acquisto di olio per trasformatori per condizioni fredde non riguarda solo il lubrificante stesso, ma ha a che fare con il design termico. Il punto di versamento, la viscosità a bassa temperatura e il contenuto di acqua determinano se il sistema di raffreddamento funzionerà durante la notte più fredda, mentre il tipo di olio definisce il rischio di incendio e ambientale. Con le informazioni corrette su carta, il trasformatore servirà per anni; altrimenti si pagherà caro in inverno.
- Specificare il punto di versamento dal minimo estremo del sito più un margine, non da un valore predefinito del catalogo.
- Scegliere olio naftenico per regioni fredde; utilizzare esteri solo dove il fuoco o l'ambiente lo richiedono.
- Verificare la viscosità a bassa temperatura rispetto al limite di circolazione del produttore.
- Acquistare l'olio e il trasformatore come un unico sistema e inserire il certificato nel contratto.
Per trasformatori immersi in olio riempiti con l'olio corretto di grado freddo e certificati secondo IEC 60296, contattare Jiangsu Subian Energia Elettrica a www.subian-electric.com — specificare la temperatura minima del sito e il requisito del punto di versamento, e forniranno un preventivo per l'unità riempita con il certificato incluso.