Nárůst teploty transformátoru: Meze, výpočty a průvodce chlazením

Nárůst teploty transformátoruje jedním z těch technických detailů, které mohou na papíře vypadat jednoduše, ale v reálném provozu jsou velmi důležité. Každý transformátor produkuje teplo, když je pod napětím a nese zátěž. Úkolem je dostat toto teplo efektivně ven a udržet jádro, vinutí, izolaci a olej v určeném teplotním rozsahu.

To se stává zvláště důležité solejový-transformátor. Transformátorový olej dělá víc než jen elektrickou izolaci. Také odvádí teplo z aktivních částí a přenáší je do nádrže, radiátorů a okolního vzduchu.

Takže, když inženýři mluví ozvýšení teploty olejových{0}}transformátorůskutečně sledují celý tepelný systém - ztráty transformátoru, cirkulaci oleje, chladicí zařízení, okolní podmínky, konstrukci nádrže a skutečné zatížení.

Nárůst teploty a teplota transformátorů

Za prvé, stojí za to objasnit jeden společný bod:teplota transformátoruazvýšení teploty transformátorunejsou totéž.

Teplota transformátoru je skutečná teplota součásti, jako je vinutí, horní olej, jádro nebo nádrž. Nárůst teploty jerozdíl mezitato teplota a specifikovaná okolní nebo referenční teplota.

Jednoduše řečeno:

Teplota transformátoru=Okolní teplota + Nárůst teploty

Pokud je například okolní teplota 30 stupňů a nejvyšší-teplota oleje je 55 K, je přibližná horní{3}}teplota oleje 85 stupňů .

Samozřejmě, skutečný transformátor není tak přímočarý. Různé části pracují při různých teplotách. Teplota vinutí je normálně vyšší než okolní olej a malá oblast vinutí se může stát mnohem teplejší, než je průměrná teplota vinutí. Tato oblast s nejvyšší-teplotou je známá jakovinutí horké místo.

Proto tepelný design transformátoru sleduje více než jen jeden údaj o teplotě.

Normy pro zvýšení teploty transformátoru

Požadavky na zvýšení teploty-závisí na příslušné normě, konstrukci transformátoru, izolačním systému, způsobu chlazení a provozních podmínkách.

IEC 60076-2poskytuje požadavky na testy -nárůstu teploty pro transformátory ponořené do kapaliny{1}}. TheIEEE C57série je také široce používána, zejména pro aplikace transformátorů v Severní Americe.

Pro konkrétní projekt je vždy lepší zkontrolovat příslušnou normu a specifikaci projektu, než jednoduše kopírovat údaj o teplotě z jiného transformátoru.

Tabulka limitů nárůstu teploty transformátoru

Pro konvenční konstrukce transformátorů ponořených do kapaliny- jsou běžně uváděné hodnoty z IEC 60076-2 následující:

Tyto údaje jsou užitečné technické reference, ale neměly by být považovány za univerzální limity pro každý transformátor. Skutečné požadavky se mohou lišit v závislosti na izolační kapalině, izolačním systému, uspořádání chlazení, specifikaci transformátoru a příslušné normě.

A je tu další bod, který lze snadno přehlédnout:nárůst teploty není absolutní teplota.

Tabulka je jen jednoduchou ilustrací. Skutečná provozní teplota transformátoru závisí na zatížení, podmínkách chlazení, distribuci tepla a tepelném návrhu výrobce.

Postupy transformátorů IEEE také rozlišují mezi konstrukcemi s různými průměrnými nárůsty teploty vinutí, včetně běžně používaných55 stupňůa65 stupňůnávrhy transformátorů ponořených do minerálního-oleje-. Takže opět platí, že garantovaná technická data výrobce by měla být konečnou referencí pro konkrétní projekt.

Stárnutí izolačního materiálu a nárůst teploty

Teplota má přímý vliv na stárnutí izolace transformátoru.

