고온 사막 환경을 위한 변압기 설계 방식 | IEC 60076 및 55℃ 중동의 엄격한 요구 사항 충족

저는 Zisheng Electric 변압기 설계팀의 엔지니어로 특수 환경용 변압기를 설계하는 데 다년간의 경험을 갖고 있습니다. 오늘 저는 중동의 고객 및 친구들과 이러한 사막의 열기 속에서 실제로 변압기를 어떻게 설계해야 하는지에 대한 실질적인 토론을 하고 싶습니다.

1. 사막 고온 환경에 특수 변압기 설계가 필요한 이유는 무엇입니까?

먼저 데이터를 살펴보겠습니다.

사우디아라비아 동부지방의 최고기온은 53.5℃에 이르렀다. 지표면 온도는? 79.8℃. UAE 아부다비는 기온이 52.8℃, 지표면 온도가 76.5℃로 조금 나은 편이다. 쿠웨이트와 카타르도 비슷하다. 연간 모래 폭풍 일수는 사우디아라비아의 경우 28일, 쿠웨이트의 경우 35일입니다. 일일 최대 기온차는 28~30℃에 이릅니다.

다음 데이터는 공개적으로 이용 가능한 기상 정보와 당사가 참여한 여러 중동 프로젝트에서 수집된 실제 현장 환경 조건을 기반으로 합니다.

이 수치를 보면 정상적인 환경 조건에 맞게 설계된 변압기는 지속적인 고온 및 먼지가 많은 조건에서 온도 상승 마진이 부족하고 절연 노화가 가속화될 수 있다는 것이 분명해졌습니다.

2. 주변 온도 55℃가 변압기에 미치는 영향

이것이 이야기의 끝이 아닙니다. 공기 온도가 상승하면 공기 밀도가 감소합니다. 45℃에서는 공기 밀도가 20℃보다 약 8% 낮습니다. 라디에이터가 아무리 강력하더라도 공기가 얇아지면 열을 효과적으로 운반할 수 없습니다. 또한 냉각 핀에 모래와 먼지가 쌓이면 방열 효율이 계속해서 감소합니다.

기존의 니트릴 고무 밀봉 부품은 고온, 자외선, 모래 및 먼지 환경에 장기간 노출되면 경화, 노화 및 밀봉 성능 저하를 경험할 수 있습니다. 오일 누출이 발생하고, 오일 레벨이 떨어지며, 노출된 권선이 습기 침투 및 산화로 인해 어려움을 겪을 수 있습니다. 이러한 장비는 앞으로 몇 년 동안 계속 작동할 수 있습니까?

다음으로 모래와 먼지 문제가 있습니다. 전도성 먼지가 절연 부품 표면에 쌓일 수 있습니다. 건조한 상태에서는 영향이 제한적일 수 있지만, 아침, 저녁에 결로 현상이 발생하면 표면 방전이 발생할 수 있습니다. 심한 경우에는 부싱 플래시오버가 발생하여 직접적인 트립이 발생할 수 있습니다.

따라서 단순히 표준 변압기를 사막 환경으로 운반하여 작동시키는 것만으로는 충분하지 않습니다. 디자인에는 큰 수정이 필요합니다.

3. IEC 60076-7 열 노화 및 핫스팟 온도 제어

IEC 60076-7에는 6도 규칙이 도입되었습니다. 이것은 무엇을 의미합니까? 에 따르면 IEC 60076-7 열 노화 모델 함에 따라 절연 수명이 크게 감소합니다 권선 핫스팟 온도가 증가 . 엔지니어링 실무에서는 절연 수명의 절반에 해당하는 약 8K 온도 증가의 경험적 관계가 일반적으로 평가에 사용됩니다. 55℃ 주변 온도에서 권선 핫스팟 온도는 빠르게 110℃ 이상에 접근할 수 있습니다. 되면 절연 노화가 크게 가속화됩니다. 핫스팟 온도가 오랫동안 설계 한계 이상으로 유지

4. 중동 사막 환경의 냉각 설계

먼저 방열 영역 에 대해 이야기하겠습니다..

