Esquema de projeto de transformador para ambientes desérticos de alta temperatura | Atendendo aos rigorosos requisitos da IEC 60076 e 55℃ Oriente Médio

Sou engenheiro da equipe de projeto de transformadores da Zisheng Electric, com muitos anos de experiência em projeto de transformadores para ambientes especiais. Hoje, gostaria de ter uma discussão prática com os nossos clientes e amigos do Médio Oriente – neste tipo de calor do deserto, como devem realmente ser concebidos os transformadores?

1. Por que o ambiente de alta temperatura do deserto exige um projeto especial de transformador?

Vejamos primeiro os dados.

Na Província Oriental da Arábia Saudita, a temperatura máxima extrema do ar atingiu 53,5℃. A temperatura da superfície do solo? 79,8°C. Abu Dhabi nos Emirados Árabes Unidos é um pouco melhor, com temperatura do ar de 52,8°C e temperatura da superfície do solo de 76,5°C. Kuwait e Catar são semelhantes. O número anual de dias de tempestade de areia é de 28 dias na Arábia Saudita e 35 dias no Kuwait. A diferença máxima de temperatura diária pode chegar a 28 a 30 ℃.

Os dados a seguir baseiam-se em informações meteorológicas disponíveis publicamente, bem como nas condições ambientais reais do local coletadas de vários projetos no Oriente Médio dos quais participamos.

Observando esses números, fica claro que os transformadores projetados para condições ambientais normais podem apresentar margens insuficientes de aumento de temperatura e envelhecimento acelerado do isolamento sob altas temperaturas contínuas e condições de poeira intensa.

2. O impacto de uma temperatura ambiente de 55°C nos transformadores

Este não é o fim da história. Quando a temperatura do ar aumenta, a densidade do ar diminui. A 45°C, a densidade do ar é cerca de 8% menor do que a 20°C. Não importa quão potente seja o radiador, o calor não pode ser eliminado de forma eficaz quando o ar se torna mais rarefeito. Além disso, quando areia e poeira se acumulam nas aletas de resfriamento, a eficiência de dissipação de calor continuará a diminuir.

Os componentes convencionais de vedação de borracha nitrílica podem sofrer endurecimento, envelhecimento e desempenho de vedação reduzido sob exposição prolongada a altas temperaturas, radiação ultravioleta e ambientes de areia e poeira. Pode ocorrer vazamento de óleo, o nível de óleo pode cair e os enrolamentos expostos podem sofrer entrada de umidade e oxidação. Por quantos anos mais esses equipamentos poderão continuar operando?

Depois, há a questão da areia e da poeira. Poeira condutora pode acumular-se na superfície dos componentes de isolamento. Em condições secas, o impacto pode ser limitado, mas quando ocorre condensação de manhã e à noite, podem ocorrer descargas superficiais. Em casos graves, pode ocorrer flashover na bucha, resultando em disparo direto.

Portanto, não basta simplesmente transportar um transformador padrão para o ambiente desértico e colocá-lo em operação. O design requer grandes modificações.

3. Envelhecimento térmico IEC 60076-7 e controle de temperatura de ponto quente

A IEC 60076-7 introduz a regra dos seis graus. O que isto significa? De acordo com o modelo de envelhecimento térmico IEC 60076-7 , a vida útil do isolamento diminui significativamente à medida que a temperatura do hotspot do enrolamento aumenta. Na prática de engenharia, uma relação empírica de aproximadamente um aumento de temperatura de 8K correspondente a uma redução pela metade da vida útil do isolamento é comumente usada para avaliação. Sob uma temperatura ambiente de 55°C, a temperatura do ponto quente do enrolamento pode rapidamente se aproximar de 110°C ou até mais. Se a temperatura do ponto de acesso permanecer acima do limite de projeto por um longo período, o envelhecimento do isolamento acelerará significativamente.

4. Projeto de resfriamento em ambientes desérticos no Oriente Médio

Primeiro, vamos falar sobre a área de dissipação de calor.

Em projetos convencionais, normalmente são usados ​​0,8 a 1,2 metros quadrados de área de dissipação de calor por quilowatt de perda, o que é adequado para climas temperados. Para as condições de operação no Médio Oriente, aumentamos diretamente para 1,8 a 2,3 metros quadrados por quilowatt.

Vejamos um cálculo real. Um projeto de subestação no Catar utilizou um transformador de 20.000kVA e 132kV. A perda total foi de 142kW. A temperatura ambiente foi considerada como 50°C, e a temperatura máxima permitida do óleo foi definida em 95°C — em vez de operar perto de 105°C, deixando margem adicional de projeto.