Když izolace funguje při zvýšených teplotách po dlouhou dobu, proces stárnutí se obecně urychluje. Jak pevná izolace, tak izolační olej mohou být ovlivněny trvalým tepelným namáháním.

Thevinutí horké místosi zaslouží zvláštní pozornost. Transformátor může mít přijatelnou průměrnou teplotu vinutí, zatímco lokalizovaná oblast je výrazně teplejší.

Dobrý design transformátoru se snaží udržet tato horká místa pod kontrolou. Svou roli hraje správná geometrie vinutí,-cesty toku oleje, výběr vodičů a chladicí kapacita.

Vážený průměr okolní teploty

Okolní teplotaje další faktor, který by neměl být přehlížen.

Transformátor pracující při stejném nárůstu teploty bude mít samozřejmě vyšší absolutní teplotu, když je instalován v horkém prostředí.

To je zvláště důležité v tropických oblastech, v uzavřených rozvodnách a průmyslových zařízeních, kde mohou okolní teploty zůstat vysoké po dlouhou dobu.

Technici možná budou muset vzít v úvahu sezónní teploty, nadmořskou výšku instalace, ventilaci, sluneční záření a okolní zařízení.

Jinými slovy, stejný transformátor se může chovat zcela odlišně ve dvou instalačních prostředích, i když je jmenovitý nárůst teploty stejný.

Vytápění a chlazení transformátoru

Transformátor generuje teplo hlavně přesztráta jádra, ztráta vinutí a ztráta rozptylového zatížení.

Ztráty jádra jsou spojeny především s hysterezí a vířivými proudy v magnetickém jádru. Ztráty ve vinutí souvisejí hlavně s odporem vodiče, zatímco další rozptylové ztráty se mohou vyskytovat ve vinutích, stěnách nádrže, svorkách a dalších kovových součástech.

U olejového -transformátoru ponořeného do oleje vypadá základní cesta přenosu tepla- takto:

Jádro a vinutí → transformátorový olej → nádrž/radiátory → okolní vzduch

Když transformátor dosáhne tepelné rovnováhy, teplo vznikající uvnitř je zhruba vyváženo teplem uvolňovaným vně.

Transformátorové metody rozptylu tepla

Uvnitř transformátoru spolupracuje-několik mechanismů přenosu tepla.

Pro malý nebo střední transformátor může stačit přirozené chlazení. S rostoucí kapacitou transformátoru se však zvyšuje i množství tepla, které je třeba odvádět. To je místo, kde přicházejí na řadu větší chladiče, ventilátory, čerpadla nebo řízená cirkulace oleje.

Způsoby chlazení transformátoru

U transformátorů ponořených do oleje se běžně používá několik uspořádání chlazení.

Chlazení ONAN zůstává oblíbenou volbou, protože je relativně jednoduché a spolehlivé. Je potřeba méně pomocných komponentů, které je třeba udržovat, což je u mnoha instalací skutečnou výhodou.

U větších transformátorů lze přidat ventilátory pro zvýšení chladicí kapacity. Velmi velké výkonové transformátory mohou využívat nucenou-cirkulaci oleje k zajištění lépe kontrolovaného přenosu tepla.

Ohřev a chlazení olejových{0}}transformátorů

Transformátorový olejje srdcem tepelného systému v olejovém-transformátoru.

Jak jádro a vinutí vytvářejí teplo, okolní olej se ohřívá. Teplý olej se stává méně hustým a přirozeně se pohybuje nahoru, zatímco chladnější se pohybuje dolů. To vytváří cirkulaci uvnitř transformátoru.

Tak v podstatě funguje chlazení ONAN.

Ohřátý olej se nakonec dostane do nádrže aradiátory, kde se jeho teplo předává okolnímu vzduchu.

