Ontwerpschema voor transformatoren voor woestijnomgevingen met hoge temperaturen | Voldoet aan de strenge eisen van IEC 60076 en 55℃ Midden-Oosten

Ik ben een ingenieur uit het transformatorontwerpteam van Zisheng Electric, met vele jaren ervaring in het ontwerpen van transformatoren voor speciale omgevingen. Vandaag zou ik graag een praktische discussie willen hebben met onze klanten en vrienden uit het Midden-Oosten: hoe moeten transformatoren in dat soort woestijnhitte eigenlijk worden ontworpen?

1. Waarom vereist de woestijnomgeving met hoge temperaturen een speciaal transformatorontwerp?

Laten we eerst naar de gegevens kijken.

In de oostelijke provincie van Saoedi-Arabië heeft de extreme maximale luchttemperatuur 53,5℃ bereikt. De temperatuur van het grondoppervlak? 79,8℃. Abu Dhabi in de VAE is iets beter, met een luchttemperatuur van 52,8℃ en een grondoppervlaktetemperatuur van 76,5℃. Koeweit en Qatar zijn vergelijkbaar. Het jaarlijkse aantal zandstormdagen bedraagt ​​28 dagen in Saoedi-Arabië en 35 dagen in Koeweit. Het maximale dagelijkse temperatuurverschil kan 28 tot 30℃ bereiken.

De volgende gegevens zijn gebaseerd op openbaar beschikbare meteorologische informatie, evenals op de feitelijke omgevingsomstandigheden ter plaatse, verzameld uit meerdere projecten in het Midden-Oosten waaraan we hebben deelgenomen.

Als we naar deze cijfers kijken, wordt het duidelijk dat transformatoren die zijn ontworpen voor normale omgevingsomstandigheden mogelijk te maken krijgen met onvoldoende temperatuurstijgingsmarges en versnelde isolatieveroudering onder voortdurend hoge temperaturen en zware stofomstandigheden.

2. De impact van een omgevingstemperatuur van 55℃ op transformatoren

Dit is niet het einde van het verhaal. Wanneer de luchttemperatuur stijgt, neemt de luchtdichtheid af. Bij 45℃ is de luchtdichtheid ongeveer 8% lager dan bij 20℃. Hoe krachtig de radiator ook is, de warmte kan niet effectief worden afgevoerd als de lucht dunner wordt. Wanneer zand en stof zich ophopen op de koelvinnen, zal de efficiëntie van de warmteafvoer bovendien blijven afnemen.

Conventionele nitrilrubber afdichtingscomponenten kunnen verharden, verouderen en verminderde afdichtingsprestaties ondervinden bij langdurige blootstelling aan hoge temperaturen, ultraviolette straling en zand- en stofomgevingen. Er kan olielekkage optreden, het oliepeil kan dalen en blootliggende wikkelingen kunnen last krijgen van het binnendringen van vocht en oxidatie. Hoeveel jaar kan dergelijke apparatuur nog blijven functioneren?

Dan is er nog de kwestie van zand en stof. Geleidend stof kan zich ophopen op het oppervlak van isolatiecomponenten. Onder droge omstandigheden kan de impact beperkt zijn, maar wanneer er in de ochtend en avond condensatie optreedt, kan oppervlakteafvoer ontstaan. In ernstige gevallen kan er sprake zijn van flashover van de bussen, met als gevolg een directe trip.

Het is daarom niet voldoende om simpelweg een standaardtransformator naar de woestijnomgeving te transporteren en in bedrijf te stellen. Het ontwerp vergt grote aanpassingen.

3. IEC 60076-7 Thermische veroudering en hotspot-temperatuurregeling

IEC 60076-7 introduceert de zesgradenregel. Wat betekent dit? Volgens het thermische verouderingsmodel van IEC 60076-7 neemt de levensduur van de isolatie aanzienlijk af naarmate de temperatuur van de wikkelingshotspot toeneemt. In de technische praktijk wordt voor de evaluatie doorgaans een empirische relatie gebruikt van een temperatuurstijging van ongeveer 8K, overeenkomend met een halvering van de levensduur van de isolatie. Bij een omgevingstemperatuur van 55℃ kan de temperatuur van de kronkelende hotspot snel 110℃ of zelfs hoger benaderen. Als de hotspottemperatuur lange tijd boven de ontwerpgrens blijft, zal de veroudering van de isolatie aanzienlijk versnellen.

