Schema di progettazione del trasformatore per ambienti desertici ad alta temperatura | Soddisfa i rigorosi requisiti IEC 60076 e 55 ℃ Medio Oriente

Sono un ingegnere del team di progettazione dei trasformatori di Zisheng Electric, con molti anni di esperienza nella progettazione di trasformatori per ambienti speciali. Oggi vorrei avere una discussione pratica con i nostri clienti e amici del Medio Oriente: in quel tipo di caldo desertico, come dovrebbero essere progettati effettivamente i trasformatori?

1. Perché l'ambiente desertico ad alta temperatura richiede una progettazione speciale del trasformatore?

Diamo prima un'occhiata ai dati.

Nella provincia orientale dell'Arabia Saudita, la temperatura massima estrema dell'aria ha raggiunto i 53,5℃. La temperatura della superficie del terreno? 79,8 ℃. Abu Dhabi negli Emirati Arabi Uniti è leggermente migliore, con una temperatura dell'aria di 52,8 ℃ e una temperatura della superficie del suolo di 76,5 ℃. Kuwait e Qatar sono simili. Il numero annuale di giorni di tempeste di sabbia è di 28 giorni in Arabia Saudita e di 35 giorni in Kuwait. La differenza massima di temperatura giornaliera può raggiungere dai 28 ai 30 ℃.

I seguenti dati si basano su informazioni meteorologiche disponibili al pubblico, nonché sulle condizioni ambientali effettive del sito raccolte da numerosi progetti in Medio Oriente a cui abbiamo partecipato.

Osservando queste cifre, diventa chiaro che i trasformatori progettati per condizioni ambientali normali potrebbero presentare margini di aumento della temperatura insufficienti e un invecchiamento accelerato dell'isolamento in condizioni di temperature elevate continue e condizioni di forte polvere.

2. L'impatto di una temperatura ambiente di 55 ℃ sui trasformatori

Questa non è la fine della storia. Quando la temperatura dell'aria aumenta, la densità dell'aria diminuisce. A 45℃, la densità dell'aria è inferiore di circa l'8% rispetto a 20℃. Non importa quanto potente sia il radiatore, il calore non può essere trasportato efficacemente quando l’aria diventa più rarefatta. Inoltre, quando sabbia e polvere si accumulano sulle alette di raffreddamento, l'efficienza di dissipazione del calore continuerà a diminuire.

I componenti di tenuta in gomma nitrilica convenzionali potrebbero subire indurimento, invecchiamento e prestazioni di tenuta ridotte in caso di esposizione a lungo termine ad alte temperature, radiazioni ultraviolette e ambienti sabbiosi e polverosi. Potrebbero verificarsi perdite d'olio, il livello dell'olio potrebbe abbassarsi e gli avvolgimenti esposti potrebbero subire infiltrazioni di umidità e ossidazione. Per quanti anni ancora tali apparecchiature potranno continuare a funzionare?

Poi c’è il problema della sabbia e della polvere. Sulla superficie dei componenti isolanti può accumularsi polvere conduttiva. In condizioni asciutte, l'impatto può essere limitato, ma quando si forma condensa al mattino e alla sera, si possono sviluppare scariche superficiali. Nei casi più gravi, possono verificarsi scariche elettriche della boccola, con conseguente intervento diretto.

Pertanto non è sufficiente trasportare semplicemente un trasformatore standard nell'ambiente desertico e metterlo in funzione. Il design richiede importanti modifiche.

3. IEC 60076-7 Invecchiamento termico e controllo della temperatura dei punti caldi

La norma IEC 60076-7 introduce la regola dei sei gradi. Cosa significa questo? Secondo il modello di invecchiamento termico IEC 60076-7 , la durata dell'isolamento diminuisce significativamente all'aumentare della temperatura del punto caldo dell'avvolgimento . Nella pratica ingegneristica, per la valutazione viene comunemente utilizzata una relazione empirica di circa 8K di aumento della temperatura corrispondente a un dimezzamento della durata dell'isolamento. Al di sotto di una temperatura ambiente di 55 ℃, la temperatura del punto caldo dell'avvolgimento può rapidamente avvicinarsi a 110 ℃ o anche superiore. Se la temperatura dell’hotspot rimane a lungo al di sopra del limite di progettazione, l’invecchiamento dell’isolamento accelererà in modo significativo.

