Схема конструкции трансформатора для высокотемпературных условий пустыни | Соответствие строгим требованиям IEC 60076 и 55 ℃ на Ближнем Востоке

Я инженер из группы разработчиков трансформаторов Zisheng Electric и имею многолетний опыт проектирования трансформаторов для особых условий эксплуатации. Сегодня я хотел бы провести практическую дискуссию с нашими клиентами и друзьями на Ближнем Востоке: как на самом деле следует проектировать трансформаторы в такой пустынной жаре?

1. Почему высокотемпературная среда пустыни требует специальной конструкции трансформатора?

Давайте сначала посмотрим на данные.

В Восточной провинции Саудовской Аравии экстремальная максимальная температура воздуха достигла 53,5℃. Температура поверхности земли? 79,8℃. В Абу-Даби в ОАЭ немного лучше: температура воздуха 52,8 ℃ и температура поверхности земли 76,5 ℃. Кувейт и Катар похожи. Ежегодное количество дней с песчаными бурями составляет 28 дней в Саудовской Аравии и 35 дней в Кувейте. Максимальная дневная разница температур может достигать 28-30℃.

Следующие данные основаны на общедоступной метеорологической информации, а также на фактических условиях окружающей среды на объекте, собранных в ходе многочисленных проектов на Ближнем Востоке, в которых мы принимали участие.

Глядя на эти цифры, становится ясно, что трансформаторы, спроектированные для нормальных условий окружающей среды, могут испытывать недостаточный запас по повышению температуры и ускоренное старение изоляции в условиях постоянных высоких температур и сильной запыленности.

2. Влияние температуры окружающей среды 55℃ на трансформаторы.

Это не конец истории. При повышении температуры воздуха плотность воздуха уменьшается. При 45 ℃ плотность воздуха примерно на 8% ниже, чем при 20 ℃. Каким бы мощным ни был радиатор, тепло не может эффективно отводиться, когда воздух становится разреженным. Кроме того, когда на охлаждающих ребрах скапливается песок и пыль, эффективность рассеивания тепла будет продолжать снижаться.

Обычные уплотнительные компоненты из нитрильного каучука могут подвергаться затвердеванию, старению и снижению эффективности уплотнения при длительном воздействии высоких температур, ультрафиолетового излучения, песка и пыли. Может произойти утечка масла, уровень масла может упасть, а открытые обмотки могут пострадать от попадания влаги и окисления. Сколько еще лет такое оборудование может продолжать работать?

Тогда есть проблема песка и пыли. Проводящая пыль может скапливаться на поверхности изоляционных компонентов. В засушливых условиях воздействие может быть ограниченным, но при образовании конденсата утром и вечером могут развиться поверхностные разряды. В тяжелых случаях может произойти пробой втулки, приводящий к прямому отключению.

Поэтому недостаточно просто перевезти стандартный трансформатор в пустыню и ввести его в эксплуатацию. Конструкция требует серьезных доработок.

3. IEC 60076-7 Термическое старение и контроль температуры в горячих точках.

IEC 60076-7 вводит правило шести градусов. Что это значит? Согласно модели термического старения IEC 60076-7 , срок службы изоляции значительно уменьшается по мере увеличения температуры горячей точки обмотки . В инженерной практике для оценки обычно используется эмпирическая зависимость повышения температуры примерно на 8К, соответствующего уменьшению вдвое срока службы изоляции. При температуре окружающей среды 55 ℃ температура горячей точки обмотки может быстро приблизиться к 110 ℃ или даже выше. Если температура горячей точки в течение длительного времени остается выше расчетного предела, старение изоляции значительно ускорится.

4. Проектирование охлаждения в условиях пустыни Ближнего Востока

Во-первых, давайте поговорим о площади рассеивания тепла..

В обычных конструкциях обычно используется от 0,8 до 1,2 квадратных метров площади рассеивания тепла на киловатт потерь, что подходит для умеренного климата. Для условий эксплуатации на Ближнем Востоке мы напрямую увеличиваем это значение до 1,8–2,3 квадратных метра на киловатт.

Давайте посмотрим на реальный расчет. В проекте подстанции в Катаре использовался трансформатор мощностью 20 000 кВА и напряжением 132 кВ. Общие потери составили 142кВт. Температура окружающей среды считалась равной 50 ℃, а допустимая температура верхнего масла была установлена ​​на уровне 95 ℃ — вместо того, чтобы работать близко к 105 ℃, оставляя дополнительный расчетный запас.

