7月中旬、中東の港町の暑く埃っぽい変電所の変圧器ヤードに立つ変電所エンジニアは、画面上の警告信号を監視しています。巻線温度は118ºCに達し、65 Kの温度上昇を伴う50 MVAの容量の変圧器で上昇し続けています。設置から2年も経っておらず、変圧器は記録的な暑さの中で高負荷にさらされています。変圧器の油自然冷却システムは、変圧器タンクから熱を排出できないようです。エンジニアは、大型変圧器の所有者がいつか解決しなければならないジレンマに直面しています：彼は変圧器の冷却システムを改造するか、出力を制限するか、ユニットの寿命が短くなることを覚悟しなければなりません。冷却は単なるメンテナンスの問題ではないことに注意すべきです。それは、変圧器タンクの容量と電気絶縁の寿命を決定するエンジニアリングの考慮事項です。.
記事では、ONAN冷却、ONAF冷却、OFAF冷却、ODWF冷却など、利用可能なすべての変圧器冷却技術を紹介しています。また、空気およびヒートパイプの改造ソリューションなどの新しいソリューションも含まれています。.
簡単に言えば：変圧器の冷却方法は、IEC規格の4文字コードによって定義されています：ONAN、ONAF、OFAF、OFWFおよびODWF。熱的制限は、巻線温度の最大平均上昇によって決定され、通常、IEC 60076-2およびIEEE C57.12.00に従って油浸変圧器の場合は65 Kです。ONAN変圧器に強制空気ファンを設置すると、通常、約20-33%の連続容量増加が得られます。強制油冷却を完全に適用すると、自己冷却装置と比較して電力供給が40-50%向上します。.
なぜ冷却が変圧器の出力を決定するのか
変圧器は電気エネルギーを非常に効率的に変換しますが、熱に変換される1から3 %の電力でも、膨大な損失を意味します。例えば、50 MVAに定格され、99 %の効率で運転される変圧器は、約500 kWの熱損失を持ち、これは小さな家を暖めるのに十分です。生成された熱は、絶縁システムを通って油または空気に移動し、次にタンクの壁やラジエーターを経て、最終的に周囲の水または空気に達する唯一の経路を持っています。この熱除去プロセスは、kVAで測定される変圧器の連続性能の上限を与えます。.
熱は変圧器の敵です。絶縁の劣化の主な原因はアレニウスの原理に従います：予想されるホットスポット温度を6-10 K上回る温度の上昇は、絶縁の期待寿命を半分にします。65 Kの平均温度上昇に設計された変圧器が80 Kで動作すると、性能が著しく悪化するだけでなく、設計寿命を非常に早く消費し、毎月数年の寿命を失うことになります。.
冷却コードの解読と主要な冷却方法
冷却プロセスは、IEC 60076-2およびIEEE C57.12.00で定義された標準の4文字の命名法に従って識別されます。最初の文字は、巻線と接触する非常に重要な媒体を示します（o = 油、k = 引火点が300°以上の液体、a = 空気）、2番目の文字はこの媒体が循環する方法を示します（n = 自然、f = 人工的に強制循環、d = 指向循環）、3番目の文字は装置が相互作用する媒体を指します（a = 空気、w = 水）、最後の文字は循環が行われる方法を示します（n = 自然、f = 人工的）。.
| 冷却コード | 仕組み | 典型的な定格ブースト対ONAN | 典型的な変圧器サイズ |
|---|---|---|---|
| ONAN | 油は自然対流によって循環し、熱は静止した空気に放射されます | ベースライン | 約5 MVAまで（単段）；大きなユニットは負荷が減少した状態でONANに定格されています |
| ONAF | ラジエーターファンを追加；冷却面を横切って吹き付けられる空気 | +20から+33 % | 5-100 MVA |
| OFAF | 油ポンプが循環を強制し、ファンがラジエーター上に空気を強制します | +40から+50 % | 50-300 MVA |
| OFWF | 水冷熱交換器を通してポンプで油を循環させます | +40から+50 %、コンパクトなフットプリント | 水が利用可能な大きなユニット |
| ODWF / ODAN / ODAF | 巻線チャネルを通る指向油流；外部のファンまたは水 | 指向設計で+60 %まで | 100 MVA以上 |
多段定格は、例えばONAN/ONAF/ONAFまたはONAN/ONAF/ONAF/ONAFの組み合わせで、電力変圧器の購入において通常利用され、負荷が増加するにつれてファンをオンに切り替えることができます。例えば、60 MVAの電力を持つ変圧器は、ONANとして40 MVA、ONAFとして50 MVA、すべてのファンが稼働している状態で60 MVAに定格されることができます。使用されるファンは通常、0.75 kWから3 kWの電力を消費する軸流ファンであり、サポートする負荷に対しては無視できる量であり、設置ごとに数百から数千ドルに相当します。.
