Нагрев и охлаждение трансформатора

Опубликовано: 20 Июль 2011

охлаждение трансформатора

В реальном трансформаторе некоторая часть мощности рассеивается в виде тепла. Часть этих потерь мощности происходят в проводнике обмотки из-за электрического сопротивления и называются потерями в меди. Как бы там ни было, также важны так называемые потери в стали, те которые происходят в сердечнике. Последние являются результатом быстрого изменения направления магнитного поля, которые подразумевают постоянное определенное перестроение микроскопических частиц, их магнитного момента в направлении поля (или потока). Такая перестройка происходит также как поток зарядов, вызывает трение на микроскопическом уровне и следовательно рассеивание энергии, которое ощущается как нагревание материала.

Принимая во внимание потери в сердечнике и потери в меди, эффективность (или отношение выходной электрической мощности к входной) реального трансформатора может быть высокой, около 90%. Тем не менее, даже небольшой процент потерь в большом трансформаторе соответствует значительному количеству тепла, которое должно быть учтено. Мы знаем, что маленькие трансформаторы, которые используются в обычных бытовых адаптерах для низковольтной бытовой техники, теплые, это можно почувствовать при прикосновении. И все же они передают настолько малую мощность, что тепло может с легкостью рассеиваться в окружающем воздухе. В отличие от этого, представим 10 МВА силовой трансформатор, который работает на распределительной подстанции с эффективностью 99%, 1% потерь соответствует здесь ошеломляющим 100 кВт.

В общем случае, небольшие трансформаторы, те, что работают на распределительных сетях, охлаждаются пассивно простым излучением тепла в окружающую среду, иногда с помощью радиаторных ребер, которые увеличивают доступную площадь поверхности для удаления тепла.

радиаторы трансформатора

Силовой трансформатор с естественным масляным охлаждением, с помощью радиаторов.

Мощные трансформаторы, которые работают на подстанциях или электростанциях требуют удаления тепла от сердечника и обмотки активным охлаждением, как правило, с помощью циркулирующего масла, которое одновременно выполняет функцию электрического изолятора.

Ограничение мощности трансформатора зависит от скорости отвода тепла. Таким образом, как и для линии электропередач, возможность нагрузки трансформатора зависит от условий окружающей среды, температуры, ветра, дождя. Например, если трансформатор нагревается до граничной температуры в теплый день, один из способов спасти положение, это облить его холодной водой из шланга – действие не соответствует инструкции, но оно необходимо при возникновении чрезвычайных ситуации. Когда трансформаторы работают практически на пределе своей допустимой мощности, ключевым является контроль изменения внутренней температуры масла. Эта задача осложняется проблемой неравномерного распределения температуры внутри трансформатора, которая может привести к локальному разрушению. Под действием экстремальной температуры, масло можно пробить электрической дугой или даже его поджечь, и трансформатор может взорваться.

Охлаждающая и изоляционная трансформаторная жидкость должна соответствовать критериям для аналогичных жидкостей, предназначенных для высоковольтного оборудования, такого как высоковольтные выключатели и конденсаторы: она должна проводить тепло, но не проводить электричество; она должна быть химически нейтральной; и она не должна легко ионизироваться, что позволило бы формироваться дуге.

Минеральное трансформаторное масло хорошо соответствует этим требованиям, так как длинные, неполярные молекулы распадаются под действием электрического тока с трудом.
Другой класс соединений, который очень хорошо выполняет свои функции и широко применяется в трансформаторах и другом оборудовании – это полихлорвиниловые дифенилы, широко известны как ПХД. Поскольку было обнаружено, что составляющие ПХД – диоксины являются канцерогенами и экологически токсичными и стойкими веществами, ПХД больше не производятся в США, установка нового оборудования содержащего ПХД было запрещено в октябре 1977 года.

Однако большая часть существующей аппаратуры предшествует этой дате, подлежит постепенной утилизации при условии тщательного ухода (по принципу асбеста в зданиях).
Представленный в 1960 году гексафторид серы (SF6) является еще одной очень эффективной дугогасящей средой для высоковольтного оборудования. SF6 имеет преимущество в том, что он достаточно нетоксичен, а также химически инертен, он может противостоять воздействию электрических полей без ионизации.

В то время как размеры трансформаторов и конденсаторов ограничиваются другими факторами, элегазовые выключатели с использованием SF6 могут быть намного меньше высоковольтных выключателей работающих с использованием масла. Однако, оказывается, что SF6 поглощает тепловое инфракрасное излучение и таким образом он действует как парниковый газ, когда он уходит в атмосферу; гексафторид серы включен в список веществ, выброс которых регулируется в рамках Киотского протокола по глобальному изменению климата. В атмосфере SF6 также создает другую смесь под названием трифторметил серы пентафторид (SF5CF3), еще более мощный парниковый газ, чья концентрация в атмосфере растет с большой скоростью.

