Transformer temperaturstigning: grænser, beregning og køling Guide

Transformer temperaturstigninger en af ​​de tekniske detaljer, der kan se enkle ud på papiret, men som betyder meget i virkelig drift. Hver transformer producerer varme, når den er strømførende og bærer en belastning. Udfordringen er at få den varme ud effektivt og holde kernen, viklingerne, isoleringen og olien inden for deres beregnede temperaturområde.

Dette bliver især vigtigt med enolie-nedsænket transformer. Transformerolie gør mere end at give elektrisk isolering. Den fører også varme væk fra de aktive dele og overfører den til tanken, radiatorerne og den omgivende luft.

Så når ingeniører taler omtemperaturstigning på olie-nedsænkede transformatorer, ser de virkelig på hele det termiske system - transformatortab, oliecirkulation, køleudstyr, omgivende forhold, tankdesign og faktisk belastning.

Temperaturstigning og temperatur for transformere

Først er det værd at opklare et fælles punkt:transformator temperaturogtransformer temperaturstigninger ikke det samme.

Transformatortemperatur er den faktiske temperatur af en komponent, såsom viklingen, topolie, kerne eller tank. Temperaturstigning erforskellen mellemdenne temperatur og den specificerede omgivelses- eller referencetemperatur.

Enkelt sagt:

Transformatortemperatur=Omgivelsestemperatur + temperaturstigning

For eksempel, hvis den omgivende temperatur er 30 grader, og den øverste-olietemperaturstigning er 55 K, er den omtrentlige top-olietemperatur 85 grader.

En rigtig transformer er selvfølgelig ikke helt så ligetil. Forskellige dele fungerer ved forskellige temperaturer. Vindingstemperaturen er normalt højere end den omgivende olie, og et lille område af viklingen kan blive meget varmere end den gennemsnitlige viklingstemperatur. Dette område med den højeste-temperatur er kendt somsnoede hot spot.

Derfor ser transformatorens termiske design på mere end blot én temperaturaflæsning.

Transformer temperaturstigning standarder

Kravene til-temperaturstigning afhænger af den gældende standard, transformatordesign, isoleringssystem, kølemetode og driftsforhold.

IEC 60076-2giver krav til temperatur-stigningstest for væske-nedsænkede transformatorer. DeIEEE C57serien er også meget udbredt, især til transformatorapplikationer i Nordamerika.

For et specifikt projekt er det altid bedre at tjekke den gældende standard og projektspecifikation frem for blot at kopiere et temperaturtal fra en anden transformer.

Transformer temperaturstigningsgrænsetabel

For konventionelle-væskesænkede transformatordesigns omfatter almindeligt refererede værdier fra IEC 60076-2 følgende:

Disse tal er nyttige tekniske referencer, men de bør ikke behandles som universelle grænser for hver transformer. De faktiske krav kan variere afhængigt af isoleringsvæsken, isoleringssystem, kølearrangement, transformerspecifikation og gældende standard.

Og der er et andet punkt, som er let at gå glip af:temperaturstigning er ikke absolut temperatur.

Tabellen er blot en simpel illustration. Transformatorens faktiske driftstemperatur afhænger af belastning, køleforhold, varmefordeling og producentens termiske design.

IEEE-transformerpraksis skelner også mellem design med forskellige gennemsnitlige viklingstemperaturstigninger, herunder almindeligt anvendte55 graderog65 graderdesign til mineralske-olie-transformatorer. Så igen, producentens garanterede tekniske data bør være den endelige reference for et specifikt projekt.

Isoleringsmateriale ældning og temperaturstigning

Temperaturen har en direkte effekt på transformatorisoleringens aldring.

Når isolering fungerer ved forhøjede temperaturer i lange perioder, fremskyndes dens ældningsproces generelt. Både fast isolering og isoleringsolie kan blive påvirket af vedvarende termisk stress.

Desnoede hot spotfortjener særlig opmærksomhed. En transformer kan have en acceptabel gennemsnitlig viklingstemperatur, mens et lokaliseret område kører betydeligt varmere.

Godt transformerdesign forsøger at holde disse hot spots under kontrol. Korrekt viklingsgeometri, olie-strømningsbaner, ledervalg og kølekapacitet spiller alle en rolle.

Vægtet gennemsnitlig omgivende temperatur

Omgivelsestemperaturer en anden faktor, som ikke bør overses.

En transformer, der arbejder ved samme temperaturstigning, vil naturligvis have en højere absolut temperatur, når den installeres i et varmt miljø.

Dette er især relevant i tropiske områder, lukkede transformerstationer og industrianlæg, hvor omgivende temperaturer kan forblive høje i længere perioder.

Ingeniører skal muligvis overveje sæsonbestemte temperaturer, installationshøjde, ventilation, solstråling og udstyr i nærheden.

