高温砂漠環境向けの変圧器設計スキーム | IEC 60076および55℃中東の厳しい要件を満たしています

私は Zisheng Electric の変圧器設計チームのエンジニアで、特殊環境向けの変圧器の設計に長年の経験があります。今日は、中東のお客様や友人と実際的な議論をしたいと思います。このような砂漠の暑さの中で、変圧器は実際にどのように設計されるべきでしょうか?

1. 砂漠の高温環境ではなぜ特別な変圧器設計が必要なのでしょうか?

まずはデータを見てみましょう。

サウジアラビア東部州では、最高気温が53.5℃に達しました。地表温度は？ 79.8℃。 UAEのアブダビは気温52.8℃、地表温度76.5℃と若干マシです。クウェートとカタールは似ています。砂嵐の年間日数はサウジアラビアで28日、クウェートで35日です。日中の最大気温差は28～30℃に達することもあります。

以下のデータは、公開されている気象情報と、当社が参加した複数の中東プロジェクトから収集した実際の現場の環境条件に基づいています。

これらの数値を見ると、通常の環境条件向けに設計された変圧器は、継続的な高温と多量の粉塵条件下では、温度上昇マージンが不十分になり、絶縁劣化が加速する可能性があることが明らかです。

2. 周囲温度 55℃ が変圧器に及ぼす影響

これで話は終わりではありません。気温が上昇すると、空気密度が減少します。 45℃では、20℃に比べて空気密度が約8%低下します。いくらラジエーターの性能が高くても、空気が薄くなると熱を効果的に排出できなくなります。また、冷却フィンに砂やホコリがたまると、放熱効率はさらに低下してしまいます。

従来のニトリルゴム製シール部品は、高温、紫外線、砂や塵の環境に長期間さらされると硬化、老化が起こり、シール性能が低下することがあります。油漏れが発生し、油面が低下し、露出した巻線が湿気の侵入や酸化を受ける可能性があります。このような機器はあと何年稼働し続けることができるでしょうか?

次に、砂埃の問題があります。導電性粉塵は絶縁コンポーネントの表面に蓄積する可能性があります。乾燥した状況では影響は限定的ですが、朝晩の結露時には沿面放電が発生する可能性があります。深刻な場合には、ブッシングのフラッシュオーバーが発生し、直接トリップにつながる可能性があります。

したがって、標準的な変圧器を単に砂漠環境に輸送して稼働させるだけでは十分ではありません。設計には大幅な変更が必要です。

3. IEC 60076-7 熱老化およびホットスポット温度制御

IEC 60076-7 では 6 度ルールが導入されています。これはどういう意味ですか？ によると、 IEC 60076-7 の熱老化モデルと、絶縁寿命は大幅に減少します 巻線のホットスポット温度が上昇する 。エンジニアリングの実践では、絶縁寿命の半分に相当する約 8K の温度上昇という経験的な関係が評価に一般的に使用されます。周囲温度が 55℃ の場合、 巻線のホットスポット温度は 急速に 110℃、あるいはそれ以上に達する可能性があります。と、絶縁劣化が大幅に加速します。 ホットスポット温度が 設計限界を超えた状態が長期間続く

4. 中東の砂漠環境における冷却設計

まずは 放熱面積についてです.

従来の設計では、通常、損失 1 キロワットあたり 0.8 ～ 1.2 平方メートルの放熱面積が使用され、これは温帯気候に適しています。中東の動作条件では、これを 1 キロワットあたり 1.8 ～ 2.3 平方メートルに直接増加します。

実際の計算を見てみましょう。カタールの変電所プロジェクトでは、20,000kVA、132kVの変圧器が使用されました。総損失は142kWでした。周囲温度を 50℃ として考慮し、許容 最高油温を 105℃ 近くで動作させるのではなく、設計上の余裕を持たせて 95℃ に設定しました。

必要な放熱面積:
S = 142000 / (10 × 45) ≈ 316 m²

最終的な設計では 338 m² が使用され、さらに 7% のマージンが得られました。ラジエーターの幅は480mmから600mmに増加し、フィン間の間隔は50mmから70mmに増加しました。なぜ？隙間に砂やホコリがたまりにくく、空気の流れで簡単に除去できるためです。

オイルタンクは完全密閉波形壁設計を採用しています。波形壁は放熱効果を発揮するとともに、波形板の弾性変形によりオイルの熱膨張・収縮を吸収します。外気を取り込むブリーザーの必要がありません。

