Трансформаторы сухого типа заполнены маслом для снижения перегрева — Правда или Ложь?

Авторы ставят под сомнение свои собственные утверждения. Их взгляды на сухие трансформаторы не могут быть оправданы. Поскольку эти типы трансформаторов не содержат жидкости, трансформатор состоит из обмоток и сердечника, поддерживаемых окружающим воздухом. Изоляционные материалы, используемые в случае сухих трансформаторов, являются твердыми, то есть эпоксидными, смолами, пропитанными материалами или обмотками, пропитанными под вакуумным давлением. В масляных трансформаторах присутствуют жидкости, и, следовательно, требования к конструкции для сухих трансформаторов не могут применяться к масляным типам трансформаторов. В результате основное утверждение статьи заключается в том, что процесс, использованный в статье, не подходит для типа оборудования, к которому он применяется.

В заключение, результат неблагоприятный. Поэтому, с включением системы охлаждения на основе масла, сухой трансформатор превращается в трансформатор с жидким наполнителем. Охлаждение осуществляется воздухом, либо естественным (т.е. атмосферным), либо механическим (т.е. принудительным). Согласно IEC 60076-11, существуют различные типы тепловой изоляции (Класс A (105 °C), Класс E (120 °C), Класс B (130 °C), Класс F (155 °C), Класс H (180 °C), Класс N (200 °C) и Класс C (220 °C)), с их пределами, зависящими от экологических характеристик класса.

Претензия и почему она неверна

Слово “сухой” не имеет ничего общего с маркетинговыми фразами, а касается трансформаторов с охлаждающими и изоляционными элементами, которые не являются жидкими. IEC выпустила IEC 60076-11, относящуюся к сухим трансформаторам и указывающую на единицы, способные работать при мощности 2500 кВА и напряжении 36 кВ. Термин “сухой”, используемый здесь, подразумевает отсутствие жидкости.

Путаница в этом вопросе возникает, потому что оба типа трансформаторов могут выглядеть одинаково с точки зрения их внешнего вида, расположения в подстанциях и имеют одних и тех же производителей. Оба типа трансформаторов способны преобразовывать электрическую энергию из одной формы в другую через сердечник, сделанный из металла, и медные катушки. Что отличает их, так это то, что силовые трансформаторы используют масло, в то время как сухой трансформатор использует только воздух в качестве изоляционного и охлаждающего средства.

Обе группы обычно сравниваются именно по критериям, которые этот миф переворачивает, где действительно различаются сухие и масляные трансформаторы сводится к охлаждающей среде, пожарной нагрузке, занимаемой площади, режиму обслуживания и месту установки устройства — а не к тому, какой из них содержит масло.

Что на самом деле охлаждает сухой трансформатор

Воздух в основном отвечает за то, что сухие типы уступают в плане максимального повышения температуры по сравнению с масляными аналогами с идентичными номинальными мощностями.

• Тепловая производительность. Теплопроводность воздуха оценивается примерно в 0.026 Вт/м·К. С другой стороны, теплопроводность трансформаторного масла составляет около 0.12 Вт/м·К, что означает, что масло имеет в четыре или пять раз большую тепловую производительность, чем воздух. Эта единственная цифра проливает свет на различия между группами видов.
• Методы охлаждения. Воздушное естественное (AN) охлаждение осуществляется только за счет конвекции, в то время как принудительное воздушное (AF) требует установки вентиляторов, обеспечивающих повышенную кратковременную производительность охлаждения. Еще одна альтернатива, известная как гибридный тип, называется ANAF и означает естественное воздушное охлаждение при нормальной нагрузке и охлаждение с использованием вентиляторов при полной нагрузке. Обратите внимание, что установка вентиляторных установок делает такой тип более шумным и увеличивает необходимость в обслуживании, что необходимо подчеркнуть, когда кто-то утверждает, что он нацелен только на AF из-за его предполагаемых преимуществ.
• Просвет и циркуляция воздуха. Большинство производителей рекомендуют обеспечивать как минимум 300 мм просвета от стен для естественного воздушного охлаждения или уменьшать минимальный просвет до примерно 150 мм при использовании принудительного воздушного охлаждения. Указанная величина должна учитываться при планировании установки оборудования, так как рекомендации производителей формулируют четкие ограничения.
• Чистота имеет решающее значение для эффективности охлаждения, так как наличие пыли на обмотках и в каналах охлаждения может привести к потерям эффективности до 15-30%. Именно поэтому программы периодического обслуживания для сухих трансформаторов учитывают регулярную очистку, в то время как масляные аналоги не предоставляют ни рекомендаций, ни требований.
• Высота над уровнем моря и параметры окружающей среды оказывают негативное влияние на функционирование охлаждения.