기존 설계에서는 일반적으로 손실 킬로와트당 0.8~1.2㎡의 방열 면적이 사용되며 이는 온대 기후에 적합합니다. 중동 운영 조건의 경우 이를 킬로와트당 1.8~2.3제곱미터로 직접 늘립니다.

실제 계산을 살펴보겠습니다. 카타르의 변전소 프로젝트에서는 20,000kVA, 132kV 변압기를 사용했습니다. 총 손실은 142kW였습니다. 주변 온도는 50℃로 고려하고, 허용 최고 오일 온도는 95℃로 설정하여 105℃에 가깝게 작동하지 않고 추가적인 설계 여유를 두었습니다.

필요한 방열 면적:
S = 142000 / (10 × 45) ≒ 316m²

최종 설계에서는 338m²를 사용하여 7%의 추가 마진을 제공했습니다. 라디에이터 폭은 480mm에서 600mm로 늘었고, 핀 사이의 간격도 50mm에서 70mm로 늘어났다. 왜? 틈새에 모래와 먼지가 쌓일 가능성이 적고 공기 흐름으로 쉽게 제거할 수 있기 때문입니다.

오일 탱크는 완전히 밀봉된 골판지 벽 디자인을 사용합니다. 골판지 벽은 열 방출을 제공하고 골판지의 탄성 변형을 통해 오일의 열팽창 및 수축을 흡수합니다. 외부 공기를 흡입하기 위해 브리더가 필요하지 않습니다.

이러한 방식으로 절연유는 외부 환경으로부터 격리됩니다. 습기가 들어가지 않고, 모래와 먼지가 들어가지 않으며, 오일 품질이 10년 이상 안정적으로 유지됩니다.

5. 냉각 방식 선택 : ONAN, ONAF, OFAF

에 대해서는 냉각방식 직접 참고표를 제공하겠습니다.

한 오만 고객은 12.5MVA 변압기를 보유하고 있었습니다. 처음에는 팬 설치 비용을 절약하고 싶었습니다. 실제 운영에 미치는 영향을 계산해 달라고 요청했습니다. 팬이 없는 가장 더운 3개월 동안 최고 오일 온도는 팬이 작동했을 때보다 13~15도 더 높았습니다. IEC 노화 모델에 따르면, 높은 온도에서 장기간 작동하면 절연 노화 속도가 크게 증가하고 장비의 설계 수명 여유가 줄어듭니다. 나중에 설계를 수정했고, 변압기는 4년 넘게 아무 문제 없이 작동해 왔습니다.

6. 모래, 먼지, 습기 보호 및 밀봉 설계

모래 및 먼지로부터 보호 - 씰링 스트립은 기본적인 조치일 뿐입니다.

모든 외부 인터페이스에는 먼지 보호 커버가 장착되어 있어야 합니다. 라디에이터 및 팬 외부에 설치되는 루버형 커버는 35°의 경사각으로 설계되었습니다. 이 각도는 CFD 해석을 통해 검증되었습니다. 공기 흐름 손실을 6% 이내로 유지하면서 모래를 차단합니다. 측정된 차단 효율은 92%에 이릅니다.

압력 방출 밸브에는 먼지 캡도 장착되어 있어야 합니다. 왜? 모래와 먼지가 밸브 디스크에 쌓일 수 있기 때문에 실제로 압력 방출이 필요할 때 제대로 열리지 못하게 됩니다. 오일 탱크의 내부 압력이 상승함에 따라 결과는 변형에서부터 심한 경우 파열까지 다양할 수 있습니다.

우리가 개발한 이중층 구조는 외부 스테인리스 스틸 200메시 스크린으로 구성됩니다. 모래폭풍 환경에서는 메쉬 개구부가 고운 모래에 의해 점차적으로 막힐 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 유효 배기 흐름 영역이 계속 감소하여 결함 압력 완화 중 압력 배압이 점차 증가합니다. 내부 PTFE 멤브레인은 미세 입자를 차단하고, 층 사이에는 완충 구역으로 5mm의 공동이 예약되어 있습니다.

