Esquema de diseño de transformadores para ambientes desérticos de alta temperatura | Cumpliendo con los estrictos requisitos de IEC 60076 y 55 ℃ Medio Oriente

Soy un ingeniero del equipo de diseño de transformadores de Zisheng Electric, con muchos años de experiencia en el diseño de transformadores para entornos especiales. Hoy me gustaría tener una discusión práctica con nuestros clientes y amigos de Medio Oriente: en ese tipo de calor del desierto, ¿cómo deberían diseñarse realmente los transformadores?

1. ¿Por qué el ambiente desértico de alta temperatura requiere un diseño de transformador especial?

Veamos primero los datos.

En la provincia oriental de Arabia Saudita, la temperatura máxima extrema del aire alcanzó los 53,5 ℃. ¿La temperatura de la superficie del suelo? 79,8 ℃. Abu Dhabi en los Emiratos Árabes Unidos es un poco mejor, con una temperatura del aire de 52,8 ℃ y una temperatura de la superficie del suelo de 76,5 ℃. Kuwait y Qatar son similares. El número anual de días de tormenta de arena es de 28 días en Arabia Saudita y de 35 días en Kuwait. La diferencia máxima de temperatura diaria puede alcanzar entre 28 y 30 ℃.

Los siguientes datos se basan en información meteorológica disponible públicamente, así como en las condiciones ambientales reales del sitio recopiladas de múltiples proyectos de Medio Oriente en los que hemos participado.

Al observar estas cifras, queda claro que los transformadores diseñados para condiciones ambientales normales pueden experimentar márgenes de aumento de temperatura insuficientes y un envejecimiento acelerado del aislamiento en condiciones continuas de altas temperaturas y condiciones de mucho polvo.

2. El impacto de una temperatura ambiente de 55 ℃ en los transformadores

Este no es el final de la historia. Cuando la temperatura del aire aumenta, la densidad del aire disminuye. A 45 ℃, la densidad del aire es aproximadamente un 8 % menor que a 20 ℃. Por muy potente que sea el radiador, el calor no se puede disipar eficazmente cuando el aire se vuelve más fino. Además, cuando se acumula arena y polvo en las aletas de refrigeración, la eficiencia de disipación de calor seguirá disminuyendo.

Los componentes de sellado de caucho de nitrilo convencionales pueden experimentar endurecimiento, envejecimiento y rendimiento de sellado reducido bajo exposición prolongada a altas temperaturas, radiación ultravioleta y ambientes de arena y polvo. Pueden producirse fugas de aceite, el nivel de aceite puede descender y los devanados expuestos pueden sufrir entrada de humedad y oxidación. ¿Cuántos años más podrán seguir funcionando dichos equipos?

Luego está la cuestión de la arena y el polvo. Se puede acumular polvo conductor en la superficie de los componentes aislantes. En condiciones secas, el impacto puede ser limitado, pero cuando se produce condensación por la mañana y por la noche, se puede desarrollar una descarga superficial. En casos severos, puede ocurrir una descarga disruptiva del buje, lo que resulta en un disparo directo.

Por lo tanto, no basta con transportar un transformador estándar al entorno desértico y ponerlo en funcionamiento. El diseño requiere modificaciones importantes.

3. Control de temperatura de puntos calientes y envejecimiento térmico IEC 60076-7

IEC 60076-7 introduce la regla de los seis grados. ¿Qué quiere decir esto? Según el modelo de envejecimiento térmico IEC 60076-7 , la vida útil del aislamiento disminuye significativamente a medida que aumenta la temperatura del punto caliente del devanado . En la práctica de la ingeniería, se utiliza comúnmente para la evaluación una relación empírica de aproximadamente un aumento de temperatura de 8 K correspondiente a una reducción a la mitad de la vida útil del aislamiento. Bajo una temperatura ambiente de 55 ℃, la temperatura del punto caliente del devanado puede acercarse rápidamente a 110 ℃ o incluso más. Si la temperatura del punto caliente permanece por encima del límite de diseño durante mucho tiempo, el envejecimiento del aislamiento se acelerará significativamente.