4. Koelontwerp in woestijnomgevingen in het Midden-Oosten

Laten we het eerst hebben over het warmtedissipatiegebied.

In conventionele ontwerpen wordt doorgaans 0,8 tot 1,2 vierkante meter warmteafvoeroppervlak per kilowatt verlies gebruikt, wat geschikt is voor gematigde klimaten. Voor bedrijfsomstandigheden in het Midden-Oosten verhogen we dit direct tot 1,8 tot 2,3 vierkante meter per kilowatt.

Laten we eens kijken naar een daadwerkelijke berekening. Bij een substationproject in Qatar werd gebruik gemaakt van een transformator van 20.000 kVA, 132 kV. Het totale verlies bedroeg 142 kW. De omgevingstemperatuur werd beschouwd als 50℃ en de toegestane topolietemperatuur werd vastgesteld op 95℃ – in plaats van dicht bij de 105℃ te werken, waardoor er extra ontwerpmarge overblijft.

Vereist warmteafvoeroppervlak:
S = 142000 / (10 × 45) ≈ 316 m²

Het uiteindelijke ontwerp gebruikte 338 m², wat een extra marge van 7% opleverde. De breedte van de radiator werd vergroot van 480 mm naar 600 mm, en de afstand tussen de vinnen werd vergroot van 50 mm naar 70 mm. Waarom? Omdat zand en stof zich minder snel in de gaten ophopen en de luchtstroom ze gemakkelijk kan verwijderen.

De olietank maakt gebruik van een volledig afgedicht golfwandontwerp. De golfwand zorgt voor warmteafvoer en absorbeert tevens de thermische uitzetting en krimp van de olie door de elastische vervorming van de golfplaten. Er is geen ontluchter nodig om buitenlucht aan te zuigen.

Op deze manier wordt de isolatieolie geïsoleerd van de externe omgeving. Vocht kan niet binnendringen, zand en stof kunnen niet binnendringen en de oliekwaliteit kan meer dan tien jaar stabiel blijven.

5. Keuze koelmethode: ONAN, ONAF, OFAF

Voor de koelmethode zal ik een directe referentietabel verstrekken.

Een klant uit Oman had een transformator van 12,5 MVA. Aanvankelijk wilden ze de kosten voor het installeren van ventilatoren besparen. Ik vroeg hen om de daadwerkelijke operationele impact te berekenen. Tijdens de warmste drie maanden, zonder ventilatoren, was de toptemperatuur van de olie 13 tot 15 graden hoger dan wanneer de ventilatoren draaiden. Volgens het IEC-verouderingsmodel verhoogt langdurig gebruik bij hogere temperaturen de verouderingssnelheid van de isolatie aanzienlijk en wordt de ontwerplevensduur van de apparatuur verkort. Later hebben ze het ontwerp aangepast en de transformator draait al ruim vier jaar probleemloos.

6. Zand-, stof-, vochtbescherming en afdichtingsontwerp

Bescherming tegen zand en stof – afdichtstrips zijn slechts de basismaatregel.

Alle externe interfaces moeten worden uitgerust met stofbeschermingshoezen. De lamellenafdekkingen die buiten radiatoren en ventilatoren worden geïnstalleerd, zijn ontworpen met een hellingshoek van 35°. Deze hoek is geverifieerd door middel van CFD-analyse. Het blokkeert zand terwijl het luchtstroomverlies binnen 6% blijft. De gemeten onderscheppingsefficiëntie bereikt 92%.

Het overdrukventiel moet tevens zijn voorzien van een stofkap. Waarom? Omdat zand en stof zich kunnen ophopen op de klepschijf, waardoor deze niet goed kan openen wanneer drukontlasting daadwerkelijk nodig is. Naarmate de interne druk van de olietank stijgt, kunnen de gevolgen variëren van vervorming tot, in ernstige gevallen, scheuren.

