Transformatordesignschema för ökenmiljöer med hög temperatur | Uppfyller de stränga kraven i IEC 60076 och 55℃ Mellanöstern

Jag är ingenjör från Zisheng Electrics transformatordesignteam, med många års erfarenhet av att designa transformatorer för speciella miljöer. Idag skulle jag vilja ha en praktisk diskussion med våra Mellanösternkunder och vänner — i den typen av ökenhetta, hur ska transformatorer egentligen utformas?

1. Varför kräver miljön med hög temperatur i öknen speciell transformatordesign?

Låt oss först titta på data.

I Saudiarabiens östra provins har den extrema maximala lufttemperaturen nått 53,5 ℃. Markytans temperatur? 79,8 ℃. Abu Dhabi i Förenade Arabemiraten är något bättre, med 52,8 ℃ lufttemperatur och 76,5 ℃ markyttemperatur. Kuwait och Qatar liknar varandra. Det årliga antalet sandstormdagar är 28 dagar i Saudiarabien och 35 dagar i Kuwait. Den maximala dagliga temperaturskillnaden kan nå 28 till 30 ℃.

Följande data är baserad på allmänt tillgänglig meteorologisk information, såväl som de faktiska miljöförhållandena på platsen som samlats in från flera Mellanösternprojekt som vi har deltagit i.

När man tittar på dessa siffror blir det tydligt att transformatorer konstruerade för normala miljöförhållanden kan uppleva otillräckliga temperaturstegringsmarginaler och accelererad isoleringsåldring under kontinuerliga höga temperaturer och kraftiga dammförhållanden.

2. Effekten av en 55℃ omgivningstemperatur på transformatorer

Detta är inte slutet på historien. När lufttemperaturen stiger minskar luftdensiteten. Vid 45 ℃ är luftdensiteten cirka 8 % lägre än vid 20 ℃. Oavsett hur kraftfull radiatorn är kan värme inte effektivt föras bort när luften blir tunnare. Dessutom, när sand och damm samlas på kylflänsarna, kommer värmeavledningseffektiviteten att fortsätta att minska.

Konventionella tätningskomponenter av nitrilgummi kan uppleva härdning, åldrande och minskad tätningsprestanda under långvarig exponering för höga temperaturer, ultraviolett strålning och sand- och dammmiljöer. Oljeläckage kan uppstå, oljenivån kan sjunka och utsatta lindningar kan drabbas av fuktinträngning och oxidation. Hur många år till kan sådan utrustning fortsätta att fungera?

Sedan är det frågan om sand och damm. Ledande damm kan samlas på ytan av isoleringskomponenter. Under torra förhållanden kan påverkan vara begränsad, men när kondens uppstår på morgonen och kvällen kan ytutsläpp utvecklas. I svåra fall kan övertändning av bussningen uppstå, vilket resulterar i direkt snubbling.

Därför räcker det inte att bara transportera en standardtransformator till ökenmiljön och sätta den i drift. Designen kräver stora modifieringar.

3. IEC 60076-7 Termisk åldrande och hotspot-temperaturkontroll

IEC 60076-7 introducerar sexgradersregeln. vad betyder det? Enligt IEC 60076-7 termisk åldringsmodell minskar isoleringens livslängd avsevärt när temperaturen på lindningens hotspot ökar. I ingenjörspraktik används vanligtvis ett empiriskt samband med en temperaturökning på cirka 8K motsvarande en halvering av isoleringslivslängden för utvärdering. Under en omgivningstemperatur på 55 ℃ kan den slingrande hotspot-temperaturen snabbt närma sig 110 ℃ eller ännu högre. Om hotspot-temperaturen förblir över designgränsen under lång tid kommer isoleringens åldrande att accelerera avsevärt.

4. Kyldesign i Mellanösterns ökenmiljöer

Låt oss först prata om värmeavledningsområdet.

I konventionella konstruktioner används vanligtvis 0,8 till 1,2 kvadratmeter värmeavledningsarea per kilowatt förlust, vilket är lämpligt för tempererade klimat. För driftsförhållanden i Mellanöstern ökar vi detta direkt till 1,8 till 2,3 kvadratmeter per kilowatt.

Låt oss titta på en faktisk beräkning. Ett transformatorstationsprojekt i Qatar använde en 20 000 kVA, 132 kV transformator. Den totala förlusten var 142kW. Omgivningstemperaturen ansågs vara 50 ℃, och den tillåtna toppoljetemperaturen sattes till 95 ℃ – snarare än att arbeta nära 105 ℃, vilket lämnade ytterligare designmarginal.

Erforderlig värmeavledningsarea:
S = 142000 / (10 × 45) ≈ 316 m²

Den slutliga designen använde 338 m², vilket gav ytterligare 7 % marginal. Kylarens bredd ökades från 480 mm till 600 mm, och avståndet mellan fenorna ökades från 50 mm till 70 mm. Varför? Eftersom sand och damm är mindre benägna att samlas i luckorna, och luftflödet kan lätt ta bort dem.