4. Diseño de refrigeración en entornos desérticos de Oriente Medio

Primero, hablemos del área de disipación de calor..

En los diseños convencionales, normalmente se utiliza de 0,8 a 1,2 metros cuadrados de área de disipación de calor por kilovatio de pérdida, lo que es adecuado para climas templados. Para las condiciones operativas de Oriente Medio, aumentamos esto directamente de 1,8 a 2,3 metros cuadrados por kilovatio.

Veamos un cálculo real. Un proyecto de subestación en Qatar utilizó un transformador de 20.000 kVA y 132 kV. La pérdida total fue de 142kW. La temperatura ambiente se consideró de 50 ℃ y la temperatura máxima permitida del aceite se estableció en 95 ℃, en lugar de operar cerca de 105 ℃, lo que deja un margen de diseño adicional.

Área de disipación de calor requerida:
S = 142000 / (10 × 45) ≈ 316 m²

El diseño final utilizó 338 m², proporcionando un margen adicional del 7%. El ancho del radiador aumentó de 480 mm a 600 mm y el espacio entre las aletas aumentó de 50 mm a 70 mm. ¿Por qué? Porque es menos probable que se acumulen arena y polvo en los huecos y el flujo de aire puede eliminarlos fácilmente.

El tanque de aceite utiliza un diseño de pared corrugada completamente sellado. La pared corrugada proporciona disipación de calor y también absorbe la expansión y contracción térmica del aceite a través de la deformación elástica de las placas corrugadas. No es necesario un respiradero para aspirar aire del exterior.

De esta manera el aceite aislante queda aislado del entorno exterior. La humedad no puede entrar, la arena y el polvo no pueden entrar y la calidad del aceite puede permanecer estable durante más de diez años.

5. Selección del método de enfriamiento: ONAN, ONAF, OFAF

Para el método de enfriamiento , proporcionaré una tabla de referencia directa.

Un cliente omaní tenía un transformador de 12,5 MVA. Al principio querían ahorrarse el coste de instalación de ventiladores. Les pedí que calcularan el impacto operativo real. Durante los tres meses más calurosos, sin ventiladores, la temperatura superior del aceite fue de 13 a 15 grados más alta que cuando los ventiladores estaban funcionando. Según el modelo de envejecimiento de IEC, el funcionamiento prolongado a temperaturas elevadas aumenta significativamente la velocidad de envejecimiento del aislamiento y reduce el margen de vida útil del equipo. Posteriormente modificaron el diseño y el transformador lleva más de cuatro años funcionando sin ningún problema.

6. Diseño de sellado y protección contra arena, polvo y humedad

Protección contra la arena y el polvo : las tiras de sellado son sólo la medida básica.

Todas las interfaces externas deben estar equipadas con cubiertas protectoras contra el polvo. Las cubiertas tipo lamas instaladas en el exterior de radiadores y ventiladores están diseñadas con un ángulo de inclinación de 35°. Este ángulo ha sido verificado mediante análisis CFD. Bloquea la arena y mantiene la pérdida de flujo de aire dentro del 6%. La eficiencia de interceptación medida alcanza el 92%.

La válvula de alivio de presión también debe estar equipada con una tapa contra el polvo. ¿Por qué? Porque la arena y el polvo pueden acumularse en el disco de la válvula, impidiendo que se abra correctamente cuando realmente se requiere alivio de presión. A medida que aumenta la presión interna del tanque de aceite, las consecuencias pueden ir desde la deformación hasta, en casos graves, la ruptura.