늘려야 부싱의 연면 거리를 합니다. 4100mm 값은 IEC 클래스 IV 오염 수준에 대한 이론적 최소값인 4495mm보다 약간 낮습니다. 이는 클래스 IV 요구 사항에 근접한 강화된 구성이지만 전체 IEC 클래스 IV 표준 구성을 완전히 충족하지는 않습니다 . 따라서 입찰 서류에는 '클래스 IV 오염 수준 충족'이라고 직접적으로 명시해서는 안 됩니다. 대신 다음과 같이 명시해야 합니다. 'IEC 클래스 IV 오염 원칙에 따라 설계되었으며 연면 거리 비율이 28.3mm/kV 이상입니다.' 800mm가 추가되었습니다. 부싱 높이가 150mm 높아졌지만 심한 모래 폭풍 속에서도 표면 플래시오버 전압은 여전히 ​​가혹한 조건을 견딜 수 있습니다.

에는 씰 부품 니트릴 고무 대신에 불소 고무를 사용합니다.

불소고무는 니트릴 고무보다 가격이 3배 더 비쌉니다. 그만한 가치가 있나요? 5년 동안 니트릴 씰을 사용한 중동 프로젝트를 살펴보십시오. 봄이 되면 커버 조인트에서 기름이 땀처럼 새어 나옵니다. 유지보수 작업자는 하루 종일 오일을 청소하는 데 소비합니다. 인건비, 유류손실, 정전손실 등을 합산하면 추가비용 차액은 이미 회수된 셈이다.

7. 절연재 및 절연유의 선정

의 경우 절연 열 등급 Class F, 155℃부터 직접 시작합니다. 대용량 변압기의 경우 Class H, 180℃를 사용합니다. 주변 온도가 55℃인 프로젝트의 경우 일반적으로 늘리기 위해 더 높은 내열 등급 단열재가 필요합니다 핫스팟 온도 여유를 .

사우디아라비아의 해수 담수화 프로젝트에는 37.5MVA 변압기 2대가 있었고, 발주자가 지정한 Class H 단열재 . Nomex 아라미드 종이가 사용되었습니다. 그것은 비쌌다. 그러나 하루의 가동 중단으로 인한 비용은 미화 300만 달러에 달했습니다. 이 투자는 그만한 가치가 있었나요?

의 선택은 절연유 전압 레벨에 따라 다릅니다.

35kV 이하의 변압기에는 미네랄 절연유가 사용됩니다. ASTM D3487 유형 II 억제 미네랄 오일이 선택되어 탁월한 산화 안정성을 제공합니다. 열린 컵 인화점은 155℃ 이상입니다. Type I과 Type II의 주요 차이점은 항산화 첨가제의 함량입니다. Type II는 사막의 고온 환경에서 장기간 작동하는 데 더 적합하며 슬러지 형성과 산가 증가를 늦추는 데 도움이 됩니다.

예산이 허용되고 화재 안전 및 환경 요구 사항이 더 높은 66kV 이상의 변압기의 경우 천연 에스테르 절연유(IEC 62770)를 선택할 수 있습니다. IEC 61100에 따라 클래스 K 난연성 유체로 분류되며 발화점은 300℃ 이상입니다. 천연 에스테르는 광유보다 수용성이 훨씬 높아 셀룰로오스 단열재의 열노화를 지연시키는 데 도움이 되고 우수한 생분해성을 제공합니다.

병원, 공항, 데이터 센터 등 중요한 부하의 경우 합성 에스테르가 가장 신뢰할 수 있는 선택입니다. 단순히 더 비쌉니다.