4. Progettazione del raffreddamento negli ambienti desertici del Medio Oriente

Innanzitutto parliamo dell'area di dissipazione del calore.

Nei progetti convenzionali, vengono generalmente utilizzati da 0,8 a 1,2 metri quadrati di area di dissipazione del calore per kilowatt di perdita, il che è adatto ai climi temperati. Per le condizioni operative del Medio Oriente, aumentiamo direttamente questo valore da 1,8 a 2,3 metri quadrati per kilowatt.

Diamo un'occhiata a un calcolo reale. Un progetto di sottostazione in Qatar ha utilizzato un trasformatore da 20.000 kVA, 132 kV. La perdita totale è stata di 142 kW. La temperatura ambiente è stata considerata pari a 50 ℃ e la temperatura massima consentita dell'olio è stata fissata a 95 ℃, anziché funzionare vicino a 105 ℃, lasciando un ulteriore margine di progettazione.

Area di dissipazione del calore richiesta:
S = 142000 / (10 × 45) ≈ 316 m²

Il progetto finale ha utilizzato 338 m², fornendo un ulteriore margine del 7%. La larghezza del radiatore è stata aumentata da 480 mm a 600 mm e la distanza tra le alette è stata aumentata da 50 mm a 70 mm. Perché? Perché è meno probabile che sabbia e polvere si accumuli negli spazi vuoti e il flusso d'aria può rimuoverli facilmente.

Il serbatoio dell'olio utilizza un design a parete ondulata completamente sigillato. La parete ondulata garantisce la dissipazione del calore e assorbe anche l'espansione e la contrazione termica dell'olio attraverso la deformazione elastica delle piastre ondulate. Non è necessario uno sfiato per aspirare l'aria esterna.

In questo modo l'olio isolante risulta isolato dall'ambiente esterno. L'umidità non può entrare, la sabbia e la polvere non possono entrare e la qualità dell'olio può rimanere stabile per più di dieci anni.

5. Selezione del metodo di raffreddamento: ONAN, ONAF, OFAF

Per il metodo di raffreddamento fornirò una tabella di riferimento diretto.

Un cliente dell'Oman aveva un trasformatore da 12,5 MVA. Inizialmente, volevano risparmiare sui costi di installazione dei ventilatori. Ho chiesto loro di calcolare l'impatto operativo effettivo. Durante i tre mesi più caldi, senza ventole, la temperatura superiore dell'olio era di 13-15 gradi più alta rispetto a quando le ventole erano in funzione. Secondo il modello di invecchiamento IEC, il funzionamento a lungo termine a temperature elevate aumenta significativamente la velocità di invecchiamento dell’isolamento e riduce il margine di durata prevista dell’apparecchiatura. Successivamente hanno modificato il progetto e il trasformatore ha funzionato per più di quattro anni senza alcun problema.

6. Progettazione di protezione da sabbia, polvere, umidità e sigillatura

Protezione da sabbia e polvere : i nastri sigillanti sono solo la misura di base.

Tutte le interfacce esterne devono essere dotate di coperture antipolvere. Le coperture a feritoia installate all'esterno di radiatori e ventilatori sono progettate con un angolo di inclinazione di 35°. Questo angolo è stato verificato attraverso l'analisi CFD. Blocca la sabbia mantenendo la perdita del flusso d'aria entro il 6%. L'efficienza di intercettazione misurata raggiunge il 92%.

La valvola limitatrice di pressione deve essere dotata anche di un cappuccio antipolvere. Perché? Perché sabbia e polvere possono accumularsi sul disco della valvola, impedendone l'apertura corretta quando è effettivamente necessaria la riduzione della pressione. Quando la pressione interna del serbatoio dell'olio aumenta, le conseguenze possono variare dalla deformazione fino, nei casi più gravi, alla rottura.

