Transformatortemperatuurstijging: limieten, berekenings- en koelinggids

Temperatuurstijging van de transformatoris een van die technische details die er op papier eenvoudig uit kunnen zien, maar in de praktijk van groot belang zijn. Elke transformator produceert warmte wanneer deze onder spanning staat en een belasting draagt. De uitdaging is om die warmte efficiënt naar buiten te brengen en de kern, wikkelingen, isolatie en olie binnen het ontworpen temperatuurbereik te houden.

Dit wordt vooral belangrijk bij eenolie-ondergedompelde transformator. Transformatorolie doet meer dan alleen elektrische isolatie bieden. Het voert ook warmte weg van de actieve delen en brengt deze over naar de tank, radiatoren en de omringende lucht.

Dus als ingenieurs praten over detemperatuurstijging van in olie-ondergedompelde transformatoren, kijken ze echt naar het hele thermische systeem - transformatorverliezen, oliecirculatie, koelapparatuur, omgevingsomstandigheden, tankontwerp en daadwerkelijke belasting.

Temperatuurstijging en temperatuur van transformatoren

Ten eerste is het de moeite waard om één gemeenschappelijk punt op te helderen:transformator temperatuurEntemperatuurstijging van de transformatorzijn niet hetzelfde.

Transformatortemperatuur is de werkelijke temperatuur van een onderdeel, zoals de wikkeling, topolie, kern of tank. Temperatuurstijging welhet verschil tussendie temperatuur en de gespecificeerde omgevings- of referentietemperatuur.

In eenvoudige bewoordingen:

Transformatortemperatuur=Omgevingstemperatuur + temperatuurstijging

Als de omgevingstemperatuur bijvoorbeeld 30 graden is en de bovenste-olietemperatuurstijging 55 K is, is de geschatte bovenste-olietemperatuur 85 graden.

Een echte transformator is natuurlijk niet zo eenvoudig. Verschillende onderdelen werken bij verschillende temperaturen. De temperatuur van de wikkeling is normaal gesproken hoger dan die van de omringende olie, en een klein deel van de wikkeling kan veel heter worden dan de gemiddelde wikkeltemperatuur. Dit gebied met de hoogste- temperatuur staat bekend als hetkronkelende hotspot.

Daarom kijkt het thermische ontwerp van transformatoren naar meer dan slechts één temperatuurmeting.

Normen voor temperatuurstijging van transformatoren

De vereisten voor temperatuurstijging- zijn afhankelijk van de toepasselijke norm, het transformatorontwerp, het isolatiesysteem, de koelmethode en de bedrijfsomstandigheden.

IEC 60076-2biedt vereisten voor temperatuur-stijgingstests voor vloeistof-ondergedompelde transformatoren. DeIEEE C57serie wordt ook veel gebruikt, vooral voor transformatortoepassingen in Noord-Amerika.

Voor een specifiek project is het altijd beter om de geldende norm en projectspecificatie te controleren dan simpelweg een temperatuurcijfer van een andere transformator te kopiëren.

Tabel met limieten voor temperatuurstijging transformator

Voor conventionele ontwerpen van transformatoren met vloeistof{0}}ondergedompeld omvatten de vaak genoemde waarden uit IEC 60076-2 het volgende:

Deze cijfers zijn nuttige technische referenties, maar mogen niet worden beschouwd als universele limieten voor elke transformator. De werkelijke vereisten kunnen variëren afhankelijk van de isolatievloeistof, het isolatiesysteem, de koelopstelling, de transformatorspecificatie en de toepasselijke norm.

En er is nog een punt dat gemakkelijk over het hoofd wordt gezien:temperatuurstijging is geen absolute temperatuur.

De tabel is slechts een eenvoudige illustratie. De werkelijke bedrijfstemperatuur van de transformator is afhankelijk van de belasting, de koelomstandigheden, de warmteverdeling en het thermische ontwerp van de fabrikant.

IEEE-transformatorpraktijken maken ook onderscheid tussen ontwerpen met verschillende gemiddelde temperatuurstijgingen van de wikkelingen, waaronder de vaak gebruikte55 gradenEn65 gradenontwerpen voor ondergedompelde transformatoren in minerale-olie-. Dus nogmaals, de gegarandeerde technische gegevens van de fabrikant moeten de definitieve referentie zijn voor een specifiek project.