Требуемая площадь теплоотвода:
S = 142000/(10×45) ≈ 316 м⊃2;

В окончательном проекте использовано 338 м⊃2;, что обеспечивает дополнительный запас в 7%. Ширина радиатора была увеличена с 480 мм до 600 мм, а расстояние между ребрами увеличено с 50 мм до 70 мм. Почему? Потому что в зазорах реже скапливается песок и пыль, а поток воздуха легко их удаляет.

Масляный бак имеет полностью герметичную конструкцию с гофрированными стенками. Гофрированная стенка обеспечивает рассеивание тепла, а также поглощает тепловое расширение и сжатие масла за счет упругой деформации гофрированных пластин. Нет необходимости использовать сапун для забора наружного воздуха.

Таким образом, изоляционное масло изолируется от внешней среды. Влага не может проникнуть, песок и пыль не могут попасть, а качество масла может оставаться стабильным более десяти лет.

5. Выбор метода охлаждения: ONAN, ONAF, OFAF.

Для метода охлаждения я предоставлю прямую справочную таблицу.

У клиента из Омана был трансформатор мощностью 12,5 МВА. Изначально хотели сэкономить на установке вентиляторов. Я попросил их рассчитать фактическое воздействие на эксплуатацию. В течение самых жарких трех месяцев без вентиляторов максимальная температура масла была на 13–15 градусов выше, чем при работе вентиляторов. Согласно модели старения IEC, длительная эксплуатация при повышенных температурах существенно увеличивает скорость старения изоляции и снижает расчетный запас ресурса оборудования. Позже конструкцию доработали, и трансформатор работает уже более четырех лет без каких-либо проблем.

6. Защита от песка, пыли, влаги и герметизация.

Защита от песка и пыли — уплотнительные ленты являются лишь основной мерой.

Все внешние интерфейсы должны быть оснащены пылезащитными крышками. Жалюзиные крышки, установленные снаружи радиаторов и вентиляторов, имеют угол наклона 35°. Этот угол был подтвержден посредством анализа CFD. Он блокирует песок, сохраняя потери воздушного потока в пределах 6%. Измеренная эффективность перехвата достигает 92%.

Клапан сброса давления также должен быть оснащен пылезащитной крышкой. Почему? Поскольку песок и пыль могут накапливаться на тарелке клапана, препятствуя его правильному открытию, когда действительно требуется сброс давления. Поскольку внутреннее давление масляного бака повышается, последствия могут варьироваться от деформации до, в тяжелых случаях, разрыва.

Разработанная нами двухслойная структура состоит из внешнего экрана из нержавеющей стали размером 200 меш. В условиях песчаной бури отверстия сетки могут постепенно забиваться мелким песком; со временем эффективная площадь потока выхлопных газов продолжает уменьшаться, в результате чего противодавление давления во время сброса давления при неисправности постепенно возрастает. Внутренняя мембрана из ПТФЭ блокирует мелкие частицы, а между слоями сохраняется полость толщиной 5 мм в качестве буферной зоны.

Путь утечки втулок должен быть увеличен. Значение 4100 мм немного ниже теоретического минимального значения в 4495 мм для уровня загрязнения IEC класса IV. Это усиленная конфигурация, приближающаяся к требованиям класса IV, но она не полностью соответствует стандартной конфигурации IEC класса IV . Таким образом, в тендерной документации не должно быть прямо указано «соответствует уровню загрязнения IV класса»; вместо этого они должны указать: «Разработан в соответствии с принципами загрязнения IEC класса IV, с коэффициентом пути утечки не менее 28,3 мм/кВ». Были добавлены дополнительные 800 мм. Хотя высота ввода увеличилась на 150 мм, даже в условиях сильных песчаных бурь напряжение поверхностного пробоя по-прежнему может выдерживать суровые условия.

Для уплотнения компонентов вместо нитрильного каучука используется фторкаучук.

Фторкаучук стоит в три раза дороже, чем нитриловый каучук. Стоит ли оно того? Посмотрите на проекты на Ближнем Востоке, в которых нитриловые уплотнения используются в течение пяти лет. С наступлением весны масло вытекает из стыков крышки, словно потеет. Рабочие по техническому обслуживанию тратят весь день на чистку масла. Если объединить затраты на рабочую силу, потери масла и потери из-за отключения электроэнергии, дополнительная разница в стоимости уже будет возмещена.