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

O projeto final utilizou 338 m², proporcionando uma margem adicional de 7%. A largura do radiador foi aumentada de 480 mm para 600 mm e o espaçamento entre as aletas foi aumentado de 50 mm para 70 mm. Por que? Porque é menos provável que areia e poeira se acumulem nas aberturas e o fluxo de ar pode removê-los facilmente.

O tanque de óleo usa um design de parede corrugada totalmente vedado. A parede ondulada proporciona dissipação de calor e também absorve a expansão e contração térmica do óleo através da deformação elástica das placas onduladas. Não há necessidade de respiro para aspirar o ar externo.

Desta forma, o óleo isolante fica isolado do ambiente externo. A umidade não pode entrar, a areia e a poeira não podem entrar e a qualidade do óleo pode permanecer estável por mais de dez anos.

5. Seleção do método de resfriamento: ONAN, ONAF, OFAF

Para o método de resfriamento , fornecerei uma tabela de referência direta.

Um cliente de Omã tinha um transformador de 12,5 MVA. Inicialmente, eles queriam economizar no custo de instalação de ventiladores. Pedi-lhes que calculassem o impacto operacional real. Durante os três meses mais quentes, sem ventiladores, a temperatura máxima do óleo foi de 13 a 15 graus mais alta do que quando os ventiladores estavam funcionando. De acordo com o modelo de envelhecimento IEC, a operação de longo prazo em temperaturas elevadas aumenta significativamente a velocidade de envelhecimento do isolamento e reduz a margem de vida útil do equipamento. Posteriormente, modificaram o projeto e o transformador está operando há mais de quatro anos sem problemas.

6. Projeto de proteção contra areia, poeira, umidade e vedação

Proteção contra areia e poeira – as tiras de vedação são apenas a medida básica.

Todas as interfaces externas devem estar equipadas com tampas de proteção contra poeira. As tampas tipo veneziana instaladas fora dos radiadores e ventiladores são projetadas com um ângulo de inclinação de 35°. Este ângulo foi verificado através da análise CFD. Ele bloqueia a areia enquanto mantém a perda de fluxo de ar em 6%. A eficiência de interceptação medida chega a 92%.

A válvula de alívio de pressão também deve ser equipada com uma tampa contra poeira. Por que? Porque areia e poeira podem se acumular no disco da válvula, impedindo que ela abra corretamente quando o alívio de pressão for realmente necessário. À medida que a pressão interna do tanque de óleo aumenta, as consequências podem variar desde a deformação até, em casos graves, a ruptura.

A estrutura de camada dupla que desenvolvemos consiste em uma tela externa de aço inoxidável de malha 200. Num ambiente de tempestade de areia, as aberturas da malha podem ficar gradualmente bloqueadas por areia fina; com o tempo, a área efetiva do fluxo de exaustão continua a diminuir, fazendo com que a contrapressão de pressão durante o alívio da pressão de falha aumente gradualmente. A membrana interna de PTFE bloqueia partículas finas, enquanto uma cavidade de 5 mm é reservada entre as camadas como zona tampão.

A distância de fuga das buchas deve ser aumentada. Um valor de 4.100 mm está ligeiramente abaixo do valor mínimo teórico de 4.495 mm para o nível de poluição Classe IV da IEC. É uma configuração reforçada que se aproxima dos requisitos da Classe IV, mas não atende totalmente à configuração completa do padrão IEC Classe IV . Portanto, os documentos do concurso não devem indicar diretamente “atende ao nível de poluição da Classe IV”; em vez disso, deveriam indicar: 'Projetado de acordo com os princípios de poluição Classe IV da IEC, com uma taxa de distância de fuga não inferior a 28,3 mm/kV.' Foram acrescentados 800 mm adicionais. Embora a altura da bucha tenha aumentado em 150 mm, mesmo sob fortes tempestades de areia, a tensão de descarga superficial ainda pode suportar as condições adversas.

Para componentes de vedação , borracha fluorada é usada em vez de borracha nitrílica.

A borracha fluorada custa três vezes mais que a borracha nitrílica. Vale a pena? Veja os projetos no Oriente Médio que usam vedações de nitrila há cinco anos. Quando a primavera chega, o óleo vaza das juntas da tampa como suor. Os trabalhadores da manutenção passam o dia todo limpando o óleo. Quando os custos trabalhistas, as perdas de petróleo e as perdas por falta de energia são combinados, a diferença de custo adicional já foi recuperada.