Isolatiemateriaal Veroudering en temperatuurstijging

Temperatuur heeft een direct effect op de veroudering van de isolatie van de transformator.

Wanneer isolatie gedurende lange perioden bij hoge temperaturen werkt, versnelt het verouderingsproces doorgaans. Zowel vaste isolatie als isolatieolie kunnen worden aangetast door voortdurende thermische spanning.

Dekronkelende hotspotverdient bijzondere aandacht. Een transformator kan een acceptabele gemiddelde wikkelingstemperatuur hebben, terwijl een lokaal gebied aanzienlijk heter wordt.

Een goed transformatorontwerp probeert deze hotspots onder controle te houden. De juiste wikkelingsgeometrie, olie-stroompaden, geleiderkeuze en koelcapaciteit spelen allemaal een rol.

Gewogen gemiddelde omgevingstemperatuur

Omgevingstemperatuuris een andere factor die niet over het hoofd mag worden gezien.

Een transformator die bij dezelfde temperatuurstijging werkt, zal uiteraard een hogere absolute temperatuur hebben wanneer deze in een warme omgeving wordt geïnstalleerd.

Dit is met name relevant in tropische gebieden, afgesloten onderstations en industriële faciliteiten waar de omgevingstemperaturen gedurende langere perioden hoog kunnen blijven.

Ingenieurs moeten mogelijk rekening houden met seizoenstemperaturen, installatiehoogte, ventilatie, zonnestraling en apparatuur in de buurt.

Met andere woorden: dezelfde transformator kan zich in twee installatieomgevingen heel verschillend gedragen, zelfs als de nominale temperatuurstijging identiek is.

Transformator verwarming en koeling

Een transformator genereert warmte voornamelijk viakernverlies, wikkelingsverlies en verlies van verdwaalde belasting.

Kernverliezen houden voornamelijk verband met hysteresis en wervelstromen in de magnetische kern. Wikkelingsverliezen houden voornamelijk verband met de weerstand van de geleider, terwijl extra zwerfverliezen kunnen optreden in wikkelingen, tankwanden, klemmen en andere metalen componenten.

Voor een in olie-ondergedompelde transformator ziet het fundamentele warmteoverdrachtspad- er als volgt uit:

Kern en wikkelingen → transformatorolie → tank/radiatoren → omgevingslucht

Wanneer de transformator een thermisch evenwicht bereikt, wordt de warmte die erin wordt gegenereerd ruwweg gecompenseerd door de warmte die buiten vrijkomt.

Methoden voor warmteafvoer van transformatoren

Verschillende warmteoverdrachtsmechanismen-werken samen in een transformator.

Voor een kleine of middelgrote transformator kan natuurlijke koeling voldoende zijn. Naarmate de capaciteit van de transformator toeneemt, neemt echter ook de hoeveelheid warmte toe die moet worden afgevoerd. Dat is waar grotere radiatorbanken, ventilatoren, pompen of gerichte oliecirculatie binnenkomen.

Transformatorkoelmethoden

Er worden vaak verschillende koelvoorzieningen gebruikt voor in olie-ondergedompelde transformatoren.

ONAN-koeling blijft een populaire keuze omdat het relatief eenvoudig en betrouwbaar is. Er zijn minder hulpcomponenten te onderhouden, wat bij veel installaties een groot voordeel is.

Voor grotere transformatoren kunnen ventilatoren worden toegevoegd om de koelcapaciteit te vergroten. Zeer grote stroomtransformatoren kunnen geforceerde-oliecirculatie gebruiken om een ​​meer gecontroleerde warmteoverdracht te bewerkstelligen.

Verwarming en koeling van olie-Ondergedompelde transformatoren

Transformator oliebevindt zich in het hart van het thermische systeem in een olie--ondergedompelde transformator.

Terwijl de kern en de wikkelingen warmte genereren, wordt de omringende olie warmer. Warme olie wordt minder dicht en beweegt op natuurlijke wijze naar boven, terwijl koelere olie naar beneden beweegt. Hierdoor ontstaat er circulatie in de transformator.

Dat is in wezen hoe ONAN-koeling werkt.

De verwarmde olie bereikt uiteindelijk de tank enradiatoren, waar de warmte wordt overgedragen aan de omringende lucht.

