Aumento della temperatura del trasformatore: guida ai limiti, al calcolo e al raffreddamento

Aumento della temperatura del trasformatoreè uno di quei dettagli tecnici che possono sembrare semplici sulla carta ma che contano molto nel funzionamento reale. Ogni trasformatore produce calore quando è sotto tensione e trasporta un carico. La sfida è far uscire il calore in modo efficiente e mantenere il nucleo, gli avvolgimenti, l'isolamento e l'olio entro l'intervallo di temperatura previsto.

Ciò diventa particolarmente importante con untrasformatore-immerso in olio. L'olio del trasformatore fa molto più che fornire isolamento elettrico. Inoltre allontana il calore dalle parti attive e lo trasferisce al serbatoio, ai radiatori e all'aria circostante.

Quindi, quando gli ingegneri parlano diaumento della temperatura dei trasformatori-immersi in olio, stanno esaminando realmente l'intero sistema termico - perdite del trasformatore, circolazione dell'olio, apparecchiature di raffreddamento, condizioni ambientali, progettazione del serbatoio e carico effettivo.

Aumento della temperatura e temperatura dei trasformatori

Innanzitutto è bene chiarire un punto comune:temperatura del trasformatoreEaumento della temperatura del trasformatorenon sono la stessa cosa.

La temperatura del trasformatore è la temperatura effettiva di un componente, come l'avvolgimento, l'olio superiore, il nucleo o il serbatoio. L'aumento della temperatura èla differenza traquella temperatura e la temperatura ambiente o di riferimento specificata.

In termini semplici:

Temperatura del trasformatore=Temperatura ambiente + Aumento della temperatura

Ad esempio, se la temperatura ambiente è di 30 gradi e l'aumento della temperatura dell'olio-superiore è di 55 K, la temperatura dell'olio-superiore approssimativa è di 85 gradi.

Naturalmente, un vero trasformatore non è così semplice. Parti diverse funzionano a temperature diverse. La temperatura dell'avvolgimento è normalmente superiore a quella dell'olio circostante e una piccola area dell'avvolgimento potrebbe diventare molto più calda della temperatura media dell'avvolgimento. Questa zona-con la temperatura più alta è conosciuta comepunto caldo tortuoso.

Questo è il motivo per cui la progettazione termica del trasformatore considera più di una semplice lettura della temperatura.

Standard di aumento della temperatura del trasformatore

I requisiti di aumento della temperatura- dipendono dallo standard applicabile, dalla progettazione del trasformatore, dal sistema di isolamento, dal metodo di raffreddamento e dalle condizioni operative.

CEI 60076-2fornisce i requisiti per i test di aumento della temperatura-per i trasformatori-immersi nel liquido. ILIEEE C57Anche la serie è ampiamente utilizzata, in particolare per le applicazioni dei trasformatori in Nord America.

Per un progetto specifico, è sempre meglio verificare lo standard applicabile e le specifiche di progetto piuttosto che copiare semplicemente un dato di temperatura da un altro trasformatore.

Tabella dei limiti di aumento della temperatura del trasformatore

Per i progetti convenzionali di trasformatori immersi in liquido-, i valori comunemente indicati dalla norma IEC 60076-2 includono quanto segue:

Queste cifre sono utili riferimenti tecnici, ma non devono essere trattate come limiti universali per ogni trasformatore. I requisiti effettivi possono variare a seconda del liquido isolante, del sistema di isolamento, della disposizione di raffreddamento, delle specifiche del trasformatore e dello standard applicabile.

E c’è un altro punto che è facile non notare:l’aumento della temperatura non è una temperatura assoluta.

La tabella è solo una semplice illustrazione. La temperatura operativa effettiva del trasformatore dipende dal carico, dalle condizioni di raffreddamento, dalla distribuzione del calore e dal progetto termico del produttore.

Le pratiche IEEE sui trasformatori distinguono anche tra progetti con diversi aumenti medi della temperatura degli avvolgimenti, compresi quelli comunemente utilizzati55 gradiE65 gradiprogetti per trasformatori immersi in-olio-minerale. Quindi, ancora una volta, i dati tecnici garantiti dal produttore dovrebbero essere il riferimento finale per un progetto specifico.

Invecchiamento del materiale isolante e aumento della temperatura

La temperatura ha un effetto diretto sull'invecchiamento dell'isolamento del trasformatore.