このようにして、絶縁油は外部環境から隔離される。水分が入らず、砂や塵も入らず、10年以上安定した油品質を保つことができます。

5. 冷却方式の選択：ONAN、ONAF、OAFAF

については 冷却方法、直接の参考表を用意しておきます。

オマーンの顧客は 12.5MVA の変圧器を持っていました。当初、彼らはファンの設置コストを節約したいと考えていました。実際の運用上の影響を計算してもらいました。最も暑い 3 か月間、ファンがなかった場合、 油の最高温度は ファンが動作していたときより 13 ～ 15 度高かった。 IEC 劣化モデルによると、高温での長期間の動作により絶縁劣化速度が大幅に増加し、機器の設計寿命マージンが減少します。その後、設計を変更し、変圧器は 4 年以上問題なく動作しています。

6. 砂、塵、湿気から保護し、密閉する設計

砂や埃からの保護 - シールストリップは基本的な対策にすぎません。

すべての外部インターフェイスには防塵カバーを取り付ける必要があります。ラジエーターやファンの外側に設置されるルーバー型カバーは、傾斜角35°で設計されています。この角度はCFD解析により検証されています。風量ロスを6%以内に抑えながら砂をブロックします。測定された迎撃効率は 92% に達します。

圧力リリーフバルブにはダストキャップも装備する必要があります。なぜ？砂や塵がバルブディスクに蓄積し、実際に圧力解放が必要なときにバルブが適切に開かなくなる可能性があるためです。オイルタンクの内圧が上昇すると、変形から最悪の場合は破裂に至る可能性があります。

当社が開発した二層構造は、外側のステンレス鋼の200メッシュスクリーンで構成されています。砂嵐環境では、メッシュの開口部が細かい砂によって徐々に塞がれる可能性があります。時間の経過とともに、有効排気流面積は減少し続け、故障圧力解放時の圧力背圧が徐々に上昇します。内側の PTFE 膜が微粒子をブロックし、層の間に 5 mm の空洞が緩衝ゾーンとして確保されます。

長く ブッシュの沿面距離を する必要があります。 4100mm という値は、IEC クラス IV 汚染レベルの理論上の最小値 4495mm をわずかに下回ります。これは クラス IV の要件に近づく強化された構成ですが、完全な IEC クラス IV 標準構成を完全には満たしていません。したがって、入札書類には「クラス IV 汚染レベルを満たす」と直接記載すべきではありません。代わりに、「IEC クラス IV 汚染原則に従って設計され、沿面距離比が 28.3mm/kV 以上である」と記載する必要があります。さらに800mmを追加しました。ブッシングの高さは 150mm 増加しましたが、激しい砂嵐の下でも、表面フラッシュオーバー電圧は過酷な条件に耐えることができます。

には シール部品ニトリルゴムの代わりにフッ素ゴムを使用しています。

フッ素ゴムはニトリルゴムの3倍の価格がかかります。それだけの価値はありますか? 5年間にわたってニトリルシールを使用してきた中東のプロジェクトを見てみましょう。春になるとカバーの合わせ目から汗をかくようにオイルが漏れてきます。メンテナンス作業員はオイルの洗浄に一日中費やします。人件費、石油損失、停電損失を合わせると、追加コストの差額はすでに回収されています。

7. 絶縁材、絶縁油の選定

については 絶縁温度クラス、クラス F、155℃から直接開始します。大容量トランスにはクラスH、180℃を使用します。周囲温度が 55℃ のプロジェクトの場合、 ホットスポット温度 マージンを増やすために、通常、より高い断熱クラスの断熱材が必要です。

サウジアラビアの海水淡水化プロジェクトには 2 台の 37.5MVA 変圧器があり、所有者が指定した クラス H 絶縁材の. Nomex アラミド紙が 使用されました。高価でした。しかし、1 日のダウンタイムのコストは 300 万米ドルでした。この投資は価値がありましたか?

の選択は 絶縁油 電圧レベルによって異なります。

35kV以下の変圧器には鉱物性絶縁油が使用されます。 ASTM D3487 Type II 抑制鉱物油 が選択され、優れた酸化安定性を備えています。オープンカップ引火点は155℃以上です。タイプ I とタイプ II の主な違いは、酸化防止剤の含有量です。タイプ II は砂漠の高温環境での長期運転に適しており、スラッジの生成と酸価の増加を遅らせるのに役立ちます。

66kV 以上の変圧器の場合、予算が許せば、火災安全性および環境要件がより高い場合は、 天然エステル絶縁油 (IEC 62770) を選択できます。 IEC 61100 ではクラス K 難燃性流体に分類されており、発火点は 300℃以上です。天然エステルは鉱物油よりもはるかに高い水溶性を持っているため、セルロース断熱材の熱劣化を遅らせ、優れた生分解性をもたらします。

病院、空港、データセンターなどの重要な負荷には、 合成エステルが 最も信頼できる選択肢です。単純に高価です。

磁束 密度 は1.55T以下に制御されています。一部の設計では最大 1.7T まで押し上げられます。私たちはより保守的なアプローチを採用しています。を下げると 磁束密度 コアの重量が約 7 ～ 12% 増加し、ケイ素鋼のコストが数万元増加することになります。ただし、このコアは 50℃ の周囲条件下では高磁束密度設計よりも数度低温で動作します。より低温のコアは周囲の巻線にも利益をもたらします。