La struttura a doppio strato che abbiamo sviluppato è costituita da uno schermo esterno in acciaio inossidabile da 200 mesh. In un ambiente con tempesta di sabbia, le aperture delle reti possono essere gradualmente bloccate dalla sabbia fine; nel tempo, l'area effettiva del flusso di scarico continua a diminuire, provocando un aumento graduale della contropressione durante lo scarico della pressione di guasto. La membrana interna in PTFE blocca le particelle fini, mentre una cavità di 5 mm è riservata tra gli strati come zona cuscinetto.

La distanza superficiale delle boccole dovrebbe essere aumentata. Un valore di 4.100 mm è leggermente inferiore al valore minimo teorico di 4.495 mm per il livello di inquinamento IEC Classe IV. Si tratta di una configurazione rinforzata che si avvicina ai requisiti di Classe IV, ma non soddisfa completamente la configurazione standard IEC di Classe IV . Pertanto, i documenti di gara non dovrebbero dichiarare direttamente 'rispetta il livello di inquinamento di Classe IV'; invece, dovrebbero indicare: 'Progettato secondo i principi di inquinamento IEC Classe IV, con un rapporto di distanza superficiale non inferiore a 28,3 mm/kV.' Sono stati aggiunti ulteriori 800 mm. Sebbene l'altezza della boccola sia aumentata di 150 mm, anche in caso di forti tempeste di sabbia, la tensione di scarica superficiale può comunque resistere alle condizioni difficili.

Per la sigillatura dei componenti viene utilizzata la gomma fluorurata al posto della gomma nitrilica.

La gomma fluorurata costa tre volte di più della gomma nitrilica. Ne vale la pena? Guarda i progetti del Medio Oriente che utilizzano guarnizioni in nitrile da cinque anni. Con l'arrivo della primavera l'olio fuoriesce dalle giunture della copertura come se si sudasse. Gli addetti alla manutenzione passano tutto il giorno a pulire l'olio. Quando si sommano i costi della manodopera, le perdite di petrolio e le perdite per interruzioni di corrente, la differenza di costo aggiuntiva è già stata recuperata.

7. Selezione dei materiali isolanti e dell'olio isolante

Per la classe termica di isolamento si parte direttamente dalla Classe F, 155℃. Per i trasformatori di grande capacità utilizziamo la Classe H, 180 ℃. Per progetti con una temperatura ambiente di 55 ℃, di solito è necessario un isolamento di classe termica più elevata per aumentare il margine di temperatura dell'hotspot .

Un progetto di desalinizzazione dell'acqua di mare in Arabia Saudita prevedeva due trasformatori da 37,5 MVA e il proprietario ha specificato che per l'isolamento di classe H. . carta aramidica Nomex è stata utilizzata Era costoso. Ma il costo di un giorno di inattività ammontava a tre milioni di dollari USA. Ne è valsa la pena questo investimento?

La scelta dell'olio isolante dipende dal livello di tensione.

Per i trasformatori da 35 kV e inferiori viene utilizzato olio isolante minerale. Viene selezionato ASTM D3487 Tipo II l'olio minerale inibito , che offre un'eccellente stabilità all'ossidazione; il punto di infiammabilità della tazza aperta non è inferiore a 155 ℃. La principale differenza tra Tipo I e Tipo II è il contenuto di additivi antiossidanti. Il tipo II è più adatto per il funzionamento a lungo termine in ambienti desertici ad alta temperatura, contribuendo a rallentare la formazione di fanghi e l'aumento del valore di acidità.

Per i trasformatori da 66 kV e superiori, dove il budget lo consente e i requisiti ambientali e di sicurezza antincendio sono più elevati, l'olio isolante a base di estere naturale (IEC 62770) . è possibile selezionare È classificato come fluido meno infiammabile di Classe K secondo la norma IEC 61100, con un punto di fiamma non inferiore a 300 ℃. L'estere naturale ha una solubilità in acqua molto più elevata rispetto all'olio minerale, il che aiuta a ritardare l'invecchiamento termico dell'isolamento in cellulosa e fornisce un'eccellente biodegradabilità.

Per i carichi critici – ospedali, aeroporti e data center – l’estere sintetico è la scelta più affidabile. È semplicemente più costoso.