Med andre ord kan den samme transformer opføre sig ganske forskelligt i to installationsmiljøer, selv når den nominelle temperaturstigning er identisk.

Transformer opvarmning og køling

En transformer genererer varme hovedsageligt gennemkernetab, viklingstab og herreløs belastningstab.

Kernetab er primært forbundet med hysterese og hvirvelstrømme i den magnetiske kerne. Viklingstab er hovedsageligt relateret til ledermodstand, mens yderligere strøtab kan forekomme i viklinger, tankvægge, klemmer og andre metalliske komponenter.

For en olie-nedsænket transformer ser den grundlæggende varme-overførselsvej sådan ud:

Kerne og viklinger → transformerolie → tank/radiatorer → omgivende luft

Når transformeren når termisk ligevægt, afbalanceres den varme, der genereres inde i den, groft af varmen, der frigives udenfor.

Transformer varmeafledningsmetoder

Adskillige varme-overførselsmekanismer arbejder sammen inde i en transformer.

For en lille eller mellemstor transformer kan naturlig køling være nok. Efterhånden som transformatorkapaciteten øges, stiger mængden af ​​varme, der skal fjernes, også. Det er her, større radiatorbanker, ventilatorer, pumper eller rettet oliecirkulation kommer ind.

Transformer kølemetoder

Adskillige kølearrangementer bruges almindeligvis til olie-nedsænkede transformere.

ONAN køling er fortsat et populært valg, fordi det er relativt enkelt og pålideligt. Der er færre hjælpekomponenter at vedligeholde, hvilket er en reel fordel i mange installationer.

For større transformatorer kan ventilatorer tilføjes for at øge kølekapaciteten. Meget store krafttransformatorer kan bruge tvungen-oliecirkulation for at give mere kontrolleret varmeoverførsel.

Opvarmning og afkøling af olie-nedsænkede transformatorer

Transformer olieer kernen i det termiske system i en olie-nedsænket transformer.

Da kernen og viklingerne genererer varme, bliver den omgivende olie varmere. Varm olie bliver mindre tæt og bevæger sig naturligt opad, mens køligere olie bevæger sig nedad. Dette skaber cirkulation inde i transformeren.

Det er i bund og grund sådan ONAN-køling fungerer.

Den opvarmede olie når til sidst tanken ogradiatorer, hvor dens varme overføres til den omgivende luft.

Transformerbelastning har en stor effekt på denne proces. Vindingstab er omtrent proportionale med kvadratet af strøm:

Pcu ∝ I²

Det betyder, at en relativt beskeden stigning i strøm kan resultere i en meget større stigning i viklingstab.

Dette er en forenklet sammenligning. Faktiske transformatortab er mere komplicerede, fordi ledermodstanden ændrer sig med temperaturen, og der forekommer yderligere tab.

Alligevel er budskabet ret klart: vedvarende overbelastning kan hurtigt blive et termisk problem.

Temperaturstigning af olie-Nedsænkede transformatorviklinger

Detemperaturstigning på olie-nedsænkede transformerviklingerer en af ​​nøgleparametrene i transformatorens termiske design.

Viklingstemperaturen påvirkes af ledermateriale, viklingsmodstand, strømtæthed, viklingsgeometri, olie-strømningskanaler, isoleringsarrangement, kølemetode og belastning.

Temperaturen er heller ikke jævnt fordelt i hele viklingen. Nogle områder vil naturligt blive varmere end andre, og den højeste-temperaturplacering bliver det snoede hot spot.

Et forenklet forhold er:

Varmt-punktstemperatur=Omgivelsestemperatur + top-oliestigning + vikling-til-olietemperaturgradient

Selve beregningen er mere involveret og afhænger af transformatordesignet og gældende standard.

Tekniske beregningsmetoder for olieflow og temperaturstigning i viklinger

Ingeniører kan evaluere transformatorolieflow og viklingstemperatur ved hjælp af analytiske beregninger, termiske modeller og, for større eller mere komplekse transformere, computational fluid dynamics (CFD).

Nogle af hovedparametrene inkluderer:

Et godt-olieflowdesign er afgørende. Hvis olien ikke cirkulerer ordentligt gennem en vikling, kan der udvikles lokale hot spots, selv når den overordnede transformatortemperatur ser acceptabel ud.

For store krafttransformatorer kan CFD-analyse hjælpe ingeniører med at identificere ujævnt olieflow, temperaturgradienter og potentielle hotspot-placeringer, før transformatoren fremstilles.

Varmeafledning af transformatorolietanke

Transformatorolietanken er ikke kun en beholder til olien. Det er også en del af kølesystemet.

Efter at have absorberet varme fra kernen og viklingerne, overfører olien denne varme til tankvæggene. Tankoverfladen frigiver derefter varmen til det omgivende miljø.

Større transformere kræver normalt radiatorer for at give yderligere varme-overførselsområde.