Оборудование для охлаждения

вентиляторы охлаждения трансформатора

Трансформаторные вентиляторы

Тепло, образующееся из-за потерь в сердечнике и обмотке должно рассеиваться в окружающую среду. В сухих трансформаторах, охлаждение достигается просто путем циркуляции воздуха сквозь обмотку и вокруг сердечника, путем естественной конвекции, или с помощью принудительного потока воздуха, создаваемого вентиляторами. Этот метод охлаждения обычно ограничен низковольтным входящим напряжением трансформаторов (5 кВ и ниже) имеющих трехфазную номинальную характеристику ниже 1500 кВА. На более высоких напряжениях для изоляции обмоток необходимо применять масло , что делает невозможным использование воздуха для охлаждении сердечника и катушки напрямую. При более высоких значениях кВА, потери слишком высоки и непосредственное воздушное охлаждение не будет эффективно. В уличных условиях непосредственное воздушное охлаждение приведет к загрязнению обмотки недопустимым количеством грязи и влаги.

Трансформаторы бывают разных классов охлаждения, которые определены отраслевыми стандартами. В последние годы были предприняты попытки привести обозначения, которые применяются к трансформаторам, изготавливаемым в Северной Америке к обозначениям по МЭК с классом охлаждения.

В таблице ниже приводятся обозначения МЭК (Международная Электротехническая комиссия) и более ранние обозначения, которые использованы в книгах. Во всех обозначениях МЭК используется четыре буквы. В некоторых отношениях, обозначения МЭК более информативны , чем североамериканские обозначения потому что МЭК проводит различие между принудительным масляным/воздушным охлаждением (OFAF=oil forced air forced) и непосредственным масляным и принудительным воздушным охлаждением (ODAF oil direct, air forced). Некоторые люди считают четырехбуквенное обозначение неудобным и в этой книге везде используются старые обозначения.

В небольших масляных распределительных трансформаторах поверхности бака достаточно для передачи тепла от масла к воздуху. Для увеличения площади поверхности бака и улучшения отвода тепла на баки некоторых распределительных трансформаторов установлены ребра. Большие распределительные трансформаторы и трансформаторы малой мощности обычно требуют блоки радиаторов для охлаждения. Все трансформаторы, которые передают тепло от масла посредством естественной конвекции входят в охладительный класс OA, независимо от того какие поверхности (бака, ребер или радиаторов) используются для охлаждения. Радиаторы, которые используются в ОА трансформаторах, как правило, имеют круглые охлаждающие трубки или плоские ребра с большими площадями сечения для того, чтобы дать маслу протекать за счет естественной конвекции с минимальным сопротивлением. Горячее масло от сердечника и обмоток поднимается в верхнюю часть бака и дальше к радиатору через впускное отверстие. Охлажденное масло из радиатора опускается на дно радиатора через выходное отверстие и далее вниз к сердечнику и обмоткам. Этот процесс называется термосифонированием и масло с небольшой скоростью протекает сквозь трансформатор и радиатор. По этой причине, ОА трансформаторы имеют относительно большие температурные градиенты между маслом, которое находится снизу и маслом, которое находится сверху, и относительно большие температурные градиенты между температурой обмоток и верхней температурой масла. Кроме того, воздух циркулирует через радиатор посредством естественной конвекции или с помощью ветра.

Обозначения и описание классов охлаждения, используемых в силовых трансформаторах (МЭК)

Предыдущее обозначение

Обозначения МЭК

Описание охлаждения

.OA

.ONAN

Масляно воздушное охлаждение

.FA

.ONAF

Принудительное воздушное охлаждение

.OA/FA/FA

.ONAN/ONAF/ONAF

Масляно воздушное охлаждение, сопровождаемое двуступенчатым принудительным воздушным охлаждением

.OA/FA/FOA

.ONAN/ONAF/OFAF

Масляно воздушное охлаждение, сопровождаемое одноступенчатым принудительным воздушным охлаждением и сопровождаемое одноступенчатым принудительным масляным охлаждением

.OA/FOA

.ONAF/ODAF

Масляно воздушное охлаждение, сопровождаемое одноступенчатым непосредственным масляным охлаждением с прокачкой

. OA/FOA/FOA

.ONAF/ODAF/ODAF

Масляно воздушное охлаждение, сопровождаемое двухступенчатым непосредственным масляным охлаждением с прокачкой насосом

.FOA

.OFAF

Принудительное воздушное/масляное охлаждение (с вентиляторами)

.FOW

.OFWF

Принудительное масляное/водяное охлаждение (теплообменник с водяным и масляным насосами)

.FOA

.ODAF

Принудительное масляное/воздушное охлаждение с непосредственной прокачкой масла и вентиляторами

.FOW

.ODWF

Принудительное масляное/водяное охлаждение с непосредственной прокачкой масла и водяными насосами