La densità del flusso magnetico è controllata al di sotto di 1,55 T. Alcuni progetti lo spingono fino a 1,7 T. Adottiamo un approccio più conservativo. La riduzione della densità del flusso magnetico aumenta il peso del nucleo di circa il 7-12%, il che significa diverse decine di migliaia di yuan in più nel costo dell’acciaio al silicio. Tuttavia, questo core funziona a diversi gradi di temperatura rispetto a un design ad alta densità di flusso in condizioni ambientali di 50 ℃. Un nucleo più freddo avvantaggia anche gli avvolgimenti circostanti.

8. Test in fabbrica e verifica dell'affidabilità sul campo

Dati misurati effettivi da un trasformatore desertico da 20.000 kVA/132 kV:

Punti chiave durante la supervisione in fabbrica:

Garantire la messa a terra a punto singolo del nucleo del trasformatore e verificare se i traferri sono uniformi. Alcuni produttori accelerano i programmi di produzione e tagliano gli angoli. Il surriscaldamento locale del nucleo può raggiungere più di 70 ℃ e, una volta che il trasformatore lascia la fabbrica, non può essere corretto.

L'asciugatura sotto vuoto dovrebbe durare più di 72 ore, con una velocità di scarico dell'acqua controllata al di sotto dello 0,3%. Per le unità completate dopo sole 48 ore di asciugatura, l'umidità potrebbe non essere completamente rimossa. Dopo la messa in funzione e il riscaldamento, l'umidità può essere nuovamente rilasciata, riducendo la resistenza dell'isolamento di un livello.

Durante il riempimento dell'olio, mantenere un livello di vuoto inferiore a 50 Pa per 12 ore prima di iniziare. La velocità di riempimento dell'olio non deve superare 1,5 tonnellate all'ora. Se la velocità è troppo elevata, è necessario eseguire un test del tasso di perdita di vuoto per prevenire perdite di gas nel sistema. Controllare solo il livello di vuoto senza controllare il tasso di perdita può portare a risultati fuorvianti. Dopo il riempimento, lasciare riposare il trasformatore per 72 ore prima di eseguire i test di analisi dell'olio.

La tensione di rottura non deve essere inferiore a 60 kV/2,5 mm.

L'affermazione precedente 'perdita dielettrica tanδ≤0,3%' non è corretta: per il nuovo olio minerale a 90 ℃, il limite standard per il fattore di dissipazione dielettrica è tanδ≤0,005 (0,5%? No, è 0,5‰, 0,005) . Un valore dello 0,3% (0,003) è già vicino al livello dell'olio operativo invecchiato; il nuovo petrolio dovrebbe funzionare molto meglio di questo.

Test speciali aggiuntivi (requisiti non obbligatori della norma IEC 60076, ma test speciali personalizzati per questo progetto nel deserto)

(1) Test di carico simulato a lungo termine ad alta temperatura

Il trasformatore, comprensivo del radiatore completo e del sistema di raffreddamento, è posto all'interno di una camera per test ambientali. La temperatura dell'aria in ingresso all'interno della camera viene mantenuta a ≥ 45 ℃ e il trasformatore funziona continuamente a 1,1 volte il carico nominale per 72 ore.

Durante l'intero processo di prova, la temperatura superiore dell'olio e la temperatura dei punti caldi dell'avvolgimento vengono costantemente monitorate. Il limite di protezione hotspot è fissato a non più di 120 ℃ e il test verrà interrotto se il limite viene superato.

Prima e dopo il test vengono eseguite rispettivamente le seguenti ispezioni: scariche parziali, analisi dei gas disciolti nell'olio (DGA), perdite dielettriche dell'olio e analisi della deformazione degli avvolgimenti SFRA.

Criteri di accettazione: tutti i parametri di temperatura devono rimanere entro i limiti consentiti dalla progettazione. La DGA non deve rilevare alcuna generazione anomala di gas prima e dopo la prova. La scarica parziale non deve mostrare alcun aumento significativo e non deve essere rilevata alcuna deformazione anomala dell'avvolgimento.

Spiegazione: questo test verifica il margine termico in condizioni operative ad alta temperatura e migliora l'affidabilità per il funzionamento a pieno carico a una temperatura ambiente di 50 ℃. Non modifica la capacità nominale indicata sulla targa del trasformatore.

