В середине июля инженер подстанции стоит на площадке трансформаторов жаркого и пыльного портового города на Ближнем Востоке, контролируя тревожный сигнал на экране. Температура обмотки достигла 118ºC и продолжает расти на трансформаторе с повышением температуры 65 K и мощностью 50 MVA. С момента установки прошло менее двух лет, и трансформатор работал под высокой нагрузкой в неустанно жаркое и рекордное лето. Похоже, что система естественного охлаждения трансформатора не в состоянии устранить тепло из бака трансформатора. Инженер сталкивается с дилеммой, которую однажды должен решить любой владелец крупного трансформатора: он может либо модернизировать систему охлаждения трансформатора, снизить его мощность, либо быть готовым к более короткому сроку службы устройства. Следует отметить, что охлаждение — это не просто вопрос обслуживания. Это инженерное соображение, определяющее мощность бака трансформатора и срок службы электрической изоляции.
Статья представляет все доступные технологии охлаждения трансформаторов, включая охлаждение ONAN, охлаждение ONAF, охлаждение OFAF, охлаждение ODWF и новые решения, такие как решения по модернизации с использованием воздуха и тепловых трубок.
Короче говоря: методы охлаждения трансформаторов определяются четырехбуквенными кодами стандарта IEC: ONAN, ONAF, OFAF, OFWF и ODWF. Тепловой предел определяется максимальным средним повышением температуры обмотки, обычно 65 K для трансформаторов, погруженных в масло, согласно IEC 60076-2 и IEEE C57.12.00. Установка вентиляторов с принудительной подачей воздуха в трансформаторе ONAN обычно дает непрерывное увеличение мощности примерно на 20-33%; полное применение принудительного масляного охлаждения может увеличить подачу электроэнергии на 40-50% по сравнению с устройством с естественным охлаждением.
Почему охлаждение определяет выход трансформатора
Трансформаторы очень эффективно преобразуют электрическую энергию, но даже 1 до 3 % мощности, которая преобразуется в тепло, подразумевает огромные потери. Например, трансформатор мощностью 50 MVA и работающий с эффективностью 99 % имеет тепловые потери около 500 кВт непрерывно, что достаточно для обогрева небольшого дома. Сгенерированное тепло имеет только один путь: это через изоляционную систему к маслу или воздуху, затем к стенке и радиаторам бака, а затем, наконец, к окружающей воде или воздуху. Этот процесс удаления тепла устанавливает верхний предел непрерывной работы трансформатора, измеряемой в кВА.
Тепло — враг трансформаторов. Основная причина старения изоляции следует принципу Аррениуса: каждое повышение температуры на 6-10 K выше ожидаемой температуры горячей точки сокращает ожидаемый срок службы изоляции вдвое. Трансформатор, спроектированный для повышения температуры на 65 K и работающий при 80 K, не только значительно ухудшит производительность, но и быстро исчерпает свой проектный срок службы, теряя годы жизни каждый месяц.
Декодирование кода охлаждения и основные методы охлаждения
Процесс охлаждения определяется в соответствии со стандартной четырехбуквенной номенклатурой, определенной в IEC 60076-2 и IEEE C57.12.00: первая буква указывает на крайне важную среду, которая контактирует с обмотками (o = масло, k = жидкость с температурой вспышки выше 300°, a = воздух), вторая буква сообщает нам о способе циркуляции этой среды (n = естественная, f = искусственно принудительная циркуляция, d = направленная циркуляция), третья буква относится к среде, с которой взаимодействует аппарат (a = воздух, w = вода), а последняя буква указывает на способ осуществления циркуляции (n = естественно, f = искусственно).