De dubbellaagse structuur die we hebben ontwikkeld, bestaat uit een buitenste roestvrijstalen zeef van 200 mesh. In een zandstormomgeving kunnen de maasopeningen geleidelijk verstopt raken door fijn zand; na verloop van tijd blijft het effectieve uitlaatgasstroomoppervlak afnemen, waardoor de druktegendruk tijdens de drukontlasting geleidelijk stijgt. Het binnenste PTFE-membraan blokkeert fijne deeltjes, terwijl tussen de lagen een holte van 5 mm is gereserveerd als bufferzone.

De kruipafstand van bussen moet worden vergroot. Een waarde van 4100 mm ligt iets onder de theoretische minimumwaarde van 4495 mm voor het vervuilingsniveau van IEC-klasse IV. Het is een versterkte configuratie die de vereisten van Klasse IV benadert, maar niet volledig voldoet aan de volledige standaardconfiguratie van IEC Klasse IV . Daarom mogen aanbestedingsdocumenten niet rechtstreeks vermelden: 'voldoet aan het vervuilingsniveau van klasse IV'; in plaats daarvan zouden ze moeten vermelden: 'Ontworpen volgens de vervuilingsprincipes van IEC Klasse IV, met een kruipafstandsverhouding van niet minder dan 28,3 mm/kV.' Er is nog eens 800 mm toegevoegd. Hoewel de hoogte van de doorvoer met 150 mm is toegenomen, kan de oppervlakte-flashoverspanning, zelfs onder zware zandstormen, nog steeds bestand zijn tegen de zware omstandigheden.

Voor het afdichten van componenten wordt fluorrubber gebruikt in plaats van nitrilrubber.

Fluorrubber kost drie keer meer dan nitrilrubber. Is het het waard? Kijk naar projecten in het Midden-Oosten waarbij al vijf jaar nitrilafdichtingen worden gebruikt. Zodra de lente aanbreekt, lekt er olie uit de verbindingen van de deksels, zoals zweten. Onderhoudspersoneel is de hele dag bezig met het schoonmaken van olie. Wanneer arbeidskosten, olieverliezen en stroomuitvalverliezen worden gecombineerd, is het extra kostenverschil al goedgemaakt.

7. Selectie van isolatiematerialen en isolatieolie

Voor thermische isolatieklasse gaan we direct uit van klasse F, 155℃. Voor transformatoren met grote capaciteit gebruiken we klasse H, 180℃. Voor projecten met een omgevingstemperatuur van 55℃ is meestal isolatie van hogere thermische klasse vereist om de hotspottemperatuurmarge te vergroten .

Een zeewaterontziltingsproject in Saoedi-Arabië had twee transformatoren van 37,5 MVA, en er werd gebruik gemaakt van door de eigenaar gespecificeerde klasse H-isolatie, . Nomex-aramidepapier . Het was duur. Maar de kosten van één dag stilstand bedroegen daar drie miljoen dollar. Was deze investering het waard?

De keuze van de isolatieolie is afhankelijk van het spanningsniveau.

Voor transformatoren van 35 kV en lager wordt minerale isolatieolie gebruikt. Er is gekozen voor ASTM D3487 Type II geremde minerale olie , die een uitstekende oxidatiestabiliteit biedt; het open kopvlampunt is niet minder dan 155℃. Het belangrijkste verschil tussen Type I en Type II is het gehalte aan antioxidantadditieven. Type II is geschikter voor langdurig gebruik in woestijnomgevingen met hoge temperaturen, omdat het de slibvorming en de toename van de zuurwaarde helpt vertragen.

Voor transformatoren van 66 kV en hoger, waar het budget dit toelaat en de brandveiligheids- en milieueisen hoger zijn, kan natuurlijke esterisolatieolie (IEC 62770) worden geselecteerd. Het is geclassificeerd als een minder brandbare vloeistof van klasse K volgens IEC 61100, met een brandpunt dat niet lager is dan 300℃. Natuurlijke ester heeft een veel hogere oplosbaarheid in water dan minerale olie, wat de thermische veroudering van cellulose-isolatie helpt vertragen en een uitstekende biologische afbreekbaarheid biedt.

Voor kritische belastingen – ziekenhuizen, luchthavens en datacentra – is synthetische ester de meest betrouwbare keuze. Het is simpelweg duurder.