Transformatorbelasting heeft een groot effect op dit proces. Wikkelingsverliezen zijn ongeveer evenredig met het kwadraat van de stroom:

Pcu ∝I²

Dat betekent dat een relatief bescheiden toename van de stroom kan resulteren in een veel grotere toename van de wikkelverliezen.

Dit is een vereenvoudigde vergelijking. Werkelijke transformatorverliezen zijn ingewikkelder omdat de weerstand van de geleider verandert met de temperatuur en er extra zwerfverliezen aanwezig zijn.

Toch is de boodschap vrij duidelijk: aanhoudende overbelasting kan snel een thermisch probleem worden.

Temperatuurstijging van olie-Ondergedompelde transformatorwikkelingen

Detemperatuurstijging van olie-ondergedompelde transformatorwikkelingenis een van de belangrijkste parameters bij het thermisch ontwerp van transformatoren.

De temperatuur van de wikkelingen wordt beïnvloed door het materiaal van de geleider, de weerstand van de wikkeling, de stroomdichtheid, de geometrie van de wikkeling, de-oliestroomkanalen, de isolatieopstelling, de koelmethode en de belasting.

Ook is de temperatuur niet gelijkmatig verdeeld over de wikkeling. Sommige gebieden zullen van nature heter zijn dan andere, en de locatie met de hoogste- temperatuur wordt de kronkelende hotspot.

Een vereenvoudigde relatie is:

Heet-spottemperatuur=Omgevingstemperatuur + top-oliestijging + wikkeling-naar-olietemperatuurgradiënt

De daadwerkelijke berekening is ingewikkelder en hangt af van het transformatorontwerp en de toepasselijke norm.

Technische berekeningsmethoden voor oliestroom en temperatuurstijging in wikkelingen

Ingenieurs kunnen de oliestroom en de wikkelingstemperatuur van een transformator evalueren met behulp van analytische berekeningen, thermische modellen en, voor grotere of complexere transformatoren, computationele vloeistofdynamica (CFD).

Enkele van de belangrijkste parameters zijn:

Een goed ontwerp van de olie-stroom is van cruciaal belang. Als olie niet goed door een wikkeling circuleert, kunnen er plaatselijke hotspots ontstaan, zelfs als de algehele transformatortemperatuur er acceptabel uitziet.

Voor grote vermogenstransformatoren kan CFD-analyse ingenieurs helpen ongelijkmatige oliestromen, temperatuurgradiënten en potentiële hotspotlocaties- te identificeren voordat de transformator wordt vervaardigd.

Warmteafvoer van transformatorolietanks

De transformatorolietank is niet alleen een container voor de olie. Het maakt ook deel uit van het koelsysteem.

Na het absorberen van warmte uit de kern en wikkelingen, draagt ​​de olie die warmte over naar de tankwanden. Het tankoppervlak geeft vervolgens de warmte af aan de omgeving.

Grotere transformatoren hebben normaal gesproken radiatoren nodig om voor extra warmteoverdrachtsoppervlak- te zorgen.

Convectie Warmteafvoer

Convectie is een van de belangrijkste manieren waarop een transformator warmte vrijgeeft.

Wanneer het tankoppervlak warmer wordt dan de omringende lucht, warmt de nabijgelegen lucht op, wordt minder dicht en stijgt. Koelere lucht beweegt dan naar het tankoppervlak.

Hierdoor ontstaat een natuurlijke luchtcirculatie en wordt de warmte afgevoerd van de transformator.

Met geforceerde-luchtkoeling vergroten ventilatoren de luchtstroom over de radiatoroppervlakken. Dit is vooral handig als de transformator onder hoge belasting werkt.

Straling

De transformatortank en radiatoren geven ook warmte af via thermische straling.

De hoeveelheid uitgestraalde warmte hangt af van de oppervlaktetemperatuur, het emissiviteitsvermogen, het blootgestelde gebied en de omgevingsomstandigheden.

Straling werkt niet alleen. In de praktijk werken straling en convectie samen en dragen beide bij aan de algehele warmteafvoer van de transformator.

Temperatuurstijging van olietanks voor buisvormige transformatoren

Buisvormige transformatorolietanks maken gebruik van buisvormige structuren om het externe warmteoverdrachtsoppervlak- te vergroten.