| Код охлаждения | Как это работает | Типичное повышение мощности против ONAN | Типичный размер трансформатора |
|---|---|---|---|
| ОНАН | Масло циркулирует естественной конвекцией; тепло излучается в неподвижный воздух | Базовый уровень | До ~5 MVA (одноступенчатый); большие единицы имеют рейтинг ONAN при сниженной нагрузке |
| ОНАФ | Добавляет вентиляторы радиатора; воздух дует по охлаждающим поверхностям | +20 до +33% | 5-100 МВА |
| ОФАФ | Масляные насосы принудительно циркулируют; вентиляторы принудительно обдувают радиаторы | +40 до +50% | 50-300 МВА |
| ОФВФ | Масло прокачивается через водяной охладитель | +40 до +50%, компактные размеры | Большие единицы, где доступна вода |
| ODWF / ODAN / ODAF | Направленный поток масла через каналы обмотки; вентиляторы или вода снаружи | До +60% по направленному дизайну | 100 MVA и выше |
Многоступенчатые рейтинги обычно используются при покупке силовых трансформаторов, например, ONAN/ONAF/ONAF или комбинация ONAN/ONAF/ONAF/ONAF, и позволяют операторам включать вентиляторы по мере увеличения нагрузки. Например, трансформатор мощностью 60 MVA может иметь рейтинг 40 MVA как ONAN, 50 MVA как ONAF и 60 MVA, с активными всеми вентиляторами. Используемые вентиляторы обычно являются осевыми и потребляют от 0.75 кВт до 3 кВт мощности, что является незначительным количеством с учетом нагрузок, которые они поддерживают, составляя несколько сотен до тысяч долларов за установку, включая вентилятор.
ONAN против ONAF против OFAF против ODWF
| Особенность | ОНАН | ОНАФ | ОФАФ | ODWF |
|---|---|---|---|---|
| Подвижные части | Ничего | Только вентиляторы | Насосы + вентиляторы | Насосы + водяная система |
| Типичный диапазон номинальной мощности | До 5-10 MVA | 5-100 МВА | 50-300 МВА | 100 MVA и выше |
| Стоимость за MVA | Наименьший | Умеренное | Верхний | Наивысшая |
| Надежность / обслуживание | Наивысшая; нечему ломаться | Моторы вентиляторов требуют внимания | Уплотнения насосов и моторы добавлены | Риск утечек воды и загрязнения |
| Площадь основания | Большие радиаторные банки | Компактные радиаторы + вентиляторы | Компактные с насосами | Наиболее компактные |
| Шум | Наименьший | Шум от вентиляторов | Шум от насосов + вентиляторов | Шум от насосов + воды |
Понятно, что здесь есть инженерные компромиссы: каждая дополнительная ступень принудительного охлаждения обеспечивает дополнительное MVA на единицу объема бака, но приводит к добавлению оборудования, которое может выйти из строя, потреблять энергию или производить шум. ONAN по-прежнему является наиболее распространенным вариантом, поскольку у него нет режимов отказа, кроме трансформатора, в то время как ONAF является стандартным вариантом благодаря доступным, проверенным и легко устанавливаемым вентиляторам; OFAF и ODWF используются только для больших трансформаторов, когда баки и плотность тепла не оставляют другого выбора.
Классы повышения температуры и ограничения
| Параметр | IEC 60076-2 Типичное значение | IEEE C57.12.00 Типичное значение |
|---|---|---|
| Макс. средний подъем обмотки (масляное погружение) | 65 тыс. | 55 тыс. (OA), 65 тыс. (FA) |
| Макс. подъем температуры горячей точки обмотки | 78 K (горячая точка 85°C, 7 K допустимое значение окружающей температуры) | 80 K |
| Макс. подъем верхнего масла | 60 тыс. | 55-65 K по классу |
| Проектная температура окружающей среды | Средняя 30°C, макс. 40°C | 30°C средняя, 40°C макс. |
| Макс. предельная температура горячей точки | 98°C (обмотка), 105°C (масло) | 110°C непрерывно |
Эти данные являются частью соглашения или контракта с форматом. Если трансформатор не проходит испытание на подъем температуры на заводе, то он не соответствует условиям спецификации, и сертификат должен включать измеренный подъем температуры. Когда учитывается высота (1,000 м или выше) или высокая температура окружающей среды (плюс или минус 40 градусов Цельсия), то факторы должны проверяться в IEC 60076-2, причина в том, что устройства должны быть снижены в мощности в более жарком климате и, следовательно, будут отличаться от устройств, которые будут использоваться в умеренном климате.