De magnetische fluxdichtheid wordt geregeld onder 1,55T. Sommige ontwerpen duwen het tot 1,7T. Wij kiezen voor een meer conservatieve benadering. Het verminderen van de magnetische fluxdichtheid verhoogt het kerngewicht met ongeveer 7 à 12%, wat enkele tienduizenden yuans extra aan siliciumstaalkosten betekent. Deze kern werkt echter enkele graden koeler dan een ontwerp met hoge fluxdichtheid onder omgevingsomstandigheden van 50 ℃. Een koelere kern komt ook de omliggende wikkelingen ten goede.

8. Fabriekstests en verificatie van de betrouwbaarheid in het veld

Actuele meetgegevens van een woestijntransformator van 20.000 kVA/132 kV:

Belangrijke punten tijdens fabriekstoezicht:

Zorg voor éénpuntsaarding van de transformatorkern en controleer of de luchtspleten uniform zijn. Sommige fabrikanten overhaasten de productieschema's en bezuinigen. Lokale oververhitting van de kern kan oplopen tot meer dan 70℃, en zodra de transformator de fabriek verlaat, kan dit niet meer worden gecorrigeerd.

Het vacuümdrogen zou meer dan 72 uur moeten duren, waarbij de waterafvoersnelheid onder de 0,3% moet worden gehouden. Bij units die na slechts 48 uur drogen voltooid zijn, is het mogelijk dat het vocht niet volledig verwijderd is. Na inbedrijfstelling en verwarming kan het vocht weer worden vrijgegeven, waardoor de isolatiesterkte met één niveau wordt verminderd.

Houd tijdens het vullen met olie gedurende 12 uur vóór het starten een vacuümniveau van minder dan 50 Pa aan. De olievulsnelheid mag niet hoger zijn dan 1,5 ton per uur. Als de snelheid te hoog is, moet een vacuümlektest worden uitgevoerd om gaslekkage in het systeem te voorkomen. Alleen het vacuümniveau controleren zonder de lekkagesnelheid te controleren, kan tot misleidende resultaten leiden. Laat de transformator na het vullen 72 uur staan ​​voordat u olieanalysetests uitvoert.

De doorslagspanning mag niet lager zijn dan 60 kV/2,5 mm.

De vorige bewering 'diëlektrisch verlies tanδ≤0,3%' is onjuist: voor nieuwe minerale olie bij 90℃ is de standaardlimiet voor de diëlektrische dissipatiefactor tanδ≤0,005 (0,5%? Nee, het is 0,5‰, 0,005) . Een waarde van 0,3% (0,003) ligt al dicht bij het niveau van verouderde bedrijfsolie; nieuwe olie zou veel beter moeten presteren dan dit.

Aanvullende speciale tests (geen verplichte vereisten van IEC 60076, maar speciale tests op maat voor dit woestijnproject)

(1) Gesimuleerde belastingstest op lange termijn bij hoge temperaturen

De transformator, inclusief de complete radiator en het koelsysteem, wordt in een omgevingstestkamer geplaatst. De temperatuur van de inlaatlucht in de kamer wordt op ≥45℃ gehouden en de transformator wordt gedurende 72 uur continu op 1,1 keer de nominale belasting gebruikt.

Tijdens het gehele testproces worden de topolietemperatuur en de hotspottemperatuur van de wikkelingen continu bewaakt. De hotspot-beschermingslimiet is vastgesteld op niet meer dan 120 ℃ en de test wordt beëindigd als de limiet wordt overschreden.

Voor en na de test worden respectievelijk de volgende inspecties uitgevoerd: gedeeltelijke ontlading, analyse van opgelost gas in olie (DGA), diëlektrisch olieverlies en analyse van de vervorming van de SFRA-wikkeling.

Acceptatiecriteria: Alle temperatuurparameters moeten binnen de toegestane ontwerplimieten blijven. Voor en na de test mag DGA geen abnormale gasontwikkeling detecteren. Gedeeltelijke ontlading mag geen significante toename vertonen en er mag geen abnormale wikkelvervorming worden gedetecteerd.

Uitleg: Deze test verifieert de thermische marge onder bedrijfsomstandigheden bij hoge temperaturen en verbetert de betrouwbaarheid voor werking bij volledige belasting bij een omgevingstemperatuur van 50 ℃. Het verandert niets aan de nominale capaciteit aangegeven op het typeplaatje van de transformator.

