Transformator temperaturstigning: grenser, beregning og kjøleveiledning

Transformator temperaturøkninger en av de tekniske detaljene som kan se enkle ut på papiret, men som betyr mye i virkelig drift. Hver transformator produserer varme når den er strømførende og bærer en last. Utfordringen er å få den varmen ut effektivt og holde kjernen, viklingene, isolasjonen og oljen innenfor det beregnede temperaturområdet.

Dette blir spesielt viktig med enolje-nedsenket transformator. Transformatorolje gjør mer enn å gi elektrisk isolasjon. Den bærer også varme bort fra de aktive delene og overfører den til tanken, radiatorene og omgivende luft.

Så, når ingeniører snakker omtemperaturøkning av olje-senkede transformatorer, ser de virkelig på hele det termiske systemet - transformatortap, oljesirkulasjon, kjøleutstyr, omgivelsesforhold, tankdesign og faktisk belastning.

Temperaturstigning og temperatur på transformatorer

Først er det verdt å rydde opp i ett felles poeng:transformator temperaturogtemperaturøkning i transformatorener ikke det samme.

Transformatortemperaturen er den faktiske temperaturen til en komponent, for eksempel viklingen, toppoljen, kjernen eller tanken. Temperaturøkning erforskjellen mellomden temperaturen og den spesifiserte omgivelses- eller referansetemperaturen.

Enkelt sagt:

Transformatortemperatur=Omgivelsestemperatur + temperaturøkning

For eksempel, hvis omgivelsestemperaturen er 30 grader og den øvre-oljetemperaturøkningen er 55 K, er den omtrentlige topp-oljetemperaturen 85 grader.

En ekte transformator er selvfølgelig ikke så enkelt. Ulike deler fungerer ved forskjellige temperaturer. Viklingstemperaturen er normalt høyere enn den omkringliggende oljen, og et lite område av viklingen kan bli mye varmere enn gjennomsnittlig viklingstemperatur. Dette området med høyest-temperatur er kjent somsvingete hot spot.

Det er derfor transformatorens termiske design ser på mer enn bare én temperaturavlesning.

Transformator temperaturøkningsstandarder

Temperatur-kravene avhenger av gjeldende standard, transformatordesign, isolasjonssystem, kjølemetode og driftsforhold.

IEC 60076-2gir krav til temperatur-stigningstester for væske-nedsenkede transformatorer. DeIEEE C57serien er også mye brukt, spesielt for transformatorapplikasjoner i Nord-Amerika.

For et spesifikt prosjekt er det alltid bedre å sjekke gjeldende standard og prosjektspesifikasjon i stedet for å kopiere et temperaturtall fra en annen transformator.

Transformator temperaturstigningsgrensetabell

For konvensjonelle -væskenedsenkede transformatordesigner inkluderer ofte refererte verdier fra IEC 60076-2 følgende:

Disse tallene er nyttige tekniske referanser, men de bør ikke behandles som universelle grenser for hver transformator. De faktiske kravene kan variere avhengig av isolasjonsvæske, isolasjonssystem, kjølearrangement, transformatorspesifikasjoner og gjeldende standard.

Og det er et annet poeng som er lett å gå glipp av:temperaturøkning er ikke absolutt temperatur.

Tabellen er bare en enkel illustrasjon. Den faktiske transformatorens driftstemperatur avhenger av belastning, kjøleforhold, varmefordeling og produsentens termiske design.

IEEE-transformatorpraksis skiller også mellom design med forskjellige gjennomsnittlige viklingstemperaturstigninger, inkludert ofte brukte55 graderog65 graderdesign for mineral-olje-transformatorer. Så igjen, produsentens garanterte tekniske data bør være den endelige referansen for et spesifikt prosjekt.

Isolasjonsmateriale aldring og temperaturøkning

Temperatur har en direkte effekt på aldring av transformatorisolasjon.

Når isolasjon fungerer ved høye temperaturer i lange perioder, øker aldringsprosessen generelt. Både solid isolasjon og isolerende olje kan påvirkes av kontinuerlig termisk stress.

Desvingete hot spotfortjener spesiell oppmerksomhet. En transformator kan ha en akseptabel gjennomsnittlig viklingstemperatur mens et lokalisert område går betydelig varmere.

God transformatordesign prøver å holde disse varme punktene under kontroll. Riktig viklingsgeometri, olje-strømningsbaner, ledervalg og kjølekapasitet spiller en rolle.

Vektet gjennomsnittlig omgivelsestemperatur

Omgivelsestemperaturer en annen faktor som ikke bør overses.

En transformator som opererer med samme temperaturstigning vil åpenbart ha en høyere absolutt temperatur når den installeres i et varmt miljø.

Dette er spesielt aktuelt i tropiske områder, lukkede transformatorstasjoner og industrianlegg der omgivende temperaturer kan holde seg høye i lengre perioder.

Ingeniører må kanskje vurdere sesongmessige temperaturer, installasjonshøyde, ventilasjon, solstråling og utstyr i nærheten.