Oljetanken använder en helt förseglad korrugerad väggdesign. Den korrugerade väggen ger värmeavledning och absorberar även den termiska expansionen och sammandragningen av oljan genom den elastiska deformationen av de korrugerade plattorna. Det behövs ingen andningspaus för att dra utomhusluft.

På så sätt isoleras den isolerande oljan från den yttre miljön. Fukt kan inte komma in, sand och damm kan inte komma in och oljekvaliteten kan förbli stabil i mer än tio år.

5. Val av kylmetod: ONAN, ONAF, OFAF

För kylningsmetoden kommer jag att tillhandahålla en direkt referenstabell.

En omansk kund hade en transformator på 12,5 MVA. Till en början ville man spara på kostnaden för att installera fläktar. Jag bad dem att beräkna den faktiska driftseffekten. Under de hetaste tre månaderna, utan fläktar, var toppoljetemperaturen 13 till 15 grader högre än när fläktarna var igång. Enligt IEC-åldringsmodellen ökar långvarig drift vid förhöjda temperaturer avsevärt isoleringens åldringshastighet och minskar utrustningens designlivsmarginal. Senare modifierade de designen och transformatorn har fungerat i mer än fyra år utan några problem.

6. Sand, damm, fuktskydd och tätningsdesign

Sand- och dammskydd — tätningslister är bara den grundläggande åtgärden.

Alla externa gränssnitt bör vara utrustade med dammskydd. Skyddarna av lamelltyp installerade utanför radiatorer och fläktar är designade med en 35° lutningsvinkel. Denna vinkel har verifierats genom CFD-analys. Den blockerar sand samtidigt som den håller luftflödesförlusten inom 6 %. Den uppmätta avlyssningseffektiviteten når 92 %.

Övertrycksventilen bör också vara utrustad med ett dammlock. Varför? Eftersom sand och damm kan ansamlas på ventilskivan, vilket förhindrar att den öppnas ordentligt när tryckavlastning faktiskt krävs. När oljetankens inre tryck stiger kan konsekvenserna variera från deformation till, i svåra fall, bristning.

Den dubbla lagerstrukturen vi utvecklade består av en yttre 200-mesh skärm i rostfritt stål. I en sandstormmiljö kan nätöppningarna gradvis blockeras av fin sand; med tiden fortsätter den effektiva avgasflödesarean att minska, vilket gör att tryckmottrycket under feltryckavlastningen gradvis stiger. Det inre PTFE-membranet blockerar fina partiklar, medan ett 5 mm hålrum är reserverat mellan lagren som en buffertzon.

Krypavståndet för bussningar bör ökas. Ett värde på 4100 mm är något under det teoretiska lägsta värdet på 4495 mm för IEC klass IV föroreningsnivå. Det är en förstärkt konfiguration som närmar sig klass IV-kraven, men den uppfyller inte helt den fullständiga IEC Class IV-standardkonfigurationen . Därför bör anbudshandlingar inte direkt ange 'uppfyller klass IV föroreningsnivå'; istället bör de ange: 'Designad enligt IEC klass IV föroreningsprinciper, med ett krypavståndsförhållande på inte mindre än 28,3 mm/kV.' Ytterligare 800 mm lades till. Även om bussningens höjd ökade med 150 mm, även under kraftiga sandstormar, kan ytöverslagsspänningen fortfarande motstå de svåra förhållandena.

För tätning av komponenter används fluorgummi istället för nitrilgummi.

Fluorgummi kostar tre gånger mer än nitrilgummi. Är det värt det? Titta på Mellanösternprojekt som har använt nitriltätningar i fem år. När våren väl kommer läcker olja från täckfogarna som svettningar. Underhållsarbetare ägnar hela dagen åt att rengöra olja. När arbetskostnader, oljeförluster och strömavbrott kombineras har den extra kostnadsskillnaden redan återvunnits.

7. Val av isoleringsmaterial och isoleringsolja

För termisk isoleringsklass utgår vi direkt från klass F, 155 ℃. För transformatorer med stor kapacitet använder vi klass H, 180 ℃. För projekt med en omgivningstemperatur på 55 ℃ krävs vanligtvis högre värmeklassisolering för att öka hotspot-temperaturmarginalen .

Ett projekt för avsaltning av havsvatten i Saudiarabien hade två 37,5 MVA transformatorer, och ägaren specificerade klass H isolering . Nomex aramidpapper användes. Det var dyrt. Men kostnaden för en dags driftstopp där var tre miljoner US-dollar. Var denna investering värd det?

Valet av isoleringsolja beror på spänningsnivån.