La estructura de doble capa que desarrollamos consta de una pantalla exterior de acero inoxidable de 200 mallas. En un entorno de tormenta de arena, las aberturas de la malla pueden quedar bloqueadas gradualmente por arena fina; Con el tiempo, el área efectiva del flujo de escape continúa disminuyendo, lo que hace que la contrapresión de presión durante el alivio de la presión de falla aumente gradualmente. La membrana interna de PTFE bloquea las partículas finas, mientras que se reserva una cavidad de 5 mm entre las capas como zona de amortiguación.

la distancia de fuga de los casquillos . Se debe aumentar Un valor de 4100 mm está ligeramente por debajo del valor mínimo teórico de 4495 mm para el nivel de contaminación IEC Clase IV. Es una configuración reforzada que se acerca a los requisitos de Clase IV, pero no cumple completamente con la configuración estándar IEC Clase IV . Por lo tanto, los documentos de licitación no deben indicar directamente 'cumple con el nivel de contaminación Clase IV'; en su lugar, deberían indicar: 'Diseñado según los principios de contaminación IEC Clase IV, con una relación de distancia de fuga no inferior a 28,3 mm/kV'. Se agregaron 800 mm adicionales. Aunque la altura del casquillo aumentó en 150 mm, incluso bajo tormentas de arena severas, el voltaje de descarga disruptiva de la superficie aún puede soportar las duras condiciones.

Para sellar los componentes se utiliza caucho fluorado en lugar de caucho de nitrilo.

El caucho fluorado cuesta tres veces más que el caucho de nitrilo. ¿Vale la pena? Mire los proyectos de Medio Oriente que han utilizado sellos de nitrilo durante cinco años. Una vez que llega la primavera, el aceite gotea por las juntas de la tapa como si fuera sudor. Los trabajadores de mantenimiento pasan todo el día limpiando aceite. Cuando se combinan los costos laborales, las pérdidas de petróleo y las pérdidas por cortes de energía, la diferencia de costos adicionales ya se ha recuperado.

7. Selección de materiales aislantes y aceite aislante.

Para la clase térmica de aislamiento , comenzamos directamente desde la Clase F, 155 ℃. Para transformadores de gran capacidad, utilizamos Clase H, 180 ℃. Para proyectos con una temperatura ambiente de 55 ℃, generalmente se requiere un aislamiento de clase térmica más alta para aumentar el margen de temperatura del punto caliente .

Un proyecto de desalinización de agua de mar en Arabia Saudita tenía dos transformadores de 37,5 MVA y el propietario especificó que para aislamiento Clase H. . papel de aramida Nomex se utilizó Fue caro. Pero el coste de un día de inactividad fue de tres millones de dólares. ¿Valió la pena esta inversión?

La selección del aceite aislante depende del nivel de tensión.

Para transformadores de 35 kV y menos, se utiliza aceite aislante mineral. ASTM D3487 Tipo II, que ofrece una excelente estabilidad a la oxidación; aceite mineral inhibido Se selecciona El punto de inflamación de la copa abierta no es inferior a 155 ℃. La principal diferencia entre el Tipo I y el Tipo II es el contenido de aditivos antioxidantes. El tipo II es más adecuado para operaciones a largo plazo en ambientes desérticos de alta temperatura, lo que ayuda a frenar la formación de lodos y el aumento del valor ácido.

Para transformadores de 66 kV y superiores, donde el presupuesto lo permite y los requisitos ambientales y de seguridad contra incendios son mayores, aceite aislante de éster natural (IEC 62770) . se puede seleccionar Está clasificado como fluido Clase K menos inflamable según IEC 61100, con un punto de inflamación no inferior a 300 ℃. El éster natural tiene una solubilidad en agua mucho mayor que el aceite mineral, lo que ayuda a retrasar el envejecimiento térmico del aislamiento de celulosa y proporciona una excelente biodegradabilidad.

Para cargas críticas (hospitales, aeropuertos y centros de datos), el éster sintético es la opción más confiable. Simplemente es más caro.