Чтобы понять, как различные стадии охлаждения влияют на процесс | тот же трансформатор мощностью 25 МВА рассматривался при различных условиях и процессах, чтобы можно было осознать особенность, когда поставщики предоставляют нереалистичные предложения:
| Режим охлаждения | Непрерывный рейтинг (25 MVA Tank) | Подъем при 25°C окружающей температуры | Подъем при 40°C окружающей температуры | Необходимость снижения мощности при 40°C |
|---|---|---|---|---|
| ONAN (естественное) | ~15 МВА | 52 K верхнего масла | 67 K верхнего масла | ~12% |
| ONAF (вентиляторы включены) | ~20 МВА | 48 K верхнего масла | 63 K верхнего масла | ~8% |
| OFAF (насосы + вентиляторы) | ~25 МВА | 44 K верхнего масла | 59 K верхнего масла | ~5% |
| ODWF (направленное + вода) | ~30 МВА | 40 K верхнего масла | 55 K верхнего масла | ~5% |
Модернизация и повышение мощности существующих единиц
Переход от ONAN к ONAF обслуживанию часто является предпочтительным методом модернизации, поскольку он обычно дешевле, чем покупка большего трансформатора.
Проверьте тепловой дизайн. Получите подтверждение от производителя о том, могут ли радиаторы и горячая точка в обмотках справляться с дополнительным теплом. Некоторые резервуары потребуют дополнительной площади радиатора даже при установке вентиляторов.
- Установите вентиляторный блок. Стоимость обычно будет в пределах $1500 до $8000 и будет включать 2-6 осевых вентиляторов, защитные решетки, монтажные рамы, проводку в дополнение к контакторам, в то время как установка потребует 2-4 дня отключения.
- Оснастите температурным контролем переключения. Вентиляторы должны начинать работать от сигнала температуры верхнего масла, отключаясь автоматически на основе либо таймера, либо падения температуры, чтобы избежать быстрого циклического режима работы.
- Обновите табличку и защиту. Новый комбинированный рейтинг должен быть включен в настройки реле, а также в записи о техническом обслуживании.
- Ввод в эксплуатацию с тепловым испытанием. Рекомендуется повторить испытание на подъем температуры при новом рейтинге, чтобы убедиться, что подъем обмотки составляет 65 K.
Превышение ONAF и использование принудительной циркуляции масла требует больше усилий, так как это включает в себя добавление масляных насосов и модификацию трубопроводов резервуара. Этот вариант рассматривается при работе с трансформаторами, превышающими 30 MVA. Конверсии с водяным охлаждением (OFWF) могут быть возможны, но на практике они не приносят много преимуществ, так как связаны с риском утечек.
Охлаждение трансформаторов сухого типа
Трансформаторы сухого типа характеризуются использованием воздуха для охлаждения и соответствием определенным стандартам, которые включают AN (воздушное естественное) или AF (воздушное принудительное). В отношении удаления тепла трансформаторы сухого типа не содержат масла и, следовательно, полагаются на площадь своих инкапсулированных или намотанных катушек. Мощность трансформаторов сухого типа относительно меньше, чем у моделей с масляным наполнением. Например, типичные трансформаторы из литой смолы могут достигать максимальной мощности до 3-10 MVA. Трансформаторы сухого типа могут быть классифицированы на два класса повышения температуры в соответствии со стандартом IEC 60076-11: класс F (который повышается на 100K, достигая температуры 155°C) и класс H (который повышается на 125K, достигая температуры 180°C).
Реализация принудительного воздушного охлаждения добавляет несколько сотен долларов на вентилятор и увеличивает номинальную мощность трансформатора примерно на 25 до 30%. Ключевое преимущество трансформаторов сухого типа заключается в отсутствии масла в процессе эксплуатации. Однако использование воздуха в качестве охлаждающей среды также имеет определенные недостатки, такие как необходимость в надлежащей вентиляции и дорогая система управления пылью.
Какой метод охлаждения для какого применения
- Трансформаторы распределения мощностью более 2,5 МВА – В этом случае стандартным методом, используемым для большинства приложений, является ONAN. Однако он может быть использован в случае наличия пиковых промышленных нагрузок, что позволяет использовать ONAF.
- Силовые трансформаторы – На данном этапе метод ONAN может быть использован с некоторыми вентиляторами для обеспечения подходящей охлаждающей среды.
- Крупные силовые трансформаторы (более 100 МВА) имеют тип OFAF, поэтому для этих устройств используются масляные насосы и системы принудительного потока.