7. Seleção de materiais isolantes e óleo isolante

Para a classe térmica de isolamento , partimos diretamente da Classe F, 155 ℃. Para transformadores de grande capacidade, utilizamos Classe H, 180℃. Para projetos com temperatura ambiente de 55°C, geralmente é necessário um isolamento de classe térmica mais alta para aumentar a margem de temperatura do ponto de acesso .

Um projeto de dessalinização de água do mar na Arábia Saudita tinha dois transformadores de 37,5 MVA, e o proprietário especificou isolamento Classe H. . Papel de aramida Nomex foi usado. Foi caro. Mas o custo de um dia de inatividade foi de três milhões de dólares americanos. Esse investimento valeu a pena?

A seleção do óleo isolante depende do nível de tensão.

Para transformadores de 35kV e inferiores, é utilizado óleo mineral isolante. É selecionado ASTM D3487 Tipo II óleo mineral inibido , que oferece excelente estabilidade à oxidação; o ponto de inflamação do copo aberto não é inferior a 155 ℃. A principal diferença entre o Tipo I e o Tipo II é o conteúdo de aditivos antioxidantes. O Tipo II é mais adequado para operação de longo prazo em ambientes desérticos de alta temperatura, ajudando a retardar a formação de lodo e o aumento do valor ácido.

Para transformadores de 66 kV e superiores, onde o orçamento permitir e os requisitos ambientais e de segurança contra incêndio forem mais elevados, óleo isolante de éster natural (IEC 62770) . pode-se selecionar É classificado como um fluido menos inflamável Classe K de acordo com a IEC 61100, com ponto de combustão não inferior a 300°C. O éster natural tem solubilidade em água muito maior que o óleo mineral, o que ajuda a retardar o envelhecimento térmico do isolamento de celulose e proporciona excelente biodegradabilidade.

Para cargas críticas — hospitais, aeroportos e data centers — o éster sintético é a escolha mais confiável. É simplesmente mais caro.

A densidade do fluxo magnético é controlada abaixo de 1,55T. Alguns designs aumentam para 1,7T. Adotamos uma abordagem mais conservadora. A redução da densidade do fluxo magnético aumenta o peso do núcleo em aproximadamente 7–12%, o que significa várias dezenas de milhares de yuans a mais no custo do aço silício. No entanto, este núcleo opera vários graus mais frio do que um projeto de alta densidade de fluxo sob condições ambientais de 50°C. Um núcleo mais frio também beneficia os enrolamentos circundantes.

8. Testes de fábrica e verificação de confiabilidade em campo

Dados reais medidos de um transformador de deserto de 20.000kVA/132kV:

Pontos-chave durante a supervisão da fábrica:

Garanta o aterramento de ponto único do núcleo do transformador e verifique se os entreferros são uniformes. Alguns fabricantes apressam os cronogramas de produção e economizam. O superaquecimento local do núcleo pode atingir mais de 70 ℃ e, uma vez que o transformador sai da fábrica, não pode ser corrigido.

A secagem a vácuo deve durar mais de 72 horas, com taxa de descarga de água controlada abaixo de 0,3%. Para unidades concluídas após apenas 48 horas de secagem, a umidade poderá não ser totalmente removida. Após o comissionamento e aquecimento, a umidade pode ser liberada novamente, reduzindo a resistência do isolamento em um nível.

Durante o enchimento de óleo, mantenha um nível de vácuo abaixo de 50Pa durante 12 horas antes de iniciar. A velocidade de enchimento de óleo não deve exceder 1,5 toneladas por hora. Se a velocidade for muito alta, um teste de taxa de vazamento de vácuo deverá ser realizado para evitar vazamento de gás no sistema. Verificar apenas o nível de vácuo sem verificar a taxa de vazamento pode levar a resultados enganosos. Após o enchimento, deixe o transformador em repouso por 72 horas antes de realizar testes de análise de óleo.

A tensão de ruptura não deve ser inferior a 60kV/2,5mm.

A afirmação anterior 'perda dielétrica tanδ≤0,3%' está incorreta: para óleo mineral novo a 90°C, o limite padrão para o fator de dissipação dielétrica é tanδ≤0,005 (0,5%? Não, é 0,5‰, 0,005) . Um valor de 0,3% (0,003) já está próximo do nível de óleo operacional envelhecido; o óleo novo deve ter um desempenho muito melhor do que isso.