자속 밀도는 1.55T 이하로 제어됩니다. 일부 디자인은 최대 1.7T까지 밀어냅니다. 우리는 좀 더 보수적인 접근 방식을 취합니다. 줄이면 자속 밀도를 코어 중량이 약 7~12% 증가합니다. 이는 실리콘강 비용이 수만 위안 더 증가한다는 것을 의미합니다. 그러나 이 코어는 주변 온도 50℃에서 고자속밀도 설계보다 몇도 더 낮은 온도로 작동합니다. 더 차가운 코어는 주변 권선에도 도움이 됩니다.

8. 공장 테스트 및 현장 신뢰성 검증

20,000kVA/132kV 사막 변압기의 실제 측정 데이터:

공장 감독 중 핵심 사항:

변압기 코어의 단일 지점 접지를 보장하고 에어 갭이 균일한지 확인하십시오. 일부 제조업체는 생산 일정을 서두르고 시간을 단축합니다. 코어의 국지적 과열은 70℃ 이상에 도달할 수 있으며, 변압기가 공장에서 출고되면 이를 수정할 수 없습니다.

진공 건조는 72시간 이상 지속되어야 하며, 배수량은 0.3% 이하로 조절되어야 합니다. 48시간만 건조해도 완성된 제품의 경우 수분이 완전히 제거되지 않을 수 있습니다. 시운전 및 가열 후 수분이 다시 방출되어 절연 강도가 한 단계 감소할 수 있습니다.

오일 주입 시에는 시동 전 12시간 동안 진공도를 50Pa 이하로 유지하십시오. 오일 충전 속도는 시간당 1.5톤을 초과해서는 안 됩니다. 속도가 너무 높으면 진공 누출률 테스트를 수행해야 합니다. 시스템 내 가스 누출을 방지하기 위해 누설률을 확인하지 않고 진공도만 확인하면 잘못된 결과를 초래할 수 있습니다. 충전 후 오일 분석 테스트를 수행하기 전에 변압기를 72시간 동안 그대로 두십시오.

항복 전압은 60kV/2.5mm보다 낮아서는 안됩니다.

이전 설명 '유전 손실 tanδ≤0.3%'는 올바르지 않습니다. 90℃의 새로운 광유의 경우 유전 손실 계수의 표준 한계는 tanδ≤0.005(0.5%? 아니요, 0.5‰, 0.005)입니다 . 0.3%(0.003) 값은 이미 노화된 작동유 수준에 가깝습니다. 새 오일은 이보다 훨씬 더 나은 성능을 발휘할 것입니다.

추가 특수 테스트(IEC 60076의 필수 요구 사항은 아니지만 이 사막 프로젝트를 위한 맞춤형 특수 테스트)

(1) 고온 장기 모의 부하 시험

전체 라디에이터 및 냉각 시스템을 포함한 변압기는 환경 테스트 챔버 내부에 배치됩니다. 챔버 내부 입구공기온도는 45℃ 이상을 유지하며, 변압기는 정격부하의 1.1배로 72시간 연속 운전됩니다.

전체 테스트 과정에서 최고 오일 온도와 와인딩 핫스팟 온도가 지속적으로 모니터링됩니다. 핫스팟 보호 한계는 120℃ 이하로 설정되며, 한계를 초과하면 테스트가 종료됩니다.

테스트 전후에 부분 방전, 오일 용해 가스 분석(DGA), 오일 유전 손실 및 SFRA 권선 변형 분석 등의 검사가 각각 수행됩니다.

허용 기준: 모든 온도 매개변수는 설계 허용 한계 내에서 유지되어야 합니다. 테스트 전후에 DGA에 의해 비정상적인 가스 발생이 감지되어서는 안 됩니다. 부분 방전이 크게 증가해서는 안 되며, 비정상적인 권선 변형이 감지되어서도 안 됩니다.

설명: 이 테스트는 고온 작동 조건에서 열 마진을 검증하고 주변 온도 50℃에서 전부하 작동에 대한 신뢰성을 향상시킵니다. 변압기 명판에 표시된 정격 용량은 변경되지 않습니다.