Метод охлаждения также становится наименованием в техническом паспорте, и устройства с влажным типом используют те же буквы по-другому — сравнение технологий охлаждения между типами трансформаторов, включая масляные принудительные варианты, изложено в этом обзоре методов охлаждения трансформаторов, который является полезной справкой, когда спецификация упоминает ONAN, ONAF или OFAF, и вам нужно знать, к чему обязывают поставщика эти буквы.

Классы изоляции и пределы повышения температуры

Здесь становится актуальным рейтинг сухого трансформатора, поэтому точность имеет решающее значение. Нет масла, которое помогло бы рассеивать тепло, поэтому твердая изоляционная система должна выдерживать температуры, для которых она предназначена; IEC 60076-11 описывает как класс изоляции, так и максимальное допустимое повышение температуры в зависимости от температуры окружающей среды.

• Класс A (105 °C) — 60 K повышение температуры обмотки. Старое оборудование.
• Класс E (120 °C) — 75 K. Это не слишком распространено сегодня.
• Класс B (130 °C) — 80 K. Часто используется в общих приложениях.
• Класс F (155 °C) — 100 K. Это то, что обычно используется для распределительных приложений.
• Класс H (180 °C) — 125 K. Используется в более требовательных условиях эксплуатации с большими нагрузками.
• Класс N (200 °C) — 135 K. Этот класс используется в специальных приложениях.
• Класс C (220 °C) — 150 K. Широко используется в Северной Америке в установках сухого типа VPI; при температуре 150 K температура горячей точки при номинальной нагрузке превышает 210 °C.

В сравнении, трансформатор с масляным погружением, соответствующий стандартам IEC 60076-2 и ANSI, при максимальном повышении температуры на 65 K и среднем повышении температуры верхнего масла, которое, как считается, не превышает 55 K, поддерживает температуру горячей точки на уровне 78 °C выше уровня окружающей среды. Масло не предназначено для охлаждения трансформатора, а скорее для достижения достаточно высокой эффективности в процессе удаления тепла и обеспечения диэлектрической изоляции между ведущими витками и последующими обмотками.

Это важно для бизнеса в контексте термического старения. Уравнение Аррениуса утверждает, что срок службы изоляции сокращается вдвое при каждом повышении температуры на 10 °C. Следовательно, трансформатор сухого типа, превышающий температуру горячей точки на 20 °C, потеряет не только часть своего срока службы, но и его большую часть, при этом его неисправность проявится в виде отказа изоляции далеко после сбоя, а не даст никаких предварительных признаков. Именно поэтому конструкция обмотки и система изоляции, а не корпус, определяют, что трансформатор сухого типа может на самом деле выдерживать, и детали на уровне компонентов, касающиеся этого, рассматриваются в том, что находится внутри трансформатора сухого типа и почему каждая часть имеет значение.

Три конструкции, три разных продукта

Поскольку “сухой тип” не является самостоятельным отличием, а скорее обобщающей концепцией, мы можем увидеть, что три основные разновидности ведут себя достаточно по-разному, чтобы их нельзя было использовать взаимозаменяемо.

• Литьевой смола. В простых терминах мы инкапсулируем обмотки в смоле под вакуумом, формируя твердое тело изоляции, обладающее хорошими механическими свойствами и высокой стойкостью к воде, пыли и химической агрессии. Частичное разряд становится здесь важным, поскольку сбой обычно начинается в твердых телах из-за пустот, и именно поэтому организация IEC 60076-11 делает испытания на частичный разряд обязательными. Это типично для распределительных сетей внутри помещений.
• Смола-инкапсулированный и метод VPI. В этой технике, вместо того чтобы делать обмотку с использованием метода литья, мы сначала пропитываем ее смолой в камере высокого давления, получая надежную изоляционную систему класса H или класса C с хорошей устойчивостью к перегрузкам. Этот метод стал довольно распространенным в США, особенно в работах по модернизации.
• Открытый или вентилируемый тип. Здесь обмотка просто заключена в оболочку, полагаясь на воздушный поток и обычно более высокий класс изоляции в целом. Этот метод обычно не так дорог и уровни защиты достигают IP20 или IP23.