Den samme transformatoren kan med andre ord oppføre seg ganske forskjellig i to installasjonsmiljøer selv når den nominelle temperaturstigningen er identisk.

Transformator oppvarming og kjøling

En transformator genererer varme hovedsakelig gjennomkjernetap, viklingstap og tap av strølast.

Kjernetap er primært assosiert med hysterese og virvelstrømmer i den magnetiske kjernen. Viklingstap er hovedsakelig relatert til ledermotstand, mens ytterligere strøtap kan oppstå i viklinger, tankvegger, klemmer og andre metalliske komponenter.

For en olje-senket transformator ser den grunnleggende-varmeoverføringsbanen slik ut:

Kjerne og viklinger → transformatorolje → tank/radiatorer → omgivende luft

Når transformatoren når termisk likevekt, balanseres varmen som genereres inne i den omtrent av varmen som frigjøres utenfor.

Transformator varmeavledningsmetoder

Flere varme-overføringsmekanismer fungerer sammen inne i en transformator.

For en liten eller mellomstor transformator kan naturlig kjøling være nok. Når transformatorkapasiteten øker, øker imidlertid mengden varme som må fjernes. Det er der større radiatorbanker, vifter, pumper eller rettet oljesirkulasjon kommer inn.

Transformatorkjølingsmetoder

Flere kjølearrangementer brukes vanligvis for olje-nedsenkede transformatorer.

ONAN-kjøling er fortsatt et populært valg fordi det er relativt enkelt og pålitelig. Det er færre hjelpekomponenter å vedlikeholde, noe som er en reell fordel i mange installasjoner.

For større transformatorer kan vifter legges til for å øke kjølekapasiteten. Svært store krafttransformatorer kan bruke tvungen-oljesirkulasjon for å gi mer kontrollert varmeoverføring.

Oppvarming og kjøling av olje-nedsenkede transformatorer

Transformatoroljeer i hjertet av det termiske systemet i en olje-nedsenket transformator.

Ettersom kjernen og viklingene genererer varme, blir den omkringliggende oljen varmere. Varm olje blir mindre tett og beveger seg naturlig oppover, mens kjøligere olje beveger seg nedover. Dette skaper sirkulasjon inne i transformatoren.

Det er egentlig slik ONAN-kjøling fungerer.

Den oppvarmede oljen når til slutt tanken ogradiatorer, hvor varmen overføres til luften rundt.

Transformatorbelastning har en stor effekt på denne prosessen. Viklingstap er omtrent proporsjonale med kvadratet av strøm:

Pcu ∝ I²

Det betyr at en relativt beskjeden økning i strøm kan resultere i en mye større økning i viklingstap.

Dette er en forenklet sammenligning. Faktiske transformatortap er mer kompliserte fordi ledermotstanden endres med temperaturen og ytterligere strøtap er tilstede.

Likevel er budskapet ganske klart: vedvarende overbelastning kan fort bli et termisk problem.

Temperaturstigning på olje-nedsenkede transformatorviklinger

Detemperaturøkning av olje-nedsenkede transformatorviklingerer en av nøkkelparametrene i termisk design av transformatorer.

Viklingstemperaturen påvirkes av ledermateriale, viklingsmotstand, strømtetthet, viklingsgeometri, olje-strømningskanaler, isolasjonsarrangement, kjølemetode og belastning.

Temperaturen er heller ikke jevnt fordelt gjennom viklingen. Noen områder vil naturlig bli varmere enn andre, og stedet med høyest-temperatur blir det svingete varmepunktet.

Et forenklet forhold er:

Varmt-punkttemperatur=Omgivelsestemperatur + topp-oljestigning + vikling-til-oljetemperaturgradient

Selve beregningen er mer involvert og avhenger av transformatordesign og gjeldende standard.

Tekniske beregningsmetoder for oljestrøm og temperaturstigning i viklinger

Ingeniører kan evaluere transformatoroljestrøm og viklingstemperatur ved hjelp av analytiske beregninger, termiske modeller og, for større eller mer komplekse transformatorer, beregningsbasert fluiddynamikk (CFD).

Noen av hovedparametrene inkluderer:

Et godt-oljestrømdesign er avgjørende. Hvis oljen ikke sirkulerer ordentlig gjennom en vikling, kan lokaliserte varme punkter utvikle seg selv når den generelle transformatortemperaturen ser akseptabel ut.

For store krafttransformatorer kan CFD-analyse hjelpe ingeniører med å identifisere ujevn oljestrøm, temperaturgradienter og potensielle hotspotplasseringer før transformatoren produseres.

Varmespredning av transformatoroljetanker

Transformatoroljetanken er ikke bare en beholder for oljen. Det er også en del av kjølesystemet.

Etter å ha absorbert varme fra kjernen og viklingene, overfører oljen denne varmen til tankveggene. Tankoverflaten frigjør deretter varmen til omgivelsene.

Større transformatorer krever normalt radiatorer for å gi ekstra varme-overføringsområde.