ONAN対ONAF対OFAF対ODWF
| 特徴 | ONAN | ONAF | OFAF | ODWF |
|---|---|---|---|---|
| 可動部品 | なし | ファンのみ | ポンプ + ファン | ポンプ + 水システム |
| 典型的な定格範囲 | 5-10 MVAまで | 5-100 MVA | 50-300 MVA | 100 MVA以上 |
| MVAあたりのコスト | 最低 | 中程度 | 高い | 最高 |
| 信頼性 / メンテナンス | 最高；故障するものはない | ファンモーターは注意が必要 | ポンプシールとモーターが追加されます | 水漏れと汚染のリスク |
| フットプリント | 大型ラジエーターバンク | コンパクトなラジエーター + ファン | ポンプ付きのコンパクト | 最もコンパクト |
| 騒音 | 最低 | ファンの騒音 | ポンプ + ファンの騒音 | ポンプ + 水の騒音 |
ここでのエンジニアリングのトレードオフを理解するのは簡単です：追加の強制冷却段階は、タンクの体積あたりの追加MVAを提供しますが、故障する可能性のある機器を追加し、電力を消費したり、騒音を発生させたりします。ONANは、変圧器以外に故障モードがないため、依然として最も一般的な選択肢です。一方、ONAFは、手頃でテスト済み、簡単に改造可能なファンがあるため、デフォルトの選択肢です。OFAFとODWFは、大型変圧器にのみ使用され、タンクと熱密度が他の選択肢を残さない場合に使用されます。.
温度上昇クラスと限界
| パラメータ | IEC 60076-2 典型値 | IEEE C57.12.00 典型値 |
|---|---|---|
| 最大平均巻線上昇（油浸） | 65 K | 55 K（OA）、65 K（FA） |
| 最大ホットスポット巻線上昇 | 78 K（85°Cホットスポット、7 K周囲許容） | 80 K |
| 最大上油上昇 | 60 K | クラスによる55-65 K |
| 設計周囲温度 | 平均30°C、最大40°C | 30°C平均、40°C最大 |
| 最大ホットスポット温度制限 | 98°C（巻線）、105°C（油） | 110°C連続 |
これらの数値は、フォーマットに関する合意または契約の一部です。変圧器が工場での温度上昇評価試験に合格しない場合、仕様の条件に従っていないことになり、認証には測定された温度上昇を含める必要があります。高度（1,000 m以上）や高周囲温度（プラスまたはマイナス40度セルシウス）を考慮する場合、要因はIEC 60076-2で確認する必要があります。これは、デバイスが高温気候で出力を制限する必要があり、したがって温暖な気候で使用されるデバイスとは異なるためです。.
冷却の異なる段階がプロセスにどのように影響するかを理解するために | 同じ25-MVA変圧器が異なる条件とプロセスで考慮されており、供給者が非現実的なオファーを提供する際の特異性を理解できるようにしています：
| 冷却モード | 連続定格（25 MVAタンク） | 25°C周囲での上昇 | 40°C周囲での上昇 | 40°Cでの出力制限が必要 |
|---|---|---|---|---|
| ONAN（自然） | ~15 MVA | 52 K上油 | 67 K上油 | ~12% |
| ONAF（ファン稼働） | ~20 MVA | 48 K上油 | 63 K上油 | ~8% |
| OFAF（ポンプ + ファン） | ~25 MVA | 44 K上油 | 59 K上油 | ~5% |
| ODWF（直接 + 水） | ~30 MVA | 40 K上油 | 55 K上油 | ~5% |
既存ユニットの改造とアップレーティング
ONANからONAFサービスへの変換は、通常、より大きな変圧器を購入するよりも安価なため、好まれるアップグレード方法です。.
熱設計を確認します。放熱器と巻線のホットスポットが追加の熱に耐えられるかどうかについて、メーカーから確認を得てください。一部のタンクは、ファンを設置しても追加の放熱面積が必要です。.
- ファンバンクを設置します。コストは通常$1500から$8000の範囲内で、2-6の軸流ファン、ガード、取り付けフレーム、配線に加えて接触器が含まれ、設置には2-4日の停電が必要です。.
- 温度制御スイッチングを装備します。ファンは上油温度信号から作動し、タイマーまたは温度低下に基づいて自動的に停止することで、迅速なサイクル運転を避ける必要があります。.
- 名板と保護を更新します。新しい結合定格は、リレー設定およびメンテナンス記録に含める必要があります。.
- 熱運転での試運転を行います。巻線上昇が65 Kに従っていることを確認するために、新しい定格で温度上昇試験を繰り返すことをお勧めします。.