(2) 모래 및 먼지 밀봉 시뮬레이션 테스트

ISO 12103-1 A2 애리조나 미세 테스트 더스트를 사용합니다. 밀봉된 모래 및 먼지 챔버는 바람에 날리는 모래 조건을 시뮬레이션하는 데 사용되며 온도 및 압력 호흡 주기와 결합되어 오일 탱크의 주야간 호흡 효과를 시뮬레이션합니다. 시험시간은 2시간입니다.

테스트가 완료되면 플랜지, 맨홀, 밸브, 압력 릴리프 밸브 및 기타 구성 요소를 포함한 모든 밀봉 영역을 분해하여 검사합니다.

플랜지의 내부 표면을 닦고 검사합니다. 탱크 내부 오일 챔버에는 먼지가 들어가지 않습니다. 내부 밀봉 표면에는 지속적으로 눈에 띄는 먼지 축적 필름이 허용되지 않습니다. 극소량의 고립된 점 모양의 부유 먼지만 허용됩니다.

테스트 후 부분방전 및 오일 분석 테스트를 반복하여 먼지가 오일 챔버에 유입되어 절연 시스템을 오염시키지 않았는지 확인합니다.

당신은 장비가 사막에서 20년 동안 살아남을 것으로 예상한다고 말했습니다. 추가 테스트를 위해 이틀을 더 소비하는 것은 정말 과도한 것일까요?

9. 중동 프로젝트 사례

몇몇 실제 프로젝트:

사우디아라비아 동부 지역 석유화학 확장 프로젝트: 25,000kVA/115kV 변압기 2기. F등급 절연, ONAF 냉각, Type II 미네랄 오일. 2022년 6월부터 현재까지 네 번째 여름을 마무리했다. 지난해 7월에도 12일 연속 50℃를 넘었고 최고 유온은 87℃에 달했다. 해당 사용자의 운영 관리자는 '귀하의 변압기는 전체 현장에서 온도 경보가 울리지 않은 유일한 주요 장비입니다.'라고 말했습니다.

UAE 아부다비 태양광발전소 프로젝트: 40,000kVA/33kV 변압기 1기. H종 절연, OFAF 냉각, 천연 에스테르 절연유. 낮에는 완전 발전으로 작동하고 밤에는 거의 무부하 상태로 작동하므로 상당한 부하 변동이 발생합니다. 우리는 1.5% 단계의 전압 조정으로 OLTC 전압 조정 범위를 ±12%로 구성했습니다. 변압기는 매일 20회 이상의 자동 전압 조정을 수행하며 오류 없이 작동했습니다.

카타르 변전소 중앙 집중식 조달 프로젝트: 5MVA에서 20MVA 범위의 변압기 7개. 2021년에 인도되어 현재까지 운영되고 있으며 전체 가용성은 99.87%에 도달했습니다. 유일한 정지는 변압기 자체와는 무관한 건설 차량에 의해 외부 가공선이 손상되었기 때문에 발생했습니다.

10. 일반적인 질문 및 선택 권장 사항

몇 가지 자주 묻는 질문:

표준 변압기에 비해 사막 변압기는 얼마나 더 비쌉니까?

20%~35% 정도. 그 이유에는 더 넓은 방열 면적, 더 높은 절연 등급, 더 비싼 불소고무 밀봉 부품, 더 복잡한 완전 밀봉 오일 탱크 구조 등이 포함됩니다. 그러나 일반 변압기의 수명은 사막 환경에서 8~10년에 불과한 반면, 우리의 설계 목표는 25~30년입니다. 사용 수명을 평균할 때 실제로 어느 것이 더 경제적입니까?

배달 시간은 어떻습니까?

20MVA 미만의 기존 변압기의 경우 배송 기간은 일반적으로 90~100일로 표준 제품보다 약 15일 정도 더 깁니다. 추가 테스트에는 주로 추가 시간이 필요합니다. 긴급한 프로젝트의 경우 조기 의사소통이 권장됩니다. 가장 짧은 배송 시간은 약 75일로 단축될 수 있습니다.

현장 설치에 ​​대한 특별한 요구 사항이 있습니까?