Konveksjon varmespredning

Konveksjon er en av de viktigste måtene en transformator frigjør varme på.

Når tankoverflaten blir varmere enn luften rundt, varmes den nærliggende luften opp, blir mindre tett og stiger. Kaldere luft beveger seg deretter mot tankoverflaten.

Dette skaper naturlig luftsirkulasjon og fører varme bort fra transformatoren.

Med tvungen-luftkjøling øker viftene luftstrømmen over radiatoroverflatene. Dette er spesielt nyttig når transformatoren arbeider med høy belastning.

Stråling

Transformatortanken og radiatorene avgir også varme gjennom termisk stråling.

Mengden varme som utstråles avhenger av overflatetemperatur, emissivitet, utsatt område og omgivelsesforhold.

Stråling fungerer ikke alene. I praksis fungerer stråling og konveksjon sammen og bidrar begge til transformatorens totale varmespredning.

Temperaturstigning på oljetanker med rørtransformatorer

Rørformede transformatoroljetanker bruker rørformede strukturer for å øke det eksterne-varmeoverføringsområdet.

Den grunnleggende termiske banen gjenstår:

Aktive deler → olje → rørformet tank → omgivende luft

En større kjøleflate kan forbedre varmespredningen, spesielt for naturlig avkjølte transformatorer.

Temperaturøkningen til en rørformet transformatoroljetank avhenger av transformatorbelastning, oljesirkulasjon, rørdimensjoner, røravstand, omgivelsestemperatur og luftstrøm rundt tanken.

Tanken bør derfor utformes som en del av det komplette termiske systemet, sammen med kjernen, viklinger, oljepassasjer, radiatorer og omgivende luft.

Hvorfor transformatortemperaturøkning er viktig

Hvorfor bruke så mye tid på å diskutere temperaturøkning? Fordi det har en direkte forbindelse medisolasjonslevetid, transformatorbelastningsevne, kjøleytelse, pålitelighet og levetid.

Lang-drift ved for høye temperaturer kan akselerere aldring av isolasjonen og øke risikoen for termisk forringelse. På den annen side kan et overdimensjonert kjølesystem legge til unødvendig utstyrskostnad og ekstra strømforbruk.

Målet er ikke bare å gjøre transformatoren så kul som mulig. God ingeniørkunst handler om å finne den rette balansen mellom varmeutvikling, varmespredning, effektivitet, kostnad, pålitelighet og den faktiske lastprofilen.

Moderne elektriske installasjoner fortjener også ekstra oppmerksomhet. Datasentre, variabel-frekvensomformere, fornybare-energiomformere, EV-ladesystemer og andre-elektroniske kraftbelastninger kan introdusere harmoniske strømmer. Disse strømmene kan øke ytterligere transformatortap og bidra til oppvarming.

Nøkkelfaktorer som påvirker transformatorens temperaturøkning

Når du velger eller spesifiserer en-oljenedsenket transformator, er det verdt å se på hele driftsmiljøet i stedet for å fokusere på ett temperaturtall.

Konklusjon

Transformator temperaturøkninger en grunnleggende del av transformatordesign, testing og drift. Den beskriver hvor mye varmere en transformatorkomponent blir sammenlignet med referanseomgivelsestemperaturen, og den gir en nyttig indikasjon på effektiviteten til transformatorens termiske system.

For enolje-nedsenket transformator, varme generert av kjernen og viklingene overføres til den isolerende oljen, føres gjennom kjølesystemet, føres til tanken og radiatorene, og til slutt frigjøres gjennom konveksjon og stråling.

Detemperaturøkning av olje-senkede transformatoreravhenger av mange faktorer, inkludert transformatorbelastning, omgivelsestemperatur, viklingsdesign, oljesirkulasjon, kjølemetode, tankkonstruksjon og tilgjengelig varme-overføringsområde.

Det svingete varmepunktet fortjener spesiell oppmerksomhet fordi lokal overoppheting kan akselerere aldring av isolasjonen selv når gjennomsnittstemperaturen holder seg innenfor akseptable grenser.

For transformatorprodusenter som f.eksYawei Transformer, termisk design er derfor en viktig del av produktutvikling. Viklingskonfigurasjon, olje-strømningsbaner, tapsfordeling, radiatordesign, kjøleutstyr og temperatur-testing må alle fungere sammen.

Når du spesifiserer en transformator, sjekk alltid den aktuelleIEC 60076 eller IEEE C57 standarder, prosjektkrav, isolasjonssystem, kjølearrangement, omgivelsesforhold og produsentens garanterte tekniske data. Verdier som f.eks60 K, 65 K, 70 K og 78 Ker referansetemperatur-stigningsverdier under definerte forhold, ikke universelle{1}}driftstemperaturgrenser for hver transformator.

Til syvende og sist er god termisk design ganske enkel i prinsippet: generer mindre unødvendig varme, flytt varmen effektivt, hold varme punkter under kontroll, og sørg for at transformatoren kan håndtere den virkelige-verdensbelastningen den faktisk vil se.

Ta kontakt nå