ONAFを超えて強制油循環を使用するには、油ポンプを追加し、タンク配管を変更する必要があるため、より多くの努力が必要です。このオプションは、30 MVAを超える変圧器を扱う際に考慮されます。水冷式変換（OFWF）は可能かもしれませんが、実際には漏れのリスクに関連しているため、それほど多くの利点をもたらしません。.
乾式変圧器の冷却
乾式変圧器は、冷却に空気を使用し、AN（自然空気）またはAF（強制空気）を含む特定の規格に準拠していることが特徴です。熱除去の観点から、乾式変圧器は油を含まず、代わりにその封入または巻線コイルの面積に依存します。乾式変圧器の容量は、油浸型モデルよりも相対的に小さいです。例えば、典型的なキャストレジン変圧器は最大容量が3-10 MVAに達することがあります。乾式変圧器は、IEC 60076-11規格に従って、2つの温度上昇クラスに分類されます：クラスF（100K上昇して155°Cに達する）およびクラスH（125K上昇して180°Cに達する）。.
強制空気冷却の実装は、ファンのために数百ドルを追加し、変圧器の定格容量を約25から30%増加させます。乾式変圧器の主な利点は、運転プロセスに油が存在しないことです。しかし、冷却媒体として空気を使用することは、適切な換気の必要性や高価なダスト管理システムなど、特定の欠点も伴います。.
どの冷却方法がどの用途に適しているか
- 5 MVAを超える配電変圧器 – この場合、ONANがほとんどの用途で使用される標準的な方法です。ただし、ピークの産業負荷が存在する場合には、ONAFを使用することができます。.
- 電力変圧器 – この段階では、適切な冷却環境を提供するためにいくつかのファンを用いたONAN方式を使用することができます。.
- 大型電力変圧器（100 MVA以上）はOFAFタイプであり、これらの装置には油ポンプと強制循環システムが使用されています。.
- 沖合地区および混雑した場所 – 水資源がある場合は、システムのサイズを縮小できるため、OFWFタイプが推奨されます。.
- 屋内商業ビルでは、油と屋内火災規制が適合しないため、ANおよびAF方式を用いた乾式ユニットが使用されます。.
- 高温気候および高地の拠点では、周囲の空気が十分な熱を吸収できないため、追加の冷却レベルの実装および/または定格低減が必要です。.
ブランドと価格比較
| ブランド | 起源 | 提供される冷却技術 | おおよその価格帯（1 MVA ONAN） |
|---|---|---|---|
| ABB | スイス/スウェーデン | フルレンジ、ODWFおよび指向性流れの経験 | $10,000-$25,000 |
| シーメンス | ドイツ | 大型電力ユニット、段階的ONAF/OFAF | $11,000-$28,000 |
| 日立エナジー | スイス | 高度な冷却を備えた電力変圧器 | $12,000-$30,000 |
| シュナイダーエレクトリック | フランス | 配電および乾式AFユニット | $9,000-$22,000 |
| イートン / GE | 米国 | 配電ONAN/ONAF | $7,000-$18,000 |
| 江蘇省蘇辺電力 | 中国 | ONAN、ONAF、段階的定格、乾式AN/AF | $5,000-$14,000 |
ABB、Siemens、Hitachi Energy、Schneider Electricなどの市場リーダーは、業界のベンチマークとして使用されるODWF/OFAF設計を持つ大規模電力変圧器業界の主要プレーヤーです。特に、Jiangsu Subian Electric Powerのようなメーカーは、顧客の関心が高い0.5～10 MVAクラス向けに設計されたONANおよび段階的ONAFユニットで知られています。これらのユニットはIEC 60076-2に準拠して試験されており、温度上昇試験所が変圧器の温度上昇を測定できることを証明する証明書を取得しています。Subianは製品を世界中に出荷しており、顧客の仕様に応じたタンクおよびラジエーターを、欧州の競合他社の価格より40～60％低価格で製造可能です。ファンバンクのレトロフィットが必要な顧客は、周囲温度が40度に達する場合、ラジエーター表面技術およびポンプ選択の技術仕様が価格よりも重要となるため、Subianに技術仕様を確認することを推奨します。.
適切な冷却方式の選び方
- まず、負荷プロファイルの種類を定義します。一定使用の負荷プロファイルは変動使用の負荷プロファイルよりも冷却要求が高いため、ピークの午後時間帯にファンのみを稼働させる冷却段階を最適化できます。.
- 次に、周囲環境の影響を考慮します。周囲温度が40度を超える場合や標高が1000メートル以上の場合は、IEC 60076-2に従って定格低減を行うか、追加の冷却段階を設ける必要があります。.