По мере увеличения потерь трансформатора, количество и размеры радиаторов, которые необходимы для охлаждения масла, должны увеличиваться. В конце концов, будет достигнута точка, когда ветра и естественной конвекции будет недостаточно для отвода тепла и воздух должен принудительно прокачиваться через радиаторы вентилятором. Трансформаторы, которые имеют принудительное воздушное охлаждение, называются трансформаторами класса FA. FA трансформаторы требуют дополнительного питания для запуска вентиляторов, одно из преимуществ ОА трансформаторов состоит в том, что они не требуют дополнительного питания для охлаждения оборудования. Так как в дополнительном охлаждении обычно нет необходимости, пока трансформатор загружен не сильно, вентиляторы на большинстве FA трансформаторах выключены, поэтому при легкой нагрузке трансформатор охлаждается за счет естественной конвекции. Когда температура превышает некоторое пороговое значение, они включаются. Эти трансформаторы входят в класс охлаждения ОА/FA трансформаторов.

Некоторые трансформаторы охлаждаются за счет естественной конвекции ниже температуры T1, включая первую ступень вентиляторов при более высокой температуре Т2, и включая вторую ступень вентиляторов при еще более высокой температуре T3. Эти трансформаторы входят в класс охлаждения класса ОА/FA/FA трансформаторов. Поток воздуха в элементах принудительного воздушного охлаждения направлен либо по горизонтали наружу, либо вертикально вверх. Вертикальное направление потока имеет преимущество в том, что оно совпадает с направлением естественной конвекцией воздуха, поэтому два потока воздуха усиливают друг друга.

Хотя мощность охлаждения значительно увеличивается при использовании принудительного воздушного охлаждение, увеличение нагрузки с целью использования увеличенной мощности охлаждения, повышает температурные градиенты в трансформаторе. Будет достигнута точка, где внутренние градиенты температуры ограничивают возможность дальнейшего увеличения нагрузки. Решение заключается в увеличении скорости масла путем прокачки масла, совместно с продувкой воздуха через радиаторы. Обычное насос размещается в нижней части радиаторов, заставляя масло двигаться из выходов радиатора в нижнюю часть бака трансформатора в том же направлении, что и естественная циркуляция, но с гораздо более высокой скоростью. Такие трансформаторы входят в класс охлаждения FOA трансформаторов. Большая эффективность может быть достигнута направлением потока масла сквозь обмотки трансформатора. Следует признать тот факт, что расчет разброса горячих точек по температуре говорит о том, что температура изменяется незначительно для трансформаторов класса направленного потока охлаждения.

трансформаторв с ODAF охлаждением

Как и в конструкции с нагнетаемым воздухом, принудительное охлаждение маслом может быть объединено с О. А. охлаждением (ОА / FOA) или в два этапа (ОА / FOA / FOA).Трансформаторы, имеющие ступень вентиляторов и ступень масляных насосов которые включаются при разных температурах входят в класс охлаждения ОА/FA/FOA трансформаторов.
Конструкция радиатора на FOA трансформаторах может существенно отличаться от конструкции радиаторов FA трансформаторов. Ввиду того, что масло перекачивается под значительным давлением, сопротивление потока масла имеет второстепенное значение, так как радиаторные трубки могут быть сконструированы так, чтобы увеличить площади поверхности за счет площади поперечного сечения. FOA радиаторы иногда называют кулерами, и, как правило, похожи на автомобильные радиаторы с очень узкими промежутками между трубами охлаждения и плоскими ребрами в промежутках между трубами охлаждения для обеспечения дополнительной площади поверхности. Сравнение двух типов показано на рисунке слева (ОА / FA типа) и справа (FOA типа).

OA/FA конструкция радиатора

OA/FA конструкция радиатора. Большие трубы радиатора минимизируют ограничение протекания масла по средствам естественной конвекции. Вентилятор прикреплен внизу, направляя поток воздуха вверх.

FOA конструкция кулера

FOA конструкция кулера. Масло продавливается через узкие трубки сверху вниз с помощью масляных насосов. Вентиляторы направляют воздух горизонтально наружу.

Оборудование для охлаждения требует обслуживания для того, чтобы работать эффективно и обеспечить долгий срок службы трансформатора. Существует очевидная необходимость в обслуживании вентиляторов, насосов, электрооборудования питания. Маслоохладители должны содержаться в чистоте, а, особенно кулеры типа FOA. Многие трансформаторы перегревались при умеренных нагрузках, поскольку ребра охлаждения были забиты гнездами насекомых и птиц, пылью, пыльцой и другими загрязнителями. Для повышающих трансформаторов, где нагрузка находится почти на максимуме постоянно, паровая чистка кулеров один раз в год является хорошей практикой технического обслуживания.

Ещё по теме:

Оставить отзыв