8. 工場でのテストとフィールドでの信頼性検証

20,000kVA/132kV 砂漠変圧器の実測データ:

工場監督時の重要なポイント:

トランスコアの一点接地を確認し、エアギャップが均一かどうかを確認してください。一部のメーカーは生産スケジュールを急ぎ、手抜きをします。コアの局所的な過熱は 70℃ 以上に達する可能性があり、変圧器が工場から出荷されると修正できません。

真空乾燥は 72 時間以上継続し、排水率は 0.3% 以下に制御する必要があります。わずか 48 時間の乾燥で完成したユニットの場合、水分が完全に除去されていない可能性があります。試運転して加熱すると、湿気が再び放出され、絶縁強度が 1 レベル低下する可能性があります。

オイル充填中は、開始前に 12 時間真空レベルを 50Pa 以下に維持してください。オイルの充填速度は 1 時間あたり 1.5 トンを超えてはなりません。速度が高すぎる場合は、 真空漏れ率テストを実行する必要があります。 システム内のガス漏れを防ぐために漏れ量を確認せずに真空レベルのみを確認すると、誤解を招く結果が生じる可能性があります。充填後、変圧器を 72 時間放置してからオイル分析テストを行ってください。

破壊電圧は 60kV/2.5mm を下回ってはなりません。

前述の「誘電損失tanδ≦0.3%」は誤りです。90℃における新鉱油の場合、誘電正接の標準限界は tanδ≦0.005（0.5%？いいえ、0.5パーセント、0.005です）です。 0.3% (0.003) という値は、すでに劣化した作動油のレベルに近づいています。新しいオイルはこれよりもはるかに優れたパフォーマンスを発揮するはずです。

追加の特別テスト (IEC 60076 の必須要件ではありませんが、この砂漠プロジェクト用にカスタマイズされた特別テスト)

(1) 高温長期模擬荷重試験

完全なラジエーターと冷却システムを含む変圧器は、環境試験チャンバー内に配置されます。庫内入口空気温度を45℃以上に保ち、変圧器を定格負荷の1.1倍で72時間連続運転します。

テストプロセス全体を通じて、最高油温と巻線ホットスポット温度が継続的に監視されます。ホットスポット保護限界は 120℃ 以下に設定されており、この限界を超えると試験は終了します。

試験の前後には、部分放電、油溶存ガス分析（DGA）、油誘電損失、SFRA巻線変形解析の検査がそれぞれ行われます。

合格基準: すべての温度パラメータが設計の許容限度内に留まること。試験前後に DGA により異常ガスの発生が検出されないこと。部分放電が顕著に増加せず、異常な巻線変形が検出されないこと。

説明: このテストは、高温動作条件下での熱マージンを検証し、周囲温度 50℃ での全負荷動作の信頼性を向上させます。変圧器の銘板に記載されている定格容量は変わりません。

(2) 砂塵シール模擬試験

ISO 12103-1 A2 アリゾナ微細テストダストを使用します。密閉された砂とダストチャンバーを使用して、風に吹かれる砂の状態をシミュレートし、温度と圧力の呼吸サイクルと組み合わせて、オイルタンクの昼夜の呼吸効果をシミュレートします。試験時間は 2 時間です。

テストの完了後、フランジ、マンホール、バルブ、圧力リリーフバルブ、その他のコンポーネントを含むすべてのシール領域が分解されて検査されます。

フランジの内面を拭いて検査します。 タンク内部の油室に塵埃が入らないようにしてください。内側のシール面に継続的に目に見える塵の蓄積膜が存在することは許可されません。極微量の孤立点状の浮遊粉塵のみが許容されます。

試験後は部分放電試験と油分析試験を繰り返し、油室への塵埃の侵入や絶縁系の汚染がないことを確認します。

この装置は砂漠でも 20 年間耐えられると期待されているとおっしゃっていましたね。追加のテストにさらに 2 日を費やすのは本当に過剰でしょうか?