Quando l'isolamento funziona a temperature elevate per lunghi periodi, il suo processo di invecchiamento generalmente accelera. Sia l'isolamento solido che l'olio isolante possono essere influenzati da uno stress termico continuo.

ILpunto caldo tortuosomerita particolare attenzione. Un trasformatore può avere una temperatura media dell'avvolgimento accettabile mentre un'area localizzata è notevolmente più calda.

Una buona progettazione del trasformatore cerca di tenere sotto controllo questi punti caldi. La corretta geometria dell'avvolgimento, i percorsi del flusso dell'olio-, la selezione del conduttore e la capacità di raffreddamento sono tutti fattori che giocano un ruolo importante.

Temperatura ambiente media ponderata

Temperatura ambienteè un altro fattore da non trascurare.

Un trasformatore che funziona allo stesso aumento di temperatura avrà ovviamente una temperatura assoluta più elevata se installato in un ambiente caldo.

Ciò è particolarmente rilevante nelle regioni tropicali, nelle sottostazioni chiuse e negli impianti industriali dove le temperature circostanti possono rimanere elevate per periodi prolungati.

Gli ingegneri potrebbero dover considerare le temperature stagionali, l'altitudine di installazione, la ventilazione, la radiazione solare e le apparecchiature vicine.

In altre parole, lo stesso trasformatore può comportarsi in modo molto diverso in due ambienti di installazione anche quando l'aumento della temperatura nominale è identico.

Riscaldamento e raffreddamento del trasformatore

Un trasformatore genera calore principalmente attraversoperdita del nucleo, perdita dell'avvolgimento e perdita di carico vagante.

Le perdite del nucleo sono associate principalmente all'isteresi e alle correnti parassite nel nucleo magnetico. Le perdite negli avvolgimenti sono principalmente legate alla resistenza del conduttore, mentre ulteriori perdite parassite possono verificarsi negli avvolgimenti, nelle pareti del serbatoio, nei morsetti e in altri componenti metallici.

Per un trasformatore-immerso in olio, il percorso di trasferimento del calore-di base è simile al seguente:

Nucleo e avvolgimenti → olio del trasformatore → serbatoio/radiatori → aria circostante

Quando il trasformatore raggiunge l'equilibrio termico, il calore generato al suo interno è più o meno bilanciato dal calore rilasciato all'esterno.

Metodi di dissipazione del calore del trasformatore

Diversi meccanismi di trasferimento del calore-lavorano insieme all'interno di un trasformatore.

Per un trasformatore di piccole o medie dimensioni può essere sufficiente il raffreddamento naturale. All’aumentare della capacità del trasformatore, tuttavia, aumenta anche la quantità di calore da rimuovere. È qui che entrano in gioco gruppi di radiatori, ventole, pompe o circolazione diretta dell'olio più grandi.

Metodi di raffreddamento del trasformatore

Per i trasformatori-immersi in olio vengono comunemente utilizzati diversi sistemi di raffreddamento.

Il raffreddamento ONAN rimane una scelta popolare perché è relativamente semplice e affidabile. Ci sono meno componenti ausiliari da manutenere, il che rappresenta un vero vantaggio in molte installazioni.

Per i trasformatori più grandi è possibile aggiungere ventole per aumentare la capacità di raffreddamento. I trasformatori di potenza molto grandi possono utilizzare la circolazione dell'olio-forzata per fornire un trasferimento di calore più controllato.

Riscaldamento e raffreddamento di trasformatori immersi in olio-

Olio per trasformatoriè il cuore del sistema termico in un trasformatore-immerso nell'olio.

Poiché il nucleo e gli avvolgimenti generano calore, l'olio circostante diventa più caldo. L’olio caldo diventa meno denso e si muove naturalmente verso l’alto, mentre l’olio più freddo si muove verso il basso. Questo crea circolazione all'interno del trasformatore.

Questo è essenzialmente il modo in cui funziona il raffreddamento ONAN.

L'olio riscaldato alla fine raggiunge il serbatoio eradiatori, dove il suo calore viene ceduto all'aria circostante.

Il carico del trasformatore ha un effetto importante su questo processo. Le perdite nell'avvolgimento sono approssimativamente proporzionali al quadrato della corrente:

Pcu ∝ I²

Ciò significa che un aumento relativamente modesto della corrente può comportare un aumento molto maggiore delle perdite negli avvolgimenti.