- ОФШОРНЫЕ РАЙОНЫ И ПЕРЕПОЛНЕННЫЕ МЕСТА – Предпочтительно использовать тип OFWF, когда имеются водные ресурсы, что позволяет уменьшить размер системы.
- Внутренние коммерческие здания работают с сухими типами устройств, используя методы AN и AF, так как масло и внутренние противопожарные нормы не сочетаются.
- Горячий климат и высокогорные базы требуют внедрения дополнительного уровня охлаждения и/или снижения мощности, так как окружающий воздух не способен убирать много тепла.
Сравнение брендов и цен
| Бренд | Происхождение | Предлагаемые технологии охлаждения | Приблизительный диапазон цен (1 МВА ONAN) |
|---|---|---|---|
| ABB | Швейцария/Швеция | Полный ассортимент, опыт ODWF и направленного потока | $10,000-$25,000 |
| Сименс | Германия | Крупные силовые установки, поэтапный ONAF/OFAF | $11,000-$28,000 |
| Hitachi Energy | Швейцария | Силовые трансформаторы с усовершенствованным охлаждением | $12,000-$30,000 |
| Schneider Electric | Франция | Распределительные и сухие типы AF | $9,000-$22,000 |
| Итон / Дженерал Электрик | США | Распределение ONAN/ONAF | $7,000-$18,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Китай | ONAN, ONAF, поэтапные рейтинги, сухие типы AN/AF | $5,000-$14,000 |
Лидеры рынка, такие как ABB, Siemens, Hitachi Energy и Schneider Electric, являются определяющими игроками в индустрии крупномасштабных силовых трансформаторов с их проектами ODWF/OFAF, которые используются в качестве эталонов в отрасли. Примечательно, что такие производители, как Jiangsu Subian Electric Power, известны своими устройствами ONAN и поэтапными ONAF, разработанными для меньших классов 0,5-10 МВА, которые интересуют большинство клиентов. Их устройства были протестированы в соответствии с IEC 60076-2, и они получают сертификаты, подтверждающие, что лаборатории по измерению температуры могут измерять повышение температуры их трансформаторов. Subian отправляет свою продукцию по всему миру; они могут производить резервуары и радиаторы в соответствии со спецификациями клиентов по ценам, которые на 40-60% ниже, чем цены, предложенные их европейскими конкурентами. Клиенты, которым необходимо переоборудование вентиляторных установок, должны проконсультироваться с Subian о технических спецификациях для технологии поверхности радиатора и выбора насосов, так как при температуре окружающей среды до 40 градусов Цельсия эти спецификации важнее, чем цена.
Как выбрать правильный метод охлаждения
- Первое, что нужно сделать, это определить тип профиля нагрузки. Профиль нагрузки с постоянным использованием имеет более высокие требования к охлаждению, чем профиль нагрузки с переменным использованием. Поэтому этап охлаждения может быть оптимизирован для работы вентиляторов только в пиковые часы после обеда.
- Далее следует учитывать влияние окружающей среды. Если ваша окружающая среда превышает 40 градусов Цельсия или вы находитесь на высоте более 1000 метров, вам необходимо снизить мощность в соответствии с IEC 60076-2 или обеспечить дополнительный этап охлаждения.
- Убедитесь, что вы учитываете требования к пространству для оборудования. Радиаторные банки требуют места на площадке, но технологии OFWF и ODWF уменьшают размер занимаемой площади за счет водяных систем.
- Надежность имеет высокое значение. Для критической инфраструктуры следует отдавать предпочтение этапам ONAN и простым вентиляторам вместо насосов, когда это возможно, при условии, что рейтинг позволяет.
- Будьте внимательны к общей стоимости владения. Двигатели и насосы потребляют энергию и требуют обслуживания. Большой бак ONAN может иметь более низкую стоимость, чем простой вентилятор с принудительным охлаждением.
- Не забудьте запросить испытание на повышение температуры с увеличением обмотки на 65 K (или желаемое), подтвержденным испытательным сертификатом, а не предполагаемым.