9. 中東プロジェクト事例

いくつかの実際のプロジェクト:

サウジアラビア東部州石油化学拡張プロジェクト: 25,000kVA/115kV 変圧器 2 台。 F クラス絶縁、 ONAF 冷却、タイプ II 鉱物油。 2022年6月から現在まで4度目の夏を終えた。昨年7月には12日間連続で50℃を超え、最高 油温は 87℃に達した。ユーザーの運用管理者は、「貴社の変圧器は、サイト全体で温度警報が一度も作動したことのない唯一の主要機器です。」と述べました。

アラブ首長国連邦アブダビ太陽光発電所プロジェクト： 40,000kVA/33kV変圧器1台。 H種絶縁、 OAFF 冷却、 天然エステル 絶縁油。日中はフル発電で動作し、夜間はほぼ無負荷で動作するため、負荷が大幅に変動します。 OLTC 電圧レギュレーション範囲を ±12% に設定し、1.5% のステップ電圧調整を行いました。変圧器は毎日 20 回以上の自動電圧調整を実行しており、故障することなく動作しています。

カタールの変電所集中調達プロジェクト: 5MVA ～ 20MVA の変圧器 7 台。 2021 年に納入され、現在まで稼働しており、全体の可用性は 99.87% に達しています。唯一の停止は外部架線が工事車両によって損傷したためであり、変圧器自体とは無関係でした。

10. よくある質問と選択に関する推奨事項

よくある質問のいくつか:

砂漠の変圧器は標準の変圧器と比べてどれくらい高価ですか?

20％から35％くらいです。その理由としては、より大きな放熱面積、より高い絶縁クラス、より高価なフッ素ゴム製シール部品、より複雑な完全密閉オイルタンク構造などが挙げられます。ただし、砂漠環境では通常の変圧器の寿命は 8 ～ 10 年ですが、当社の設計目標は 25 ～ 30 年です。耐用年数を平均すると、どちらが実際に経済的でしょうか?

納期についてはどうですか？

20MVA未満の従来型変圧器の場合、納期は通常90～100日となり、標準品よりも約15日長くなります。追加時間は主に追加のテストに必要です。緊急のプロジェクトの場合は、早めの連絡をお勧めします。最短納期は75日程度に短縮可能です。

オンサイトでの設置に特別な要件はありますか?

はい。オイルを充填する前に、輸送中に混入した水分を除去するために、タンク内を乾燥窒素でパージする必要があります。ラジエーターを取り付けた後、圧縮空気を使用してラジエターフィンを内側から外側に吹き付け、蓄積した塵や砂を除去する必要があります。この 2 つのステップにより、初期動作温度を 3 ～ 5℃下げることができます。

スペアパーツはどのように供給されますか?

倉庫はドバイのジェベル・アリ・フリー・ゾーンにあります。シール リング、オイル レベル インジケータ、温度計、圧力リリーフ バルブ、ファン モーターは、湾岸 6 か国に 48 時間以内に配送できます。大型部品は中国から発送され、海空を合わせた輸送には 7 ～ 10 日かかります。

フラン分析はセルロース紙絶縁体 (クラス A、鉱物油変圧器が主流の用途) にのみ適用されます。

アラミド紙絶縁体を使用した変圧器 (クラス H / クラス F): アラミドはフラン化合物を生成しないため、フランインジケータは適用できず、アラミド絶縁体の劣化を評価するために使用できません。

フランも吸着できる。あらかじめ活性炭濾過や油再生処理を行っている場合にはフランが除去され、測定値が低下する場合があります。これにより、「フランのレベルは高くないが、紙の断熱材はすでに劣化している」という誤った印象が生じる可能性があります。

以下を含む包括的な複数パラメータの評価が必要です。

• フラン含有量

• 油酸価

• 重合度 (DP) — 検査中の紙のサンプリング。最も信頼性の高い方法です。

• DGA分析（CO、CO₂含有量）

• 直流抵抗

• 誘電損失

単一のフラン指標のみに基づいて決定を下すべきではありません。

11. Zisheng Electric と技術サポートについて

あれだけ話したのに、結論は実はたったの一文。

機器が砂漠の環境に耐えられるかどうかは、1 つの側面が非常に優れているかどうかによって決まるわけではありません。それは、細部に至るまで妥協なく慎重に検討されているかどうかにかかっています。

材料が適切に選択され、テストが徹底的に実行され、近道が行われない場合、信頼性には自信が伴います。

当社は中東市場で 13 年間活動しており、毎年 40 ～ 50 台を納入しています。当社は最も安価なサプライヤーではありませんが、次から次へとプロジェクトを進め、次々と変圧器を開発することでその評判が築かれてきました。

当社の製品のカバー範囲 油入変圧器, 変電所の変圧器, パッドマウント変圧器, 柱上変圧器、乾式変圧器、および 他の配電機器。当社は 22 件の実用新案特許と 3 件のソフトウェア著作権を保有し、 取得し ISO 9001 品質管理システム認証を、関連する IEC 規格要件に準拠しています。

初期ソリューションを 24時間以内に提供できます。機器の選択、ライン損失の計算、投資収益率の見積もりを含む

30度は人間にとって快適な温度です。 50 度以上は、機器が動作し続けるために戦わなければならない温度です。

設備選定でお困りのプロジェクトや、高温期に軽微なトラブルが多発する設備については、弊社公式サイトより直接お問い合わせください。当社の技術チームは 24 時間以内に最初の応答を提供します。

紫盛電気。極限環境のために生まれました。