7. Выбор изоляционных материалов и изоляционного масла

Для теплового класса изоляции мы начинаем непосредственно с класса F, 155 ℃. Для трансформаторов большой мощности мы используем класс H, 180 ℃. Для проектов с температурой окружающей среды 55 ℃ обычно требуется изоляция более высокого теплового класса для увеличения температурного запаса в горячих точках.

В проекте по опреснению морской воды в Саудовской Аравии использовались два трансформатора мощностью 37,5 МВА, а указанная заказчиком . для изоляции класса H . арамидная бумага Nomex, использовалась Это было дорого. Но стоимость одного дня простоя составила три миллиона долларов США. Стоили ли эти инвестиции того?

Выбор изоляционного масла зависит от уровня напряжения.

Для трансформаторов напряжением 35 кВ и ниже применяется минеральное изоляционное масло. ASTM D3487 типа II, обеспечивающее превосходную устойчивость к окислению; минеральное масло с ингибированием Выбрано температура вспышки в открытом тигле не менее 155 ℃. Основное различие между Типом I и Типом II заключается в содержании антиоксидантных добавок. Тип II больше подходит для длительной эксплуатации в условиях пустыни с высокими температурами, помогая замедлить образование осадка и повышение кислотного числа.

Для трансформаторов напряжением 66 кВ и выше, где позволяет бюджет, а требования пожарной безопасности и охраны окружающей среды выше, изоляционное масло на основе натурального эфира (IEC 62770) . можно выбрать В соответствии с IEC 61100 она классифицируется как трудновоспламеняющаяся жидкость класса K с температурой воспламенения не ниже 300 ℃. Натуральный эфир обладает гораздо более высокой растворимостью в воде, чем минеральное масло, что помогает замедлить термическое старение целлюлозной изоляции и обеспечивает превосходную биоразлагаемость.

Для критических нагрузок — больниц, аэропортов и центров обработки данных — синтетический эфир является наиболее надежным выбором. Это просто дороже.

Плотность магнитного потока контролируется ниже 1,55Тл. Некоторые конструкции увеличивают его до 1,7Т. Мы придерживаемся более консервативного подхода. Уменьшение плотности магнитного потока увеличивает вес сердечника примерно на 7–12%, что означает увеличение стоимости кремниевой стали на несколько десятков тысяч юаней. Однако этот сердечник работает на несколько градусов холоднее, чем конструкция с высокой плотностью потока при температуре окружающей среды 50 ℃. Более холодный сердечник также приносит пользу окружающим обмоткам.

8. Заводские испытания и проверка надежности на местах.

Фактические измеренные данные пустынного трансформатора мощностью 20 000 кВА/132 кВ:

Ключевые моменты во время надзора за производством:

Обеспечьте одноточечное заземление сердечника трансформатора и проверьте равномерность воздушных зазоров. Некоторые производители торопят производственные графики и сокращают углы. Локальный перегрев сердечника может достигать более 70℃, и после того, как трансформатор покинет завод, его невозможно исправить.

Вакуумная сушка должна продолжаться более 72 часов, при этом расход воды должен контролироваться ниже 0,3%. Для изделий, завершенных после 48 часов сушки, влага может быть удалена не полностью. После ввода в эксплуатацию и прогрева влага может снова выйти, снизив прочность изоляции на один уровень.

Во время заливки масла поддерживайте уровень вакуума ниже 50 Па в течение 12 часов перед запуском. Скорость заливки масла не должна превышать 1,5 тонны в час. Если скорость слишком высока, следует провести тест на скорость утечки вакуума , чтобы предотвратить утечку газа в системе. Проверка только уровня вакуума без проверки скорости утечки может привести к ошибочным результатам. После заполнения дайте трансформатору постоять 72 часа, прежде чем проводить анализ масла.

Напряжение пробоя не должно быть ниже 60 кВ/2,5 мм.

Предыдущее утверждение «диэлектрические потери tanδ≤0,3%» неверно: для нового минерального масла при 90 ℃ стандартный предел коэффициента диэлектрических потерь составляет tanδ≤0,005 (0,5%? Нет, это 0,5‰, 0,005) . Значение 0,3% (0,003) уже близко к уровню выдержанного эксплуатационного масла; новое масло должно работать намного лучше, чем это.