Questo è un confronto semplificato. Le perdite effettive del trasformatore sono più complicate perché la resistenza del conduttore cambia con la temperatura e sono presenti ulteriori perdite parassite.

Tuttavia, il messaggio è abbastanza chiaro: un sovraccarico prolungato può rapidamente diventare un problema termico.

Aumento della temperatura dell'olio-Avvolgimenti del trasformatore immersi

ILaumento della temperatura degli avvolgimenti del trasformatore-immerso nell'olioè uno dei parametri chiave nella progettazione termica del trasformatore.

La temperatura dell'avvolgimento è influenzata dal materiale del conduttore, dalla resistenza dell'avvolgimento, dalla densità di corrente, dalla geometria dell'avvolgimento, dai canali di flusso dell'olio-, dalla disposizione dell'isolamento, dal metodo di raffreddamento e dal carico.

Inoltre la temperatura non è distribuita uniformemente in tutto l'avvolgimento. Alcune aree saranno naturalmente più calde di altre e la posizione-con la temperatura più alta diventerà il punto caldo tortuoso.

Una relazione semplificata è:

Temperatura del punto-caldo=Temperatura ambiente + aumento-del petrolio superiore + gradiente di temperatura dell'olio da-a-

Il calcolo effettivo è più complicato e dipende dal design del trasformatore e dallo standard applicabile.

Metodi di calcolo ingegneristico per il flusso dell'olio e l'aumento della temperatura negli avvolgimenti

Gli ingegneri possono valutare il flusso dell'olio del trasformatore e la temperatura dell'avvolgimento utilizzando calcoli analitici, modelli termici e, per trasformatori più grandi o più complessi, fluidodinamica computazionale (CFD).

Alcuni dei parametri principali includono:

Una buona progettazione del flusso-dell'olio è fondamentale. Se l'olio non circola correttamente attraverso un avvolgimento, possono svilupparsi punti caldi localizzati anche quando la temperatura complessiva del trasformatore sembra accettabile.

Per i trasformatori di potenza di grandi dimensioni, l'analisi CFD può aiutare gli ingegneri a identificare il flusso di olio irregolare, i gradienti di temperatura e i potenziali-punti caldi prima che il trasformatore venga prodotto.

Dissipazione del calore dei serbatoi dell'olio del trasformatore

Il serbatoio dell'olio del trasformatore non è solo un contenitore per l'olio. Fa anche parte del sistema di raffreddamento.

Dopo aver assorbito il calore dal nucleo e dagli avvolgimenti, l'olio trasferisce il calore alle pareti del serbatoio. La superficie del serbatoio cede poi il calore all'ambiente circostante.

I trasformatori più grandi normalmente richiedono radiatori per fornire ulteriore area di trasferimento del calore-.

Dissipazione del calore per convezione

La convezione è uno dei modi principali in cui un trasformatore rilascia calore.

Quando la superficie del serbatoio diventa più calda dell'aria circostante, l'aria vicina si riscalda, diventa meno densa e sale verso l'alto. L'aria più fredda si sposta quindi verso la superficie del serbatoio.

Ciò crea una circolazione naturale dell'aria e allontana il calore dal trasformatore.

Con il raffreddamento ad aria forzata-, le ventole aumentano il flusso d'aria attraverso le superfici del radiatore. Ciò è particolarmente utile quando il trasformatore funziona a carico elevato.

Radiazione

Anche la vasca del trasformatore e i radiatori rilasciano calore attraverso la radiazione termica.

La quantità di calore irradiato dipende dalla temperatura superficiale, dall'emissività, dall'area esposta e dalle condizioni circostanti.

Le radiazioni non funzionano da sole. In pratica, irraggiamento e convezione operano insieme e contribuiscono entrambi alla dissipazione del calore complessivo del trasformatore.

Aumento della temperatura dei serbatoi dell'olio del trasformatore tubolare

I serbatoi tubolari dell'olio del trasformatore utilizzano strutture tubolari per aumentare l'area di trasferimento del calore esterno-.

Il percorso termico di base rimane:

Parti attive → olio → serbatoio tubolare → aria circostante

Una superficie di raffreddamento più ampia può migliorare la dissipazione del calore, in particolare per i trasformatori a raffreddamento naturale.