- 設備の設置スペース要件を必ず考慮してください。ラジエーターバンクは敷地スペースを必要としますが、OFWFおよびODWF技術は水システムのコストを伴うものの設置面積を削減します。.
- 信頼性は非常に重要です。重要なインフラの場合、定格が許す限り、ポンプよりもONAN段階および単純なファンを優先すべきです。.
- 所有コストを把握しておくことが重要です。モーターとポンプはエネルギーを消費し、メンテナンスが必要です。大きなONANタンクは、単純な強制冷却モーターよりもコストが低い場合があります。.
- 温度上昇試験を要求することを忘れないでください。65 K（または希望する）巻線の増加が、推定ではなく試験証明書によって証明される必要があります。.
メンテナンスと監視
冷却システムの故障は静かに発生し、通常は温度の低下によってトリガーされるアラームによって示されます。適切な冷却実践では、ファンのファンブレード、ファンモーター、ファンガードなどの故障部品の検査が含まれます。前述のすべての部品の月次チェックに加えて、ポンプシールとオイルフローインジケーターの四半期ごとのチェックも実施する必要があります。ラジエーターバンクの年次サーモグラフィーとともに、温度スイッチ制御ファンの自動起動の書面によるテストも実施する必要があります。大きな冷却ボードについては、巻線温度セクションとDGAを一緒に分析する必要があります。ファンの故障がないホットスポットの上昇がある場合、冷却ユニットの内部部品に問題があることを示しています。.
保存タンク内のオイル量は冷却設計に一致する必要があります。オイルレベルが低下するとキャビテーションが発生する可能性があり、これは過熱に比べて非常に危険です。.
よくある質問
トランスの名板におけるONANとONAFの意味は何ですか？
これらはIEC 60076-2に従った冷却に関連する指定です。ONANはオイル自然冷却および空気自然冷却を意味し、自己冷却標準設計を示します。ONAF指定にはトランスを冷却するためのラジエーターファンが含まれており、したがってONAF指定は自己冷却設計よりも20%から33%高い運転能力を示します。このため、ONAN/ONAFトランスは二重に定格されています。.
トランスに強制空冷を追加するのにどれくらいの費用がかかりますか？
配電クラスのトランスにONAFを改造する費用は1500-8000ドルで、通常は2-6台のファンの設置、ガード、接触器、温度制御スイッチの設置が含まれます。強制空気を使用することで、トランスの容量を少なくとも20-33増加させることができます。.
ファンをオンにした場合、トランスを過負荷にすることはできますか？
過負荷はONAF定格まで許可されており、空気温度と高度が概念で定められた限界内にある場合のみ許可されます。実際の温度上昇は要件であり、したがって平均温度が65Kを超える場合、絶縁体の寿命が短くなります。.
OFAFとODWF冷却の違いは何ですか？
違いは、OFAFではオイルがラジエーターを通じて循環されるのに対し、OFDAではオイルが熱交換器を通じて水流によって巻線冷却チャネルにポンプされるという点にあります。.
高度はトランスの冷却に本当に影響しますか？
確かに、そうです。1000メートル以上では、空気密度が減少し、冷却が非常に非効率的になります。.
参考文献
- IEC 60076-1 — 電力変圧器、一般要件 — 定格および損失のためのマスター仕様。.
- IEC 60076-2 — 電力変圧器、温度上昇 — 冷却コードおよび温度上昇限界を定義する標準。.
- IEEE C57.12.00 — 液体浸漬変圧器の一般要件 — 北米の冷却コードおよび温度上昇の基準。.
- IEC 60076-11 — 乾式変圧器 — 空冷ユニットの熱クラス。.
- 日立エナジー — 変圧器製品 — 大型電力変圧器の段階的冷却定格の参考。.
- ABBトランスフォーマー — 冷却技術オプションおよびデータシートの業界参考。.
- シーメンスエナジー変圧器 — 電力変圧器の冷却およびアップレーティング文書。.
結論
変圧器の冷却は、変圧器の出力と寿命を決定する重要な要因として機能します。冷却のための4文字コードを読むとき、温度上昇の仕様を理解し、自然冷却、強制冷却、または既存の冷却システムにファンを追加する選択肢の間で選択を行うとき、すべての情報はエンジニアリングにおいて実用的な使用があります。.
- ONANは基本標準であり、ONAFは改善を表し、追加コストが$1,500から$8,000のレトロフィットを伴う20-33%で構成されています。.
- OFAFおよびODWFは、熱密度のために大型変圧器に使用されます。.
- 温度は試験を通じて証明され、65 Kの巻線温度上昇で認証されなければなりません。.
- 高高度または高温の場合、変圧器は出力を制限するか、冷却を強化しなければなりません。.