Zátěž transformátoru má na tento proces zásadní vliv. Ztráty ve vinutí jsou přibližně úměrné druhé mocnině proudu:

Pcu ∝ I²

To znamená, že relativně mírné zvýšení proudu může vést k mnohem většímu nárůstu ztrát ve vinutí.

Toto je zjednodušené srovnání. Skutečné ztráty transformátoru jsou komplikovanější, protože odpor vodiče se mění s teplotou a jsou přítomny další rozptylové ztráty.

Přesto je zpráva docela jasná: trvalé přetížení se může rychle stát tepelným problémem.

Vzestup teploty oleje-Vinutí ponořeného transformátoru

Thezvýšení teploty vinutí transformátoru-ponořeného do olejeje jedním z klíčových parametrů tepelného návrhu transformátoru.

Teplota vinutí je ovlivněna materiálem vodiče, odporem vinutí, hustotou proudu, geometrií vinutí, olejovými-kanály, uspořádáním izolace, způsobem chlazení a zatížením.

Teplota také není rovnoměrně rozložena v celém vinutí. Některé oblasti budou přirozeně teplejší než jiné a místo s nejvyšší-teplotou se stane klikatým horkým místem.

Zjednodušený vztah je:

Teplota horkého místa=Okolní teplota + nejvyšší-nárůst oleje + navíjení-na-teplotní gradient oleje

Vlastní výpočet je složitější a závisí na konstrukci transformátoru a příslušné normě.

Metody technických výpočtů pro průtok oleje a nárůst teploty ve vinutí

Inženýři mohou vyhodnotit průtok transformátorového oleje a teplotu vinutí pomocí analytických výpočtů, tepelných modelů a u větších nebo složitějších transformátorů pomocí výpočetní dynamiky tekutin (CFD).

Některé z hlavních parametrů zahrnují:

Rozhodující je dobrý-design toku oleje. Pokud olej necirkuluje správně vinutím, mohou se vytvořit lokalizovaná horká místa, i když celková teplota transformátoru vypadá přijatelně.

U velkých výkonových transformátorů může analýza CFD inženýrům pomoci identifikovat nerovnoměrné proudění oleje, teplotní gradienty a potenciální horké-místa před výrobou transformátoru.

Odvod tepla z nádrží transformátorového oleje

Nádrž na transformátorový olej není jen nádoba na olej. Je také součástí chladicího systému.

Po absorbování tepla z jádra a vinutí předá olej toto teplo stěnám nádrže. Povrch nádrže pak uvolňuje teplo do okolního prostředí.

Větší transformátory obvykle vyžadují radiátory, které poskytují dodatečnou plochu pro přenos tepla-.

Konvekční odvod tepla

Konvekce je jedním z hlavních způsobů, jak transformátor uvolňuje teplo.

Když je povrch nádrže teplejší než okolní vzduch, okolní vzduch se ohřívá, zhušťuje a stoupá vzhůru. Chladnější vzduch se poté pohybuje směrem k povrchu nádrže.

To vytváří přirozenou cirkulaci vzduchu a odvádí teplo pryč z transformátoru.

S nuceným-chlazením vzduchem zvyšují ventilátory proudění vzduchu přes povrchy chladiče. To je zvláště užitečné, když transformátor pracuje při vysokém zatížení.

Záření

Nádrž transformátoru a radiátory také uvolňují teplo prostřednictvím tepelného záření.

Množství vyzařovaného tepla závisí na povrchové teplotě, emisivitě, exponované ploše a okolních podmínkách.

Záření samo o sobě nefunguje. V praxi sálání a konvekce působí společně a oba přispívají k celkovému odvodu tepla transformátoru.

Nárůst teploty olejových nádrží trubkového transformátoru

Nádrže trubkového transformátorového oleje využívají trubkové konstrukce ke zvětšení vnější plochy přenosu tepla-.

Základní tepelná cesta zůstává:

Aktivní části → olej → trubková nádrž → okolní vzduch

Větší chladicí plocha může zlepšit odvod tepla, zejména u přirozeně chlazených transformátorů.