(2) Test di simulazione della sigillatura di sabbia e polvere

Viene utilizzata polvere di prova fine ISO 12103-1 A2 Arizona. Una camera sigillata di sabbia e polvere viene utilizzata per simulare le condizioni di sabbia portata dal vento, combinata con cicli di respirazione a temperatura e pressione per simulare l'effetto di respirazione giorno-notte del serbatoio dell'olio. La durata della prova è di 2 ore.

Dopo il completamento del test, tutte le aree di tenuta, comprese flange, passi d'uomo, valvole, valvole limitatrici di pressione e altri componenti vengono smontate e ispezionate.

Le superfici interne delle flange vengono pulite e ispezionate. Non è consentito l'ingresso di polvere nella camera dell'olio interna del serbatoio. Non sono ammessi film continui e visibili di accumulo di polvere sulle superfici interne di saldatura; sono accettabili solo quantità estremamente piccole di polvere galleggiante isolata e puntiforme.

Dopo il test, vengono ripetuti i test di scarico parziale e di analisi dell'olio per confermare che nessuna polvere sia entrata nella camera dell'olio e abbia contaminato il sistema di isolamento.

Lei dice che l'attrezzatura dovrebbe sopravvivere vent'anni nel deserto. È davvero eccessivo dedicare due giorni in più a condurre ulteriori test?

9. Casi di progetti in Medio Oriente

Diversi progetti reali:

Progetto di espansione petrolchimica della provincia orientale dell'Arabia Saudita: due unità di trasformatori da 25.000 kVA/115 kV. Isolamento classe F, ONAF , olio minerale Tipo II. raffreddamento Da giugno 2022 ad oggi hanno completato la loro quarta estate. Nel luglio dello scorso anno, la temperatura ha superato i 50 ℃ ininterrottamente per 12 giorni e la temperatura massima dell'olio ha raggiunto gli 87 ℃. Il responsabile operativo dell'utente ha dichiarato: 'Il vostro trasformatore è l'unica apparecchiatura principale dell'intero sito che non ha mai attivato un allarme di temperatura.'

Progetto della centrale fotovoltaica di Abu Dhabi, Emirati Arabi Uniti: un'unità di trasformatore da 40.000 kVA/33 kV. Isolamento di classe H, raffreddamento OFAF e a base di estere naturale . olio isolante Funziona a piena generazione durante il giorno e quasi a vuoto durante la notte, con conseguenti fluttuazioni di carico significative. Abbiamo configurato un intervallo di regolazione della tensione OLTC di ±12%, con regolazione della tensione a gradini dell'1,5%. Il trasformatore esegue più di venti regolazioni automatiche della tensione ogni giorno e ha funzionato senza guasti.

Progetto di approvvigionamento centralizzato della sottostazione del Qatar: sette trasformatori, da 5 MVA a 20 MVA. Consegnato nel 2021 e funzionante fino ad oggi, la disponibilità complessiva ha raggiunto il 99,87%. L'unico arresto è avvenuto perché una linea aerea esterna è stata danneggiata da un veicolo da cantiere, estraneo al trasformatore stesso.

10. Domande comuni e raccomandazioni per la selezione

Diverse domande frequenti:

Quanto costa un trasformatore desertico rispetto ad un trasformatore standard?

Circa dal 20% al 35%. Le ragioni includono aree di dissipazione del calore più ampie, classi di isolamento più elevate, componenti di tenuta in gomma fluorurata più costosi e strutture dei serbatoi dell'olio completamente sigillate più complesse. Tuttavia, i normali trasformatori possono durare solo dagli 8 ai 10 anni in ambienti desertici, mentre il nostro obiettivo di progettazione è dai 25 ai 30 anni. Facendo la media della durata di servizio, quale è effettivamente più economico?

E i tempi di consegna?

Per i trasformatori convenzionali inferiori a 20 MVA, i tempi di consegna sono generalmente compresi tra 90 e 100 giorni, circa 15 giorni in più rispetto ai prodotti standard. Il tempo aggiuntivo è necessario principalmente per test aggiuntivi. Per progetti urgenti si consiglia una comunicazione tempestiva; il tempo di consegna più breve può essere ridotto a circa 75 giorni.