Het fundamentele thermische pad blijft:

Actieve delen → olie → buisvormige tank → omgevingslucht

Een groter koeloppervlak kan de warmteafvoer verbeteren, vooral bij natuurlijk gekoelde transformatoren.

De temperatuurstijging van een buisvormige transformatorolietank hangt af van de belasting van de transformator, de oliecirculatie, de buisafmetingen, de buisafstand, de omgevingstemperatuur en de luchtstroom rond de tank.

De tank moet daarom worden ontworpen als onderdeel van het volledige thermische systeem, samen met de kern, wikkelingen, oliedoorgangen, radiatoren en omringende lucht.

Waarom de temperatuurstijging van transformatoren belangrijk is

Waarom zoveel tijd besteden aan het bespreken van temperatuurstijging? Omdat het een directe verbinding heeft metisolatielevensduur, laadvermogen van de transformator, koelprestaties, betrouwbaarheid en levensduur.

Langdurig gebruik-bij hoge temperaturen kan de veroudering van de isolatie versnellen en het risico op thermische achteruitgang vergroten. Aan de andere kant kan een te groot koelsysteem onnodige apparatuurkosten en extra stroomverbruik veroorzaken.

Het doel is niet simpelweg om de transformator zo cool mogelijk te maken. Goede engineering gaat over het vinden van de juiste balans tussen warmteopwekking, warmteafvoer, efficiëntie, kosten, betrouwbaarheid en het daadwerkelijke belastingsprofiel.

Ook moderne elektrische installaties verdienen extra aandacht. Datacentra, frequentieregelaars-met variabele frequentie, omzetters van hernieuwbare- energie, EV-laadsystemen en andere-elektronische vermogensbelastingen kunnen harmonische stromen introduceren. Deze stromen kunnen extra transformatorverliezen vergroten en bijdragen aan de verwarming.

Belangrijkste factoren die de temperatuurstijging van transformatoren beïnvloeden

Bij het selecteren of specificeren van een olie--transformator is het de moeite waard om naar de volledige bedrijfsomgeving te kijken in plaats van zich te concentreren op één temperatuurgetal.

Conclusie

Temperatuurstijging van de transformatoris een fundamenteel onderdeel van het ontwerp, het testen en de werking van transformatoren. Het beschrijft hoeveel heter een transformatorcomponent wordt vergeleken met de referentieomgevingstemperatuur, en het geeft een nuttige indicatie van de effectiviteit van het thermische systeem van de transformator.

Voor eenolie-ondergedompelde transformatorDe door de kern en wikkelingen gegenereerde warmte wordt overgebracht naar de isolerende olie, door het koelsysteem gevoerd, naar de tank en radiatoren geleid en uiteindelijk vrijgegeven door convectie en straling.

Detemperatuurstijging van in olie-ondergedompelde transformatorenhangt van veel factoren af, waaronder de belasting van de transformator, de omgevingstemperatuur, het ontwerp van de wikkelingen, de oliecirculatie, de koelmethode, de tankconstructie en het beschikbare warmteoverdrachtsgebied-.

De kronkelende hotspot verdient bijzondere aandacht omdat plaatselijke oververhitting de veroudering van de isolatie kan versnellen, zelfs als de gemiddelde temperatuur binnen aanvaardbare grenzen blijft.

Voor transformatorfabrikanten zoalsYawei-transformatorDaarom is thermisch ontwerp een essentieel onderdeel van productengineering. Wikkelingsconfiguratie, olie-stroompaden, verliesverdeling, radiatorontwerp, koelapparatuur en temperatuur-stijgingstests moeten allemaal samenwerken.

Wanneer u een transformator specificeert, controleer dan altijd wat van toepassing isIEC 60076- of IEEE C57-normen, projectvereisten, isolatiesysteem, koelopstelling, omgevingsomstandigheden en de gegarandeerde technische gegevens van de fabrikant. Waarden zoals60 K, 65 K, 70 K en 78 Kzijn referentietemperatuur-stijgingswaarden onder gedefinieerde omstandigheden, en geen universele bedrijfstemperatuur-limieten voor elke transformator.

Uiteindelijk is een goed thermisch ontwerp in principe vrij eenvoudig: minder onnodige warmte genereren, de warmte efficiënt verplaatsen, hotspots onder controle houden en ervoor zorgen dat de transformator de echte- belasting aankan die hij daadwerkelijk zal zien.

Neem nu contact op