Рейтинг корпуса не зависит от предпочтений владельцев, а от того, в какой среде используется устройство: например, рейтинг IP00 будет использоваться в случае открытых обмоток, размещенных в специально отведенной комнате, IP20 будет в случае установки внутри закрытой комнаты. Представительным продуктом в этой области является трансформатор распределения сухого типа серии SCB с литьевой смолой для систем 6–10 кВ, где параметры, такие как обмотка, заключенная в эпоксидную смолу, указанная класс изоляции и сердечник с низкими потерями, определяют пригодность, а не только значение kVA.

Где используются сухие трансформаторы и почему миф сохраняется

Причина использования сухих трансформаторов заключается в безопасности. Отсутствие жидкости подразумевает, что не будет утечек масла, не потребуется бундированная защита, не будет ямы для сбора масла, не будет пожарной нагрузки в сто литров жидкости, горящей внутри здания, и не потребуется периодическое тестирование масла. Это делает возможным их использование в помещениях, близко к рабочим зонам, в туннелях, на морских платформах, а также внутри центров обработки данных.

Примеры применения включают:

• Центры обработки данных и ИТ-объекты, включая помещения среднего напряжения, изоляторы ИБП и понижающие устройства PDU, где нет шансов на восстановление после инцидента с утечкой масла.
• Больницы, аэропорты, торговые центры, высотные здания и т.д., где из-за ограничений по пожарной безопасности невозможно использовать трансформаторы с масляным наполнением рядом с людьми.
• Отрасль возобновляемой энергии, где применение ветряной турбины, башни или инвертора может быть оправдано из-за дорогого доступа для обслуживания и ограниченного объема корпуса.
• Промышленные предприятия и коммунальные службы, где последствия утечки масла могут рассматриваться как опасные и где потребуются меры безопасности.
• Городские и подземные подстанции, где площадь и риск пожара имеют важное значение, и сухие трансформаторы могут использоваться там, где масляные трансформаторы требуют специально оборудованного противопожарного помещения с соответствующим классом огнестойкости.

Реальные проекты в этой области обычно специфицируются по той же логике, и поставленная установка дает лучшее представление об этом, чем технический паспорт — например, сухие трансформаторы, поставленные для проекта с двойным источником питания в Пакистане показывают схему: двойные источники питания, установка внутри помещения, отсутствие сбора масла и схема защиты, построенная вокруг трансформатора, а не вокруг риска самого трансформатора.

Миф происходит из трех источников.

• Синонимы продуктов. Почти все производители предлагают оба типа, и масляные продукты часто занимают первое место в каталоге, так как они оказываются менее дорогими в эксплуатации. Таким образом, человек, просматривающий каталог, увидит термин масло и предположит, что все продукты, представленные вместе с ним, являются масляными.
• Путаница с терминами. Слова, такие как ONAN и ONAF, описывают типы охлаждения, и те же буквы присутствуют в трансформаторах сухого типа с другим значением. Например, “AN” означает естественное воздушное охлаждение в случае трансформаторов сухого типа.
• Путаница функциональная, а не косметическая. Масляные трансформаторы действительно лучше предотвращают перегрев, что делает фразу “масло предотвращает перегрев” истинной, если применить ее к другой группе трансформаторов. Ошибка здесь заключается в том, что это утверждение приписывается неправильному типу трансформатора.

Что проверить перед покупкой

Пять факторов значительно влияют на выбор, и все они должны быть указаны в техническом паспорте, а не обсуждаться подробно во время продаж.

• Классификация изоляции и повышение температуры. Класс F с 100 K и класс H с 125 K — это два разных продукта, обладающих одинаковой мощностью в кВА. Убедитесь в наличии как класса, так и уровня повышения температуры, а также в условиях окружающей температуры.
• Условия охлаждения и наличие вентиляторов. AN, AF или ANAF включены, а также уровень шума для устройства, расположенного близко к занимаемой зоне.
• Классификация IP корпуса и ее влияние на непрерывный рейтинг на объекте.
• Потери и рейтинг эффективности. Потери в режиме холостого хода и потери при нагрузке формируют эксплуатационные расходы на протяжении всего времени его работы. Они дополнительно подлежат регулированию в некоторых странах, так как, например, GB/T 10228-2023 устанавливает определения классов эффективности в Китае, в то время как регламенты ErP Tier 2 контролируют качество продукции на европейском рынке.
• Требования к сертификации. IEC 60076-11 является международно признанным стандартом, а UL 1562 — стандартом для трансформаторов сухого типа общего назначения и силовых трансформаторов, используемых в Северной Америке.