Ci sono requisiti particolari per l'installazione in loco?

SÌ. Prima del riempimento dell'olio, l'interno del serbatoio deve essere spurgato con azoto secco per rimuovere l'umidità introdotta durante il trasporto. Dopo aver installato il radiatore, è necessario utilizzare aria compressa per soffiare le alette del radiatore dall'interno verso l'esterno per rimuovere la polvere e la sabbia accumulate. Questi due passaggi possono ridurre la temperatura operativa iniziale da 3 a 5 ℃.

Come vengono forniti i pezzi di ricambio?

È disponibile un magazzino nella zona franca di Jebel Ali, Dubai. Anelli di tenuta, indicatori del livello dell'olio, termometri, valvole limitatrici di pressione e motori dei ventilatori possono essere consegnati entro 48 ore nei sei paesi del Golfo. I componenti di grandi dimensioni vengono spediti dalla Cina, con un trasporto combinato mare-aria che impiega dai 7 ai 10 giorni.

L'analisi dei furani si applica solo all'isolamento in carta di cellulosa (Classe A, con i trasformatori in olio minerale che rappresentano l'applicazione principale).

Per trasformatori che utilizzano isolamento in carta aramidica (Classe H / Classe F): l'aramide non genera composti furanici , pertanto gli indicatori furanici non sono applicabili e non possono essere utilizzati per valutare l'invecchiamento dell'isolamento aramidico.

Il furano può essere adsorbito. Se in precedenza è stata eseguita una filtrazione con carbone attivo o un trattamento di rigenerazione dell'olio, il furano potrebbe essere rimosso, con conseguenti valori misurati inferiori. Ciò può creare la falsa impressione che 'i livelli di furano non siano elevati, ma la carta isolante sia già invecchiata'.

È necessaria una valutazione multiparametrica completa, tra cui:

• Contenuto di furano

• Valore di acidità dell'olio

• Grado di polimerizzazione (DP): campionamento della carta durante l'ispezione, che è il metodo più affidabile

• Analisi DGA (contenuto di CO, CO₂)

• Resistenza CC

• Perdita dielettrica

Una decisione non dovrebbe mai essere presa basandosi esclusivamente su un singolo indicatore del furano.

11. Informazioni sul supporto elettrico e tecnico di Zisheng

Dopo aver parlato così tanto, la conclusione in realtà è solo una frase.

La capacità dell'attrezzatura di resistere all'ambiente desertico non dipende dal fatto che un singolo aspetto sia eseguito eccezionalmente bene. Dipende se ogni dettaglio è stato attentamente considerato senza compromessi.

Quando i materiali vengono selezionati correttamente, i test vengono eseguiti in modo approfondito e non vengono prese scorciatoie, l'affidabilità è sinonimo di sicurezza.

Operiamo nel mercato del Medio Oriente da 13 anni, consegnando dalle 40 alle 50 unità ogni anno. Non siamo il fornitore più economico, ma la nostra reputazione è stata costruita attraverso un progetto dopo l’altro e un trasformatore dopo l’altro.

I nostri prodotti coprono trasformatori in olio, trasformatori di sottostazioni, trasformatori montati su pad, trasformatori su palo, trasformatori a secco , e altre apparecchiature di distribuzione dell'energia . Deteniamo 22 brevetti di modelli di utilità e 3 diritti d'autore di software , abbiamo superato la certificazione del sistema di gestione della qualità ISO 9001 e siamo conformi ai pertinenti IEC . requisiti degli standard

possiamo fornire una soluzione iniziale entro 24 ore , tra cui: selezione dell'attrezzatura, calcolo della perdita della linea, stima del rendimento dell'investimento

Trenta gradi sono una temperatura confortevole per le persone. Oltre cinquanta gradi sono la temperatura alla quale le apparecchiature devono lottare per continuare a funzionare.

Per progetti che affrontano sfide nella selezione delle apparecchiature o per apparecchiature che presentano frequenti problemi minori durante periodi di alta temperatura, contattaci direttamente tramite il nostro sito Web ufficiale. Il nostro team tecnico fornirà una risposta iniziale entro 24 ore.

Zisheng elettrico. Nato per ambienti estremi.