Обслуживание и мониторинг
Отказ систем охлаждения происходит без звука и обычно указывается сигналом тревоги, вызванным падением температуры. В хорошей практике охлаждения включается ряд проверок неисправных частей, таких как лопасти вентилятора, моторы вентиляторов, защитные решетки и так далее. В дополнение к ежемесячной проверке всех упомянутых частей, следует проводить квартальную проверку уплотнений насосов и индикаторов потока масла. Вместе с ежегодной термографией радиаторных банков также необходимо провести письменное испытание автоматического запуска вентилятора, управляемого температурным переключателем. Что касается больших охлаждающих плат, секция температуры обмотки и DGA должны анализироваться вместе; если наблюдается повышение температуры горячей точки без неисправности вентилятора, это указывает на проблему внутри внутренней части охлаждающего устройства.
Объем масла в консерваторе должен соответствовать проекту охлаждения. Появление низкого уровня масла может привести к ситуации, когда происходит кавитация, и это может быть гораздо более опасно по сравнению с перегревом.
Часто задаваемые вопросы
Что означают ONAN и ONAF на табличке трансформатора?
Это обозначения, связанные с охлаждением в соответствии с IEC 60076-2. ONAN означает естественное масло и естественный воздух, что означает стандартный дизайн с самок охлаждением. Обозначение ONAF включает вентиляторы радиатора, которые помогают охлаждать трансформатор, и таким образом обозначение ONAF указывает на увеличенную рабочую мощность, которая на 20% до 33% выше, чем у конструкции с самок охлаждением. По этой причине трансформаторы ONAN/ONAF имеют двойной рейтинг.
Сколько стоит добавить принудительное воздушное охлаждение к трансформатору?
Ретрофит ONAF на трансформаторе класса распределения стоит от 1500 до 8000 долларов, так как обычно включает установку 2-6 вентиляторов, а также установку защит, контакторов и переключателей управления температурой. Использование принудительного воздуха помогает повысить мощность трансформатора как минимум на 20-33.
Могу ли я перегрузить трансформатор, если включу вентиляторы?
Перегрузки разрешены только до рейтинга ONAF и только если температура воздуха и высота находятся в пределах, предусмотренных концепцией. Фактическое повышение температуры является требованием; таким образом, в случае повышения средней температуры выше 65K срок службы изоляции будет сокращен.
В чем разница между охлаждением OFAF и ODWF?
Разница заключается в том, что в OFAF масло циркулирует через радиатор, в то время как в OFDA масло перекачивается в каналы охлаждения обмоток с помощью потока воды через теплообменник.
Имеет ли значение высота над уровнем моря для охлаждения трансформатора?
Действительно, имеет. На высоте выше 1000 метров плотность воздуха уменьшается, что делает охлаждение очень неэффективным.
Ссылки
- IEC 60076-1 — Силовые трансформаторы, общие требования — Основные спецификации для номиналов и потерь.
- IEC 60076-2 — Силовые трансформаторы, Повышение температуры — Стандарт, который определяет коды охлаждения и пределы повышения температуры.
- IEEE C57.12.00 — Общие требования к трансформаторам с жидким заполнением — Североамериканский код охлаждения и базовый уровень повышения температуры.
- IEC 60076-11 — Трансформаторы сухого типа — Термоклассы для воздушно-охлаждаемых устройств.
- Hitachi Energy — Продукты трансформаторов — Справочник по ступенчатым номиналам охлаждения для крупных силовых трансформаторов.
- Трансформаторы ABB — Отраслевой справочник по вариантам технологий охлаждения и техническим данным.
- Трансформаторы Siemens Energy — Документация по охлаждению и повышению мощности для силовых трансформаторов.
Заключение
Охлаждение трансформаторов является важным решающим фактором, определяющим мощность и срок службы трансформатора. Каждый раз, когда читается 4-буквенный код для охлаждения, понимаются спецификации повышения температуры и делается выбор между естественным охлаждением, принудительным охлаждением или добавлением вентилятора к существующим системам охлаждения, вся эта информация имеет практическое применение в инженерии.
- ONAN является базовым стандартом; ONAF представляет собой улучшение и состоит из 20-33% по сравнению с ONAN с дополнительными затратами на модернизацию от $1,500 до $8,000.
- OFAF и ODWF используются для трансформаторов больших размеров для плотностей тепла.
- Температура должна быть подтверждена через испытание и сертифицирована с повышением температуры обмотки на 65 K.
- В случае высокой высоты или температур трансформаторы должны быть понижены в мощности или охлаждение должно быть усилено.