Nárůst teploty trubkové nádrže transformátorového oleje závisí na zatížení transformátoru, cirkulaci oleje, rozměrech trubek, rozteči trubek, okolní teplotě a proudění vzduchu kolem nádrže.

Nádrž by proto měla být navržena jako součást kompletního tepelného systému spolu s jádrem, vinutím, olejovými kanály, radiátory a okolním vzduchem.

Proč je nárůst teploty transformátoru důležitý

Proč trávit tolik času diskusí o zvýšení teploty? Protože má přímou souvislost sživotnost izolace, zatížitelnost transformátoru, chladicí výkon, spolehlivost a životnost.

Dlouhodobý-provoz při nadměrných teplotách může urychlit stárnutí izolace a zvýšit riziko tepelného poškození. Na druhou stranu může předimenzovaný chladicí systém zvýšit zbytečné náklady na zařízení a spotřebu pomocné energie.

Cílem není jednoduše udělat transformátor co nejchladnější. Dobré inženýrství je o nalezení správné rovnováhy mezi tvorbou tepla, odvodem tepla, účinností, náklady, spolehlivostí a skutečným profilem zatížení.

Zvláštní pozornost si zaslouží i moderní elektroinstalace. Datová centra, měniče s proměnnou-frekvenční frekvencí, konvertory energie z obnovitelných zdrojů-, nabíjecí systémy pro elektromobily a další-elektronické zátěže mohou zavádět harmonické proudy. Tyto proudy mohou zvýšit dodatečné ztráty transformátoru a přispět k ohřevu.

Klíčové faktory ovlivňující nárůst teploty transformátoru

Při výběru nebo specifikaci olejového-transformátoru se vyplatí podívat se na celé provozní prostředí a nezaměřovat se na jedno číslo teploty.

Závěr

Nárůst teploty transformátoruje základní součástí návrhu, testování a provozu transformátoru. Popisuje, o kolik se součást transformátoru zahřeje ve srovnání s referenční teplotou okolí, a poskytuje užitečný údaj o účinnosti tepelného systému transformátoru.

Proolejový-transformátorTeplo generované jádrem a vinutím je přenášeno do izolačního oleje, přenášeno přes chladicí systém, předáváno do nádrže a radiátorů a nakonec uvolňováno konvekcí a sáláním.

Thezvýšení teploty olejových{0}}transformátorůzávisí na mnoha faktorech, včetně zatížení transformátoru, okolní teploty, konstrukce vinutí, cirkulace oleje, způsobu chlazení, konstrukce nádrže a dostupné oblasti přenosu tepla-.

Horké místo vinutí si zaslouží zvláštní pozornost, protože lokalizované přehřátí může urychlit stárnutí izolace, i když průměrná teplota zůstává v přijatelných mezích.

Pro výrobce transformátorů jako napřYawei TransformerTepelný design je proto nezbytnou součástí produktového inženýrství. Konfigurace vinutí, -cesty toku oleje, rozložení ztrát, konstrukce chladiče, chladicí zařízení a{2}}testování nárůstu teploty – to vše musí spolupracovat.

Při specifikaci transformátoru vždy zkontrolujte příslušnéNormy IEC 60076 nebo IEEE C57, požadavky projektu, izolační systém, uspořádání chlazení, okolní podmínky a technické údaje garantované výrobcem. Hodnoty jako např60 K, 65 K, 70 K a 78 Kjsou referenční -hodnoty nárůstu teploty za definovaných podmínek, nikoli univerzální provozní{1}}teplotní limity pro každý transformátor.

Koneckonců, dobrý tepelný design je v principu poměrně jednoduchý: generujte méně zbytečného tepla, efektivně převádějte teplo, udržujte horká místa pod kontrolou a ujistěte se, že transformátor zvládne skutečnou-zátěž, kterou skutečně uvidí.

Kontaktujte nyní