L'aumento della temperatura di un serbatoio dell'olio del trasformatore tubolare dipende dal carico del trasformatore, dalla circolazione dell'olio, dalle dimensioni dei tubi, dalla spaziatura dei tubi, dalla temperatura ambiente e dal flusso d'aria attorno al serbatoio.

Il serbatoio dovrebbe quindi essere progettato come parte del sistema termico completo, insieme al nucleo, agli avvolgimenti, ai passaggi dell'olio, ai radiatori e all'aria circostante.

Perché l'aumento della temperatura del trasformatore è importante

Perché dedicare così tanto tempo a discutere dell’aumento della temperatura? Perché ha un collegamento diretto condurata dell'isolamento, capacità di carico del trasformatore, prestazioni di raffreddamento, affidabilità e durata.

Il funzionamento a lungo-termine a temperature eccessive può accelerare l'invecchiamento dell'isolamento e aumentare il rischio di deterioramento termico. D'altro canto, un sistema di raffreddamento sovradimensionato può aggiungere costi inutili per le apparecchiature e consumo di energia ausiliaria.

L'obiettivo non è semplicemente quello di rendere il trasformatore il più bello possibile. Una buona ingegneria consiste nel trovare il giusto equilibrio tra generazione di calore, dissipazione del calore, efficienza, costi, affidabilità e il profilo di carico effettivo.

Anche gli impianti elettrici moderni meritano un'attenzione particolare. I data center, gli azionamenti a frequenza-variabile, i convertitori di energia-rinnovabile, i sistemi di ricarica per veicoli elettrici e altri carichi-elettronici possono introdurre correnti armoniche. Queste correnti possono aumentare le perdite aggiuntive del trasformatore e contribuire al riscaldamento.

Fattori chiave che influenzano l'aumento della temperatura del trasformatore

Quando si seleziona o si specifica un trasformatore-immerso in olio, vale la pena considerare l'ambiente operativo completo anziché concentrarsi su un solo numero di temperatura.

Conclusione

Aumento della temperatura del trasformatoreè una parte fondamentale della progettazione, del test e del funzionamento del trasformatore. Descrive quanto diventa più caldo un componente del trasformatore rispetto alla temperatura ambiente di riferimento e fornisce un'indicazione utile sull'efficacia del sistema termico del trasformatore.

Per untrasformatore-immerso in olio, il calore generato dal nucleo e dagli avvolgimenti viene trasferito all'olio isolante, trasportato attraverso il sistema di raffreddamento, passato al serbatoio e ai radiatori e infine rilasciato per convezione e irraggiamento.

ILaumento della temperatura dei trasformatori-immersi in oliodipende da molti fattori, tra cui il carico del trasformatore, la temperatura ambiente, la progettazione dell'avvolgimento, la circolazione dell'olio, il metodo di raffreddamento, la struttura del serbatoio e l'area di trasferimento del calore-disponibile.

Il punto caldo dell'avvolgimento merita particolare attenzione perché il surriscaldamento localizzato può accelerare l'invecchiamento dell'isolamento anche quando la temperatura media rimane entro limiti accettabili.

Per i produttori di trasformatori comeTrasformatore Yawei, la progettazione termica è quindi una parte essenziale dell'ingegnerizzazione del prodotto. La configurazione degli avvolgimenti, i percorsi del flusso dell'olio, la distribuzione delle perdite, la progettazione del radiatore, le apparecchiature di raffreddamento e i test sull'aumento della temperatura devono lavorare tutti insieme.

Quando si specifica un trasformatore, verificare sempre quanto applicabileStandard IEC 60076 o IEEE C57, requisiti di progetto, sistema di isolamento, disposizione di raffreddamento, condizioni ambientali e dati tecnici garantiti dal produttore. Valori come60K, 65K, 70K e 78Ksono valori di aumento della temperatura di riferimento-in condizioni definite, non limiti di temperatura operativa-universali per ogni trasformatore.

In definitiva, una buona progettazione termica è abbastanza semplice in linea di principio: generare meno calore non necessario, spostare il calore in modo efficiente, tenere sotto controllo i punti caldi e assicurarsi che il trasformatore possa gestire il carico-reale che vedrà effettivamente.

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