La densidad de flujo magnético se controla por debajo de 1,55 T. Algunos diseños lo elevan hasta 1,7T. Adoptamos un enfoque más conservador. La reducción de la densidad del flujo magnético aumenta el peso del núcleo aproximadamente entre un 7% y un 12%, lo que significa varias decenas de miles de yuanes más en el costo del acero al silicio. Sin embargo, este núcleo funciona varios grados más frío que un diseño de alta densidad de flujo en condiciones ambientales de 50 ℃. Un núcleo más frío también beneficia a los devanados circundantes.

8. Pruebas de fábrica y verificación de confiabilidad en campo

Datos reales medidos de un transformador desierto de 20.000 kVA/132 kV:

Puntos clave durante la supervisión de fábrica:

Asegure la conexión a tierra de un solo punto del núcleo del transformador y verifique si los espacios de aire son uniformes. Algunos fabricantes apresuran los cronogramas de producción y toman atajos. El sobrecalentamiento local del núcleo puede alcanzar más de 70 ℃ y una vez que el transformador sale de fábrica, no se puede corregir.

El secado al vacío debe durar más de 72 horas, con la tasa de descarga de agua controlada por debajo del 0,3%. Para las unidades terminadas después de solo 48 horas de secado, es posible que la humedad no se elimine por completo. Después de la puesta en servicio y el calentamiento, la humedad puede volver a liberarse, lo que reduce la resistencia del aislamiento en un nivel.

Durante el llenado de aceite, mantenga un nivel de vacío por debajo de 50 Pa durante 12 horas antes de comenzar. La velocidad de llenado de aceite no debe exceder las 1,5 toneladas por hora. Si la velocidad es demasiado alta, prueba de tasa de fuga de vacío para evitar fugas de gas en el sistema. se debe realizar una Verificar únicamente el nivel de vacío sin verificar la tasa de fuga puede generar resultados engañosos. Después del llenado, deje reposar el transformador durante 72 horas antes de realizar pruebas de análisis de aceite.

El voltaje de ruptura no debe ser inferior a 60 kV/2,5 mm.

La afirmación anterior 'pérdida dieléctrica tanδ≤0,3%' es incorrecta: para aceite mineral nuevo a 90 ℃, el límite estándar para el factor de disipación dieléctrica es tanδ≤0,005 (¿0,5%? No, es 0,5‰, 0,005) . Un valor del 0,3% (0,003) ya se acerca al nivel del aceite de servicio envejecido; El aceite nuevo debería funcionar mucho mejor que este.

Pruebas especiales adicionales (no son requisitos obligatorios de IEC 60076, sino pruebas especiales personalizadas para este proyecto en el desierto)

(1) Prueba de carga simulada a largo plazo y alta temperatura

El transformador, incluido el radiador completo y el sistema de refrigeración, se coloca dentro de una cámara de pruebas ambientales. La temperatura del aire de entrada dentro de la cámara se mantiene a ≥45 ℃ y el transformador funciona continuamente a 1,1 veces la carga nominal durante 72 horas.

Durante todo el proceso de prueba, se monitorean continuamente la temperatura superior del aceite y la temperatura del punto caliente del devanado. El límite de protección del punto crítico se establece en no más de 120 ℃ y la prueba deberá finalizar si se excede el límite.

Antes y después de la prueba, se realizan respectivamente las siguientes inspecciones: descarga parcial, análisis de gases disueltos en aceite (DGA), pérdida dieléctrica del aceite y análisis de deformación del devanado SFRA.

Criterios de aceptación: Todos los parámetros de temperatura deberán permanecer dentro de los límites permitidos de diseño. El DGA no detectará ninguna generación anormal de gas antes y después de la prueba. La descarga parcial no deberá mostrar un aumento significativo y no se detectará ninguna deformación anormal del devanado.

Explicación: Esta prueba verifica el margen térmico en condiciones de funcionamiento a alta temperatura y mejora la confiabilidad para el funcionamiento a plena carga a una temperatura ambiente de 50 ℃. No cambia la capacidad nominal indicada en la placa del transformador.