예. 오일을 충전하기 전에 탱크 내부를 건조 질소로 퍼지하여 운송 중에 유입된 수분을 제거해야 합니다. 라디에이터를 설치한 후 압축 공기를 사용하여 라디에이터 핀을 내부에서 외부로 불어 쌓인 먼지와 모래를 제거해야 합니다. 이 두 단계를 통해 초기 작동 온도를 3~5℃ 낮출 수 있습니다.

예비 부품은 어떻게 공급되나요?

두바이 Jebel Ali Free Zone에 창고가 있습니다. 씰링 링, 오일 레벨 표시기, 온도계, 압력 릴리프 밸브 및 팬 모터는 걸프만 6개 국가에 걸쳐 48시간 이내에 배송될 수 있습니다. 대형 부품은 중국에서 배송되며 해상-항공 결합 운송에는 7~10일이 소요됩니다.

푸란 분석은 셀룰로오스 종이 단열재(클래스 A, 광유 변압기가 주류 응용 분야임)에만 적용됩니다.

아라미드 종이 절연체(클래스 H/클래스 F) 를 사용하는 변압기의 경우 : 아라미드는 푸란 화합물을 생성하지 않으므로 푸란 표시기는 적용할 수 없으며 아라미드 절연체 노화를 평가하는 데 사용할 수 없습니다.

푸란은 흡착될 수 있습니다. 이전에 활성탄 여과나 오일 재생 처리를 한 경우 푸란이 제거되어 측정값이 낮아질 수 있습니다. 이는 '푸란 수준은 높지 않지만 종이 단열재는 이미 노화되었습니다.'라는 잘못된 인상을 줄 수 있습니다.

다음을 포함하여 포괄적인 다중 매개변수 평가가 필요합니다.

• 푸란 함량

• 오일 산가

• 중합도(DP) — 가장 신뢰할 수 있는 방법인 검사 중 종이 샘플링

• DGA 분석(CO, CO2 함량)

• DC 저항

• 유전 손실

단일 푸란 지표만을 토대로 결정을 내려서는 안 됩니다.

11. Zisheng Electric 및 기술 지원 정보

그렇게 많은 이야기를 하고 나니 결론은 사실 딱 한 문장이군요.

장비가 사막 환경을 견딜 수 있는지 여부는 단일 측면이 예외적으로 잘 수행되는지 여부에 달려 있지 않습니다. 모든 세부 사항이 타협 없이 신중하게 고려되었는지 여부에 달려 있습니다.

재료를 올바르게 선택하고 철저한 테스트를 거쳐 지름길을 택하지 않으면 신뢰성이 자신감으로 다가옵니다.

우리는 중동 시장에서 13년 동안 일해 왔으며 매년 40~50대를 납품해 왔습니다. 우리는 가장 저렴한 공급업체는 아니지만 하나의 프로젝트와 하나의 변압기를 통해 명성을 쌓아왔습니다.

우리의 제품 커버 기름에 잠긴 변압기, 변전소 변압기, 패드 장착 변압기, 극 장착형 변압기, 건식 변압기 및 기타 배전 장비 . 우리는 22개의 실용신안 특허와 3개의 소프트웨어 저작권을 보유하고 있으며 통과했으며 관련 ISO 9001 품질 관리 시스템 인증을 준수합니다 . IEC 표준 요구 사항을

장비 선택, 이내에 초기 솔루션을 제공할 수 있습니다 . 24시간 포함하여 라인 손실 계산, 투자 수익 추정 등을

30도는 사람들에게 편안한 온도입니다. 50도 이상은 장비가 계속 작동하기 위해 싸워야 하는 온도입니다.

장비 선택에 어려움을 겪는 프로젝트나 고온 기간 동안 사소한 문제가 자주 발생하는 장비에 대해서는 당사 공식 웹사이트를 통해 직접 문의하시기 바랍니다. 당사 기술팀은 24시간 이내에 초기 응답을 제공할 것입니다.

Zisheng 전기. 극한 환경을 위해 탄생했습니다.