(2) Simulatietest voor zand- en stofafdichting

Er wordt gebruik gemaakt van ISO 12103-1 A2 Arizona fijn teststof. Een afgesloten zand- en stofkamer wordt gebruikt om door de wind geblazen zandomstandigheden te simuleren, gecombineerd met temperatuur- en drukademhalingscycli om het dag-nacht-ademhalingseffect van de olietank te simuleren. De testduur bedraagt ​​2 uur.

Na voltooiing van de test worden alle afdichtingsgebieden inclusief flenzen, mangaten, kleppen, overdrukkleppen en andere componenten gedemonteerd en geïnspecteerd.

De binnenoppervlakken van de flenzen worden afgeveegd en geïnspecteerd. Er mag geen stof in de interne oliekamer van de tank terechtkomen. Doorlopende zichtbare stofophopingsfilms zijn niet toegestaan ​​op de binnenste afdichtingsoppervlakken; slechts uiterst kleine hoeveelheden geïsoleerd puntachtig drijvend stof zijn aanvaardbaar.

Na de test worden gedeeltelijke ontladings- en olieanalysetests herhaald om te bevestigen dat er geen stof in de oliekamer is terechtgekomen en het isolatiesysteem heeft vervuild.

U zegt dat de apparatuur naar verwachting twintig jaar in de woestijn zal overleven. Is het echt buitensporig om twee dagen extra te besteden aan het afnemen van aanvullende tests?

9. Projectcases in het Midden-Oosten

Verschillende echte projecten:

Petrochemisch uitbreidingsproject in de oostelijke provincie Saoedi-Arabië: twee eenheden van 25.000 kVA/115 kV-transformatoren. F-klasse isolatie, ONAF- koeling, Type II minerale olie. Van juni 2022 tot nu hebben ze hun vierde zomer achter de rug. In juli vorig jaar overschreed de temperatuur gedurende 12 dagen continu de 50℃ en de maximale topolietemperatuur bereikte 87℃. De operationeel manager van de gebruiker zei: 'Uw transformator is de enige grote apparatuur op de hele locatie die nog nooit een temperatuuralarm heeft geactiveerd.'

Project voor fotovoltaïsche elektriciteitscentrale in Abu Dhabi, VAE: Eén eenheid van 40.000 kVA/33 kV-transformator. Isolatie van klasse H, OFAF- koeling en natuurlijke ester -isolatieolie. Het systeem werkt overdag op volle capaciteit en 's nachts vrijwel onbelast, wat aanzienlijke schommelingen in de belasting tot gevolg heeft. We hebben een OLTC-spanningsregelbereik van ±12% geconfigureerd, met een stapsgewijze spanningsaanpassing van 1,5%. De transformator voert elke dag meer dan twintig automatische spanningsaanpassingen uit en heeft zonder storingen gefunctioneerd.

Gecentraliseerd inkoopproject voor onderstations in Qatar: zeven transformatoren, variërend van 5MVA tot 20MVA. Geleverd in 2021 en tot nu toe operationeel, heeft de algehele beschikbaarheid 99,87% bereikt. De enige uitschakeling vond plaats omdat een externe bovenleiding werd beschadigd door een bouwvoertuig, dat geen verband hield met de transformator zelf.

10. Veelgestelde vragen en selectieaanbevelingen

Een aantal veelgestelde vragen:

Hoeveel duurder is een woestijntransformator vergeleken met een standaardtransformator?

Ongeveer 20% tot 35%. De redenen zijn onder meer grotere warmtedissipatiegebieden, hogere isolatieklassen, duurdere afdichtingscomponenten van fluorrubber en complexere, volledig afgedichte olietankconstructies. Gewone transformatoren gaan echter mogelijk slechts 8 tot 10 jaar mee in woestijnomgevingen, terwijl ons ontwerpdoel 25 tot 30 jaar is. Welke is, gemiddeld over de levensduur, eigenlijk zuiniger?

Hoe zit het met de levertijd?

Voor conventionele transformatoren onder de 20MVA bedraagt ​​de levertijd doorgaans 90 tot 100 dagen, ongeveer 15 dagen langer dan bij standaardproducten. De extra tijd is vooral nodig voor extra testen. Voor urgente projecten wordt vroegtijdige communicatie aanbevolen; de kortste levertijd kan worden teruggebracht tot ongeveer 75 dagen.