(2) Prueba de simulación de sellado con arena y polvo

Se utiliza polvo de prueba fino de Arizona ISO 12103-1 A2. Se utiliza una cámara sellada de arena y polvo para simular las condiciones de arena arrastrada por el viento, combinada con ciclos de respiración de temperatura y presión para simular el efecto de respiración día-noche del tanque de petróleo. La duración de la prueba es de 2 horas.

Una vez finalizada la prueba, se desmontan e inspeccionan todas las áreas de sellado, incluidas bridas, bocas de acceso, válvulas, válvulas de alivio de presión y otros componentes.

Las superficies internas de las bridas se limpian e inspeccionan. No se permite que entre polvo en la cámara de aceite interna del tanque. No se permiten películas continuas de acumulación de polvo visibles en las superficies de sellado internas; sólo son aceptables cantidades extremadamente pequeñas de polvo flotante aislado en forma de puntos.

Después de la prueba, se repiten las pruebas de descarga parcial y análisis de aceite para confirmar que no haya entrado polvo en la cámara de aceite y contaminado el sistema de aislamiento.

Dice usted que se espera que el equipo sobreviva veinte años en el desierto. ¿Es realmente excesivo dedicar dos días más a realizar pruebas adicionales?

9. Casos de proyectos en Oriente Medio

Varios proyectos reales:

Proyecto de expansión petroquímica de la Provincia Oriental de Arabia Saudita: Dos unidades de transformadores de 25.000kVA/115kV. Aislamiento clase F, refrigeración ONAF , aceite mineral tipo II. Desde junio de 2022 hasta ahora han cumplido su cuarto verano. En julio del año pasado, la temperatura superó los 50 ℃ continuamente durante 12 días y la temperatura máxima del aceite alcanzó los 87 ℃. El gerente de operaciones del usuario dijo: 'Su transformador es el único equipo importante en todo el sitio que nunca ha activado una alarma de temperatura'.

Proyecto de central fotovoltaica de Abu Dhabi, EAU: Una unidad de transformador de 40.000kVA/33kV. Aislamiento clase H, refrigeración OFAF y de éster natural . aceite aislante Funciona a plena generación durante el día y casi sin carga durante la noche, lo que genera importantes fluctuaciones de carga. Configuramos un rango de regulación de voltaje OLTC de ±12%, con un ajuste de voltaje por pasos de 1,5%. El transformador realiza más de veinte ajustes automáticos de tensión cada día y ha funcionado sin fallos.

Proyecto de adquisición centralizada de subestación de Qatar: siete transformadores, que van desde 5 MVA hasta 20 MVA. Entregado en 2021 y en funcionamiento hasta ahora, la disponibilidad global ha alcanzado el 99,87%. La única parada se produjo porque una línea aérea externa fue dañada por un vehículo de construcción, que no estaba relacionado con el transformador en sí.

10. Preguntas comunes y recomendaciones de selección

Varias preguntas frecuentes:

¿Cuánto más caro es un transformador desierto en comparación con un transformador estándar?

Alrededor del 20% al 35%. Las razones incluyen áreas de disipación de calor más grandes, clases de aislamiento más altas, componentes de sellado de caucho fluorado más caros y estructuras de tanques de aceite completamente sellados más complejas. Sin embargo, los transformadores ordinarios pueden durar sólo de 8 a 10 años en ambientes desérticos, mientras que nuestro objetivo de diseño es de 25 a 30 años. Cuando se promedia la vida útil, ¿cuál es realmente más económico?

¿Qué pasa con el tiempo de entrega?

Para transformadores convencionales de menos de 20 MVA, el plazo de entrega suele ser de 90 a 100 días, unos 15 días más que los productos estándar. El tiempo adicional se requiere principalmente para realizar pruebas adicionales. Para proyectos urgentes, se recomienda la comunicación temprana; el plazo de entrega más corto se puede reducir a unos 75 días.