Дополнительные специальные испытания (не обязательные требования IEC 60076, а индивидуальные специальные испытания для данного проекта в пустыне)

(1) Высокотемпературное долговременное испытание на имитацию нагрузки

Трансформатор, включая весь радиатор и систему охлаждения, размещается внутри камеры климатических испытаний. Температура воздуха на входе внутри камеры поддерживается на уровне ≥45℃, а трансформатор работает непрерывно с нагрузкой, в 1,1 раза превышающей номинальную, в течение 72 часов.

В течение всего процесса испытаний постоянно контролируется температура верхнего масла и температура горячей точки обмотки. Предел защиты горячих точек установлен на уровне не более 120 ℃, и испытание должно быть прекращено в случае превышения предела.

До и после испытания выполняются следующие проверки соответственно: частичный разряд, анализ растворенных в масле газов (DGA), диэлектрические потери масла и анализ деформации обмотки SFRA.

Критерии приемки: Все температурные параметры должны оставаться в пределах проектных допустимых пределов. DGA не должен обнаруживать аномального образования газа до и после испытания. Частичный разряд не должен значительно увеличиваться, а ненормальная деформация обмотки не должна обнаруживаться.

Пояснение: Это испытание проверяет тепловой запас в условиях эксплуатации при высоких температурах и повышает надежность работы при полной нагрузке при температуре окружающей среды 50 ℃. При этом номинальная мощность, указанная на паспортной табличке трансформатора, не изменяется.

(2) Испытание на герметизацию от песка и пыли

Используется мелкая испытательная пыль ISO 12103-1 A2 Аризона. Герметичная камера для песка и пыли используется для имитации условий переноса песка ветром в сочетании с циклами дыхания по температуре и давлению для имитации эффекта дыхания масляного бака днем ​​и ночью. Продолжительность теста – 2 часа.

После завершения испытания все зоны уплотнения, включая фланцы, люки, клапаны, предохранительные клапаны и другие компоненты, демонтируются и проверяются.

Внутренние поверхности фланцев протирают и осматривают. Никакая пыль не может попасть во внутреннюю масляную камеру бака. На внутренних уплотнительных поверхностях не допускаются сплошные видимые пленки скопления пыли; приемлемы только очень небольшие количества изолированной точечной плавающей пыли.

После испытания повторяются испытания на частичный разряд и анализ масла, чтобы подтвердить, что пыль не попала в масляную камеру и не загрязнила систему изоляции.

Вы говорите, что оборудование прослужит двадцать лет в пустыне. Действительно ли это излишне тратить два дополнительных дня на проведение дополнительных анализов?

9. Примеры ближневосточных проектов

Несколько реальных проектов:

Проект расширения нефтехимической отрасли Восточной провинции Саудовской Аравии: два блока трансформаторов мощностью 25 000 кВА/115 кВ. Изоляция класса F, охлаждение ONAF , минеральное масло типа II. С июня 2022 года по настоящее время они завершили четвертое лето. В июле прошлого года температура превышала 50℃ непрерывно в течение 12 дней, а максимальная температура верхней части масла достигла 87℃. Менеджер по эксплуатации пользователя сказал: «Ваш трансформатор — единственное крупное оборудование на всем объекте, которое ни разу не вызвало срабатывание сигнализации о перегреве».

Проект фотоэлектрической электростанции в Абу-Даби, ОАЭ: один трансформатор мощностью 40 000 кВА/33 кВ. Изоляция класса H, охлаждение OFAF и на основе натуральных эфиров . изоляционное масло Днем он работает на полную мощность, а ночью практически без нагрузки, что приводит к значительным колебаниям нагрузки. Мы установили диапазон регулирования напряжения РПН ±12% с шагом регулировки напряжения 1,5%. Трансформатор ежедневно производит более двадцати автоматических регулировок напряжения и работает без сбоев.

Проект централизованной закупки подстанции в Катаре: семь трансформаторов мощностью от 5 МВА до 20 МВА. Поставленный в 2021 году и работающий до сих пор, общая доступность достигла 99,87%. Единственное отключение произошло из-за повреждения внешней воздушной линии строительной машиной, не имеющей отношения к самому трансформатору.

10. Общие вопросы и рекомендации по выбору

Несколько часто задаваемых вопросов:

Насколько дороже пустынный трансформатор по сравнению со стандартным трансформатором?