Zijn er speciale vereisten voor installatie ter plaatse?

Ja. Voordat de olie wordt bijgevuld, moet de binnenkant van de tank worden gespoeld met droge stikstof om vocht te verwijderen dat tijdens het transport is binnengekomen. Na het installeren van de radiator moet perslucht worden gebruikt om de radiatorvinnen van binnen naar buiten te blazen om opgehoopt stof en zand te verwijderen. Deze twee stappen kunnen de initiële bedrijfstemperatuur met 3 tot 5℃ verlagen.

Hoe worden reserveonderdelen geleverd?

Er is een magazijn beschikbaar in de Jebel Ali Free Zone, Dubai. Afdichtringen, oliepeilindicatoren, thermometers, overdrukventielen en ventilatormotoren kunnen in de zes Golflanden binnen 48 uur worden geleverd. Grote componenten worden vanuit China verzonden, waarbij het gecombineerde zee-luchttransport 7 tot 10 dagen duurt.

Furananalyse is alleen van toepassing op isolatiepapier van cellulosepapier (Klasse A, waarbij transformatoren van minerale olie de reguliere toepassing zijn).

Voor transformatoren die aramide-papierisolatie gebruiken (Klasse H / Klasse F): aramide genereert geen furanverbindingen , daarom zijn furanindicatoren niet van toepassing en kunnen ze niet worden gebruikt om de veroudering van aramide-isolatie te evalueren.

Furan kan worden geadsorbeerd. Als er eerder actieve koolfiltratie of olieregeneratiebehandeling is uitgevoerd, kan furan worden verwijderd, wat resulteert in lagere meetwaarden. Dit kan de verkeerde indruk wekken dat 'het furaangehalte niet hoog is, maar dat de papierisolatie al verouderd is.'

Er is een uitgebreide beoordeling van meerdere parameters vereist, waaronder:

• Furan-inhoud

• Oliezuurwaarde

• Mate van polymerisatie (DP) — papierbemonstering tijdens inspectie, wat de meest betrouwbare methode is

• DGA-analyse (CO, CO₂-gehalte)

• DC-weerstand

• Diëlektrisch verlies

Een beslissing mag nooit alleen op basis van één enkele furanindicator worden genomen.

11. Over Zisheng Electric en technische ondersteuning

Na zoveel gepraat te hebben, bestaat de conclusie eigenlijk uit één zin.

Of apparatuur bestand is tegen de woestijnomgeving, hangt niet af van de vraag of één enkel aspect uitzonderlijk goed is uitgevoerd. Het hangt ervan af of elk detail zorgvuldig en zonder compromissen is overwogen.

Wanneer materialen op de juiste manier worden geselecteerd, tests grondig worden uitgevoerd en er geen kortere weg wordt genomen, gaat betrouwbaarheid gepaard met vertrouwen.

We zijn al 13 jaar actief op de markt in het Midden-Oosten en leveren elk jaar 40 tot 50 eenheden. Wij zijn niet de goedkoopste leverancier, maar onze reputatie is opgebouwd door het ene project na het andere en de ene transformator na de andere.

Onze producten dekken olie-ondergedompelde transformatoren, onderstationtransformatoren, op pad gemonteerde transformatoren, transformatoren op palen, droge transformatoren , en andere stroomdistributieapparatuur . We beschikken over 22 patenten op gebruiksmodellen en 3 softwareauteursrechten , zijn geslaagd voor de ISO 9001-certificering van het kwaliteitsmanagementsysteem en voldoen aan de relevante IEC- standaardvereisten.

we kunnen binnen 24 uur een eerste oplossing bieden , inclusief: selectie van apparatuur, berekening van lijnverlies, schatting van het investeringsrendement

Dertig graden is voor mensen een comfortabele temperatuur. Meer dan vijftig graden is de temperatuur waarbij apparatuur moet vechten om te blijven werken.

Voor projecten die te kampen hebben met uitdagingen op het gebied van de uitrustingskeuze, of voor uitrusting die regelmatig kleine problemen ondervindt tijdens perioden met hoge temperaturen, kunt u rechtstreeks contact met ons opnemen via onze officiële website. Ons technische team zal binnen 24 uur een eerste reactie geven.

Zisheng elektrisch. Geboren voor extreme omgevingen.