¿Existen requisitos especiales para la instalación en sitio?

Sí. Antes de llenar el aceite, se debe purgar el interior del tanque con nitrógeno seco para eliminar la humedad introducida durante el transporte. Después de instalar el radiador, se debe utilizar aire comprimido para soplar las aletas del radiador desde el interior hacia el exterior para eliminar el polvo y la arena acumulados. Estos dos pasos pueden reducir la temperatura de funcionamiento inicial de 3 a 5 ℃.

¿Cómo se suministran los repuestos?

Hay un almacén disponible en Jebel Ali Free Zone, Dubai. Los anillos de sellado, los indicadores de nivel de aceite, los termómetros, las válvulas de alivio de presión y los motores de ventilador se pueden entregar en un plazo de 48 horas a los seis países del Golfo. Los componentes grandes se envían desde China y el transporte combinado marítimo-aire tarda entre 7 y 10 días.

El análisis de furanos solo se aplica al aislamiento de papel de celulosa (Clase A, siendo los transformadores de aceite mineral la aplicación principal).

Para transformadores que utilizan aislamiento de papel de aramida (Clase H / Clase F): la aramida no genera compuestos de furano , por lo tanto, los indicadores de furano no son aplicables y no se pueden utilizar para evaluar el envejecimiento del aislamiento de aramida.

El furano puede ser adsorbido. Si previamente se ha realizado una filtración con carbón activado o un tratamiento de regeneración de aceite, se puede eliminar el furano, lo que da como resultado valores medidos más bajos. Esto puede crear la falsa impresión de que 'los niveles de furano no son altos, pero el aislamiento de papel ya ha envejecido'.

Se requiere una evaluación integral de múltiples parámetros, que incluya:

• Contenido de furano

• Valor de acidez del aceite

• Grado de polimerización (DP): muestreo de papel durante la inspección, que es el método más confiable

• Análisis DGA (contenido de CO, CO₂)

• resistencia CC

• Pérdida dieléctrica

Nunca se debe tomar una decisión basándose únicamente en un único indicador de furano.

11. Acerca del soporte técnico y eléctrico de Zisheng

Después de hablar tanto, la conclusión es en realidad solo una frase.

Que el equipo pueda resistir el ambiente desértico no depende de si un solo aspecto se hace excepcionalmente bien. Depende de si cada detalle ha sido cuidadosamente pensado y sin concesiones.

Cuando los materiales se seleccionan correctamente, las pruebas se realizan minuciosamente y no se toman atajos, la confiabilidad viene acompañada de confianza.

Llevamos 13 años trabajando en el mercado de Oriente Medio, entregando entre 40 y 50 unidades cada año. No somos el proveedor más barato, pero nuestra reputación se ha construido a través de un proyecto tras otro y un transformador tras otro.

Nuestros productos cubren transformadores sumergidos en aceite, transformadores de subestación, transformadores tipo pedestal, transformadores montados en postes, transformadores de tipo seco , y otros equipos de distribución de energía . Contamos con 22 patentes de modelos de utilidad y 3 derechos de autor de software , hemos aprobado la certificación del sistema de gestión de calidad ISO 9001 y cumplimos con los requisitos estándar IEC pertinentes .

Podemos proporcionar una solución inicial dentro de las 24 horas , que incluye: selección de equipos, cálculo de pérdidas de línea, estimación del retorno de la inversión.

Treinta grados es una temperatura agradable para las personas. Más de cincuenta grados es la temperatura a la que los equipos tienen que luchar para seguir funcionando.

Para proyectos que enfrentan desafíos en la selección de equipos, o para equipos que experimentan problemas menores frecuentes durante períodos de alta temperatura, contáctenos directamente a través de nuestro sitio web oficial. Nuestro equipo técnico le proporcionará una respuesta inicial en un plazo de 24 horas.

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