Konvektions varmeafledning

Konvektion er en af ​​de vigtigste måder, hvorpå en transformer frigiver varme.

Når tankoverfladen bliver varmere end den omgivende luft, opvarmes den nærliggende luft, bliver mindre tæt og stiger. Kølere luft bevæger sig derefter mod tankoverfladen.

Dette skaber naturlig luftcirkulation og fører varme væk fra transformeren.

Med tvungen-luftkøling øger ventilatorer luftstrømmen hen over radiatorens overflader. Dette er især nyttigt, når transformeren arbejder med høj belastning.

Stråling

Transformatortanken og radiatorerne frigiver også varme gennem termisk stråling.

Mængden af ​​udstrålet varme afhænger af overfladetemperatur, emissivitet, udsat område og omgivende forhold.

Stråling virker ikke alene. I praksis fungerer stråling og konvektion sammen og bidrager begge til transformatorens samlede varmeafledning.

Temperaturstigning i rørformede transformatorolietanke

Rørformede transformerolietanke bruger rørformede strukturer til at øge det eksterne-varmeoverførselsområde.

Den grundlæggende termiske vej forbliver:

Aktive dele → olie → rørformet tank → omgivende luft

En større køleflade kan forbedre varmeafledningen, især for naturligt afkølede transformere.

Temperaturstigningen i en rørformet transformerolietank afhænger af transformatorbelastning, oliecirkulation, rørdimensioner, rørafstand, omgivelsestemperatur og luftstrøm omkring tanken.

Tanken bør derfor designes som en del af det komplette termiske system sammen med kernen, viklinger, oliepassager, radiatorer og omgivende luft.

Hvorfor transformator temperaturstigning betyder noget

Hvorfor bruge så meget tid på at diskutere temperaturstigninger? For det har en direkte forbindelse medisoleringslevetid, transformatorbelastningsevne, køleydelse, pålidelighed og levetid.

Langvarig-drift ved for høje temperaturer kan fremskynde ældning af isoleringen og øge risikoen for termisk forringelse. På den anden side kan et overdimensioneret kølesystem tilføje unødvendige udstyrsomkostninger og ekstra strømforbrug.

Målet er ikke blot at gøre transformeren så cool som muligt. God teknik handler om at finde den rigtige balance mellem varmeudvikling, varmeafledning, effektivitet, omkostninger, pålidelighed og den faktiske belastningsprofil.

Moderne elinstallationer fortjener også ekstra opmærksomhed. Datacentre, variable-frekvensdrev, vedvarende-energiomformere, EV-opladningssystemer og andre-elektroniske strømbelastninger kan introducere harmoniske strømme. Disse strømme kan øge yderligere transformatortab og bidrage til opvarmning.

Nøglefaktorer, der påvirker transformatorens temperaturstigning

Når du vælger eller specificerer en-olienedsænket transformer, er det værd at se på hele driftsmiljøet i stedet for at fokusere på ét temperaturtal.

Konklusion

Transformer temperaturstigninger en grundlæggende del af transformerdesign, testning og drift. Den beskriver, hvor meget varmere en transformerkomponent bliver sammenlignet med referenceomgivelsestemperaturen, og den giver en nyttig indikation af effektiviteten af ​​transformatorens termiske system.

For enolie-nedsænket transformervarme, der genereres af kernen og viklingerne, overføres til isoleringsolien, føres gennem kølesystemet, føres til tanken og radiatorerne og til sidst frigives gennem konvektion og stråling.

Detemperaturstigning på olie-nedsænkede transformatorerafhænger af mange faktorer, herunder transformatorbelastning, omgivende temperatur, viklingsdesign, oliecirkulation, kølemetode, tankkonstruktion og tilgængeligt-varmeoverførselsområde.

Det snoede hotspot fortjener særlig opmærksomhed, fordi lokal overophedning kan fremskynde isoleringens aldring, selv når gennemsnitstemperaturen forbliver inden for acceptable grænser.

Til transformerproducenter som f.eksYawei Transformer, termisk design er derfor en væsentlig del af produktudvikling. Viklingskonfiguration, olie-strømningsveje, tabsfordeling, radiatordesign, køleudstyr og temperatur-stigningstest skal alle fungere sammen.

Når du angiver en transformer, skal du altid kontrollere det relevanteIEC 60076 eller IEEE C57 standarder, projektkrav, isoleringssystem, kølearrangement, omgivende forhold og producentens garanterede tekniske data. Værdier som f.eks60 K, 65 K, 70 K og 78 Ker referencetemperatur-stigningsværdier under definerede forhold, ikke universelle driftstemperatur-temperaturgrænser for hver transformer.

I sidste ende er et godt termisk design ret simpelt i princippet: generer mindre unødvendig varme, flyt varmen effektivt, hold hot spots under kontrol, og sørg for, at transformatoren kan håndtere den virkelige-verdensbelastning, den rent faktisk vil se.

Kontakt nu