Примерно от 20% до 35%. Причинами этого являются большие площади рассеивания тепла, более высокие классы изоляции, более дорогие уплотнительные элементы из фторкаучука и более сложная полностью герметичная конструкция масляного бака. Однако обычные трансформаторы могут прослужить всего 8–10 лет в условиях пустыни, тогда как наша проектная цель составляет 25–30 лет. Если усреднить срок службы, какой из них на самом деле более экономичен?

Что насчет времени доставки?

Для обычных трансформаторов мощностью менее 20 МВА срок поставки обычно составляет от 90 до 100 дней, что примерно на 15 дней дольше, чем у стандартной продукции. Дополнительное время в основном требуется для дополнительного тестирования. Для срочных проектов рекомендуется раннее общение; кратчайший срок доставки может быть сокращен примерно до 75 дней.

Существуют ли какие-либо особые требования для установки на месте?

Да. Перед заливкой масла внутреннюю часть бака следует продуть сухим азотом для удаления влаги, попавшей при транспортировке. После установки радиатора необходимо продуть ребра радиатора изнутри наружу сжатым воздухом, чтобы удалить скопившуюся пыль и песок. Эти два шага могут снизить начальную рабочую температуру на 3–5 ℃.

Как осуществляется доставка запасных частей?

Имеется склад в свободной зоне Джебель Али, Дубай. Уплотнительные кольца, индикаторы уровня масла, термометры, предохранительные клапаны и двигатели вентиляторов могут быть доставлены в течение 48 часов в шесть стран Персидского залива. Крупногабаритные компоненты доставляются из Китая, а комбинированная транспортировка морем и воздухом занимает от 7 до 10 дней.

Фурановый анализ применим только к изоляции из целлюлозной бумаги (класс А, где основным применением являются трансформаторы на минеральном масле).

Для трансформаторов с изоляцией из арамидной бумаги (класс H/класс F): арамид не образует фурановых соединений , поэтому показатели фуранов неприменимы и не могут использоваться для оценки старения арамидной изоляции.

Фуран может быть адсорбирован. Если ранее была проведена фильтрация активированным углем или обработка регенерацией масла, фуран может быть удален, что приведет к снижению измеренных значений. Это может создать ложное впечатление, что «уровень фурана невысокий, но бумажная изоляция уже состарилась».

Требуется комплексная многопараметрическая оценка, включающая:

• Содержание фурана

• Кислотное число масла

• Степень полимеризации (DP) — отбор проб бумаги при проверке, что является наиболее надежным методом.

• DGA-анализ (содержание CO, CO₂)

• сопротивление постоянному току

• Диэлектрические потери

Решение никогда не следует принимать только на основании одного показателя фурана.

11. Об электрической и технической поддержке Zisheng

После стольких разговоров вывод на самом деле всего лишь одно предложение.

Способность оборудования противостоять условиям пустыни не зависит от того, насколько хорошо выполнен какой-то один аспект. Это зависит от того, была ли каждая деталь тщательно продумана и бескомпромиссна.

Когда материалы выбраны правильно, испытания проводятся тщательно и не используются какие-либо ярлыки, надежность приходит с уверенностью.

Мы работаем на рынке Ближнего Востока уже 13 лет, поставляя от 40 до 50 единиц техники каждый год. Мы не самый дешевый поставщик, но наша репутация строилась благодаря одному проекту за другим и одному трансформатору за другим.

Наша продукция охватывает масляные трансформаторы, трансформаторы подстанции, накладные трансформаторы, трансформаторы на столбе, сухие трансформаторы и другое электрораспределительное оборудование . Мы обладаем 22 патентами на полезные модели и 3 авторскими правами на программное обеспечение , прошли сертификацию системы менеджмента качества ISO 9001 и соблюдаем соответствующие IEC . требования стандартов

мы можем предоставить первоначальное решение в течение 24 часов , включая: выбор оборудования, расчет потерь в линии, оценку возврата инвестиций.

Тридцать градусов – комфортная температура для людей. Пятьдесят с лишним градусов — это температура, при которой оборудованию приходится бороться за работоспособность.

Если в проектах возникают проблемы с выбором оборудования, или если оборудование имеет частые незначительные проблемы в периоды высоких температур, свяжитесь с нами напрямую через наш официальный сайт. Наша техническая команда предоставит первоначальный ответ в течение 24 часов.

Цзишэн Электрик. Рожденный для экстремальных условий.