Одно важное слово о цене: трансформаторы сухого типа обычно дороже масляных трансформаторов того же типа, и причина этого. Это не связано с лучшими характеристиками этих устройств, а с их ценой, так как они не используют масло. В общем, они гораздо дешевле на протяжении всего периода установки и дороже на начальном этапе.

Часто задаваемые вопросы

Заполнены ли трансформаторы сухого типа маслом?

Нет. В сухих трансформаторах нет жидких сред для целей охлаждения или изоляции. Вместо этого сухие трансформаторы полагаются на воздух для охлаждения, либо через естественное охлаждение, как в трансформаторах типа AN, либо искусственное, как в трансформаторах типа AF. Они также используют твердые изоляционные материалы, такие как изоляция из литой эпоксидной смолы или обмотки, пропитанные смолой. Стандарт IEC 60076-11 касается сухих трансформаторов, который действителен для трансформаторов с номинальной мощностью 2500 кВА и номинальным напряжением 36 кВ.

Почему у трансформаторов сухого типа более низкие пределы повышения температуры, чем у трансформаторов с масляным погружением?

Воздух известен как гораздо менее эффективный проводник тепла по сравнению с маслом. С теплопроводностью 0.026 W/m·K для воздуха против около 0.12 W/m·K для изоляционного масла, сухой трансформатор не может быстро избавиться от избыточного тепла от катушек. Для того чтобы изоляция оставалась достаточно хорошей в течение всего 30-летнего срока эксплуатации, необходимо, чтобы температура катушек не поднималась слишком резко — 60 K в случае изоляции класса A и 150 K для изоляции класса C, которые указаны в IEC 60076-11. В случае масляного трансформатора было замечено, что температура катушек увеличилась до 65 K, в то время как температура масла возросла на 55 K.

Как трансформатор сухого типа охлаждает себя без масла?

Передача энергии происходит через три формы. Передача от катушки к твердой изоляции может происходить через проводимость, от корпуса к окружающему воздуху через конвекцию и через излучение от корпуса. Естественной конвекции (AN) достаточно для почти всех приложений, где есть достаточно места для этого процесса на расстоянии около 300 мм от любой стены или 150 мм при использовании принудительного охлаждения. Для удовлетворения увеличенных требований к мощности при сохранении того же базового размера устройства устанавливаются вентиляторы (AF) или устанавливаются с условием их работы только при необходимости (ANAF). В плане ухода пылевое покрытие катушек и каналов для охлаждения снижает эффективность систем на 15-30%.

Что лучше, трансформатор сухого типа или трансформатор с масляным погружением?

Ни один из типов трансформаторов не является предпочтительным; вместо этого они предназначены для различных приложений. Если пожарная безопасность, установка в помещениях, близость к людям, экологическая безопасность и сложное обслуживание препятствуют его использованию (например, в центрах обработки данных, больницах, высотных зданиях, туннелях, морских и городских подстанциях), следует использовать сухой трансформатор. Масляный трансформатор должен быть выбран, если необходима низкая стоимость за кВА, работа при высокой температуре, установка на открытом воздухе в огражденной зоне или легкость обслуживания масла, что обычно требуется для крупных распределительных и трансмиссионных установок на открытом воздухе. Типы трансформаторов не являются взаимоисключающими; на самом деле, обычно на одном объекте используются масляные трансформаторы на входных подстанциях и сухие трансформаторы на распределительных станциях.

Ссылки

1. Международная электротехническая комиссия — IEC 60076-11, трансформаторы сухого типа
2. UL Standards & Engagement — UL 1562, Трансформаторы, Распределение, Сухие типы
3. NFPA 70, Национальный электрический кодекс — Статья 450, трансформаторы и трансформаторные камеры
4. Schneider Electric — документация по применению и выбору трансформаторов сухого типа
5. Siemens — справочные материалы по технологии трансформаторов и методам охлаждения

Заключение

Трансформаторы сухого типа имеют различные принципы конструкции по сравнению с традиционными трансформаторами, поскольку они работают без масла в качестве изоляции. Несмотря на то, что трансформаторы сухого типа теряют некоторую тепловую стойкость и не используют никакие горючие жидкости в качестве изоляционных материалов, эти трансформаторы могут быть установлены в таких местах, как центры обработки данных, больницы, туннели и подвалы без необходимости управления разливами, противопожарных служб или мониторинга масла. Проблема с пониманием трансформатора сухого типа связана с аналогичным принципом работы как масляных, так и сухих трансформаторов и существованием одинаковой терминологии для обоих. Инструкции, касающиеся этого типа трансформатора, предоставляют достаточную информацию о системе изоляции, повышении температуры и различных методах охлаждения.