Testes especiais adicionais (não são requisitos obrigatórios da IEC 60076, mas testes especiais personalizados para este projeto no deserto)

(1) Teste de carga simulada de longo prazo e alta temperatura

O transformador, incluindo o radiador completo e o sistema de refrigeração, é colocado dentro de uma câmara de testes ambientais. A temperatura do ar de entrada dentro da câmara é mantida em ≥45°C, e o transformador é operado continuamente a 1,1 vezes a carga nominal por 72 horas.

Durante todo o processo de teste, a temperatura superior do óleo e a temperatura do ponto quente do enrolamento são monitoradas continuamente. O limite de proteção do ponto de acesso é definido em não mais que 120°C e o teste será encerrado se o limite for excedido.

Antes e depois do teste, são realizadas respectivamente as seguintes inspeções: descarga parcial, análise de gases dissolvidos em óleo (DGA), perda dielétrica de óleo e análise de deformação do enrolamento SFRA.

Critérios de aceitação: Todos os parâmetros de temperatura devem permanecer dentro dos limites permitidos pelo projeto. Nenhuma geração anormal de gás deve ser detectada pela DGA antes e depois do teste. A descarga parcial não deverá apresentar aumento significativo e nenhuma deformação anormal do enrolamento deverá ser detectada.

Explicação: Este teste verifica a margem térmica sob condições operacionais de alta temperatura e melhora a confiabilidade para operação em plena carga a uma temperatura ambiente de 50°C. Não altera a capacidade nominal indicada na placa de identificação do transformador.

(2) Teste de simulação de vedação de areia e poeira

É usado pó de teste fino ISO 12103-1 A2 Arizona. Uma câmara selada de areia e poeira é usada para simular condições de areia soprada pelo vento, combinada com ciclos de respiração de temperatura e pressão para simular o efeito de respiração diurna e noturna do tanque de óleo. A duração do teste é de 2 horas.

Após a conclusão do teste, todas as áreas de vedação, incluindo flanges, bueiros, válvulas, válvulas de alívio de pressão e outros componentes, são desmontadas e inspecionadas.

As superfícies internas dos flanges são limpas e inspecionadas. Nenhuma poeira pode entrar na câmara de óleo interna do tanque. Não são permitidas películas contínuas de acúmulo de poeira visível nas superfícies internas de vedação; apenas quantidades extremamente pequenas de poeira flutuante pontual e isolada são aceitáveis.

Após o teste, os testes de descarga parcial e análise de óleo são repetidos para confirmar que nenhuma poeira entrou na câmara de óleo e contaminou o sistema de isolamento.

Você diz que se espera que o equipamento sobreviva vinte anos no deserto. É realmente excessivo gastar dois dias extras realizando testes adicionais?

9. Casos de Projetos no Oriente Médio

Vários projetos reais:

Projeto de expansão petroquímica da Província Oriental da Arábia Saudita: Duas unidades de transformadores de 25.000kVA/115kV. Isolamento classe F, refrigeração ONAF , óleo mineral Tipo II. De junho de 2022 até agora, eles completaram o quarto verão. Em julho do ano passado, a temperatura excedeu 50°C continuamente por 12 dias, e a temperatura máxima do óleo atingiu 87°C. O gerente de operações do usuário disse: “Seu transformador é o único equipamento importante em todo o local que nunca acionou um alarme de temperatura”.

Projeto de usina fotovoltaica de Abu Dhabi, Emirados Árabes Unidos: Uma unidade de transformador de 40.000kVA/33kV. Isolamento classe H, resfriamento OFAF e de éster natural . óleo isolante Ele opera com geração plena durante o dia e quase sem carga à noite, resultando em flutuações de carga significativas. Configuramos uma faixa de regulação de tensão do OLTC de ±12%, com ajuste de tensão escalonada de 1,5%. O transformador realiza mais de vinte ajustes automáticos de tensão todos os dias e tem funcionado sem falhas.

Projeto de aquisição centralizada da subestação do Catar: Sete transformadores, variando de 5MVA a 20MVA. Entregue em 2021 e operando até agora, a disponibilidade geral atingiu 99,87%. O único desligamento ocorreu porque uma linha aérea externa foi danificada por um veículo de construção, que não tinha relação com o próprio transformador.

10. Perguntas comuns e recomendações de seleção

Várias perguntas frequentes:

Quanto mais caro é um transformador de deserto em comparação com um transformador padrão?

Cerca de 20% a 35%. As razões incluem áreas maiores de dissipação de calor, classes de isolamento mais altas, componentes de vedação de borracha fluorada mais caros e estruturas de tanques de óleo totalmente vedadas mais complexas. No entanto, os transformadores comuns podem durar apenas 8 a 10 anos em ambientes desérticos, enquanto a nossa meta de projeto é de 25 a 30 anos. Quando calculada a média da vida útil, qual é realmente mais econômico?

E quanto ao prazo de entrega?

Para transformadores convencionais abaixo de 20MVA, o prazo de entrega é geralmente de 90 a 100 dias, cerca de 15 dias a mais que os produtos padrão. O tempo adicional é necessário principalmente para testes extras. Para projetos urgentes, recomenda-se a comunicação antecipada; o prazo de entrega mais curto pode ser reduzido para cerca de 75 dias.

Existem requisitos especiais para instalação no local?

Sim. Antes do enchimento com óleo, o interior do tanque deve ser purgado com nitrogênio seco para remover a umidade introduzida durante o transporte. Depois de instalar o radiador, deve-se usar ar comprimido para soprar as aletas do radiador de dentro para fora para remover poeira e areia acumuladas. Estas duas etapas podem reduzir a temperatura operacional inicial em 3 a 5°C.

Como são fornecidas as peças de reposição?

Um armazém está disponível na Zona Franca de Jebel Ali, Dubai. Anéis de vedação, indicadores de nível de óleo, termômetros, válvulas de alívio de pressão e motores de ventiladores podem ser entregues em 48 horas nos seis países do Golfo. Grandes componentes são enviados da China, com transporte combinado marítimo-aéreo levando de 7 a 10 dias.

A análise de furano aplica-se apenas ao isolamento de papel de celulose (Classe A, sendo os transformadores de óleo mineral a aplicação principal).

Para transformadores que utilizam isolamento de papel de aramida (Classe H/Classe F): a aramida não gera compostos de furano , portanto os indicadores de furano não são aplicáveis ​​e não podem ser usados ​​para avaliar o envelhecimento do isolamento de aramida.

Furano pode ser adsorvido. Se a filtração com carvão ativado ou o tratamento de regeneração do óleo tiver sido realizado anteriormente, o furano poderá ser removido, resultando em valores medidos mais baixos. Isso pode criar a falsa impressão de que “os níveis de furano não são altos, mas o isolamento do papel já envelheceu”.

É necessária uma avaliação multiparâmetro abrangente, incluindo:

• Conteúdo de furano

• Valor ácido do óleo

• Grau de polimerização (DP) — amostragem de papel durante a inspeção, que é o método mais confiável

• Análise DGA (conteúdo de CO, CO₂)

• Resistência CC

• Perda dielétrica

Uma decisão nunca deve ser tomada com base apenas num único indicador de furano.

11. Sobre Zisheng Elétrica e Suporte Técnico

Depois de tanto falar, a conclusão é na verdade apenas uma frase.

A capacidade do equipamento de resistir ao ambiente desértico não depende de um único aspecto ser excepcionalmente bem executado. Depende se cada detalhe foi cuidadosamente considerado sem compromisso.

Quando os materiais são selecionados corretamente, os testes são realizados minuciosamente e nenhum atalho é tomado, a confiabilidade vem com a confiança.

Atuamos no mercado do Oriente Médio há 13 anos, entregando de 40 a 50 unidades por ano. Não somos o fornecedor mais barato, mas a nossa reputação foi construída através de um projeto após o outro e de um transformador após o outro.

Nossos produtos cobrem transformadores imersos em óleo, transformadores de subestação, transformadores montados em almofada, transformadores montados em poste, transformadores do tipo seco e outros equipamentos de distribuição de energia . Detemos 22 patentes de modelos de utilidade e 3 direitos autorais de software , obtivemos a certificação do sistema de gestão de qualidade ISO 9001 e cumprimos os requisitos relevantes da norma IEC .

podemos fornecer uma solução inicial dentro de 24 horas , incluindo:Seleção de equipamentos、 Cálculo de perda de linha、Estimativa de retorno de investimento

Trinta graus é uma temperatura confortável para as pessoas. Mais de cinquenta graus é a temperatura na qual o equipamento tem que lutar para continuar operando.

Para projetos que enfrentam desafios na seleção de equipamentos ou para equipamentos que enfrentam pequenos problemas frequentes durante períodos de alta temperatura, entre em contato conosco diretamente através do nosso site oficial. Nossa equipe técnica fornecerá uma resposta inicial em 24 horas.

Zisheng Elétrica. Nascido para ambientes extremos.