För transformatorer på 35kV och lägre används mineralisk isoleringsolja. ASTM D3487 Typ II-inhiberad mineralolja är vald, som erbjuder utmärkt oxidationsstabilitet; den öppna koppens flampunkt är inte mindre än 155 ℃. Den största skillnaden mellan typ I och typ II är innehållet av antioxidantadditiv. Typ II är mer lämpad för långvarig drift i ökenmiljöer med hög temperatur, vilket hjälper till att bromsa slambildning och syravärdesökning.

För 66kV och högre transformatorer, där budgeten tillåter och brandsäkerhet och miljökrav är högre, kan naturlig esterisoleringsolja (IEC 62770) väljas. Den är klassificerad som en klass K mindre brandfarlig vätska enligt IEC 61100, med en brandpunkt som inte är lägre än 300 ℃. Naturlig ester har mycket högre vattenlöslighet än mineralolja, vilket hjälper till att fördröja termisk åldring av cellulosaisolering och ger utmärkt biologisk nedbrytbarhet.

För kritiska belastningar – sjukhus, flygplatser och datacenter – är syntetisk ester det mest pålitliga valet. Det är helt enkelt dyrare.

Den magnetiska flödestätheten kontrolleras under 1,55T. Vissa design skjuter upp den till 1,7T. Vi har ett mer konservativt förhållningssätt. Genom att minska den magnetiska flödestätheten ökar kärnans vikt med cirka 7–12 %, vilket innebär att det kostar flera tiotusentals yuan mer i kiselstål. Den här kärnan fungerar dock flera grader svalare än en design med hög flödestäthet under 50 ℃ omgivningsförhållanden. En svalare kärna gynnar också de omgivande lindningarna.

8. Fabrikstestning och fälttillförlitlighetsverifiering

Faktiska uppmätta data från en 20 000 kVA/132 kV ökentransformator:

Nyckelpunkter under fabriksövervakning:

Säkerställ enpunktsjordning av transformatorns kärna och kontrollera om luftspalterna är likformiga. Vissa tillverkare har bråttom med produktionsscheman och skär av. Lokal överhettning av kärnan kan nå mer än 70 ℃, och när transformatorn lämnar fabriken kan den inte korrigeras.

Vakuumtorkning bör pågå i mer än 72 timmar, med vattenutsläppshastigheten kontrollerad under 0,3 %. För enheter som är klara efter endast 48 timmars torkning, kanske fukt inte avlägsnas helt. Efter idrifttagning och uppvärmning kan fukten släppas ut igen, vilket minskar isoleringshållfastheten med en nivå.

Under oljepåfyllning, håll en vakuumnivå under 50 Pa i 12 timmar innan du startar. Oljepåfyllningshastigheten bör inte överstiga 1,5 ton per timme. Om hastigheten är för hög bör ett vakuumläckagetest utföras för att förhindra gasläckage i systemet. Att endast kontrollera vakuumnivån utan att kontrollera läckagegraden kan leda till missvisande resultat. Efter påfyllning, låt transformatorn stå i 72 timmar innan du utför oljeanalystester.

Genombrottsspänningen bör inte vara lägre än 60kV/2,5 mm.

Det tidigare påståendet 'dielektrisk förlust tanδ≤0,3%' är felaktigt: för ny mineralolja vid 90 ℃ är standardgränsen för dielektrisk förlustfaktor tanδ≤0,005 (0,5 %? Nej, det är 0,5 ‰, 0,005) . Ett värde på 0,3 % (0,003) är redan nära nivån för åldrad driftolja; ny olja borde fungera mycket bättre än så här.

Ytterligare specialtester (Inte obligatoriska krav i IEC 60076, men anpassade specialtester för detta ökenprojekt)

(1) Långtidssimulerat belastningstest med hög temperatur

Transformatorn, inklusive hela kylaren och kylsystemet, placeras i en miljötestkammare. Inloppsluftens temperatur inuti kammaren hålls vid ≥45℃, och transformatorn drivs kontinuerligt med 1,1 gånger den nominella belastningen i 72 timmar.

Under hela testprocessen övervakas den översta oljetemperaturen och lindningstemperaturen kontinuerligt. Hotspot-skyddsgränsen är satt till högst 120 ℃, och testet ska avslutas om gränsen överskrids.

Före och efter testet utförs följande inspektioner: partiell urladdning, oljeupplöst gasanalys (DGA), oljedielektrisk förlust och SFRA-lindningsdeformationsanalys.

Acceptanskriterier: Alla temperaturparametrar ska hållas inom konstruktionens tillåtna gränser. Ingen onormal gasgenerering ska upptäckas av DGA före och efter testet. Partiell urladdning ska inte visa någon signifikant ökning och ingen onormal lindningsdeformation ska upptäckas.

Förklaring: Det här testet verifierar den termiska marginalen under driftförhållanden vid höga temperaturer och förbättrar tillförlitligheten för drift med full belastning vid en omgivningstemperatur på 50 ℃. Det ändrar inte den märkkapacitet som anges på transformatorns märkskylt.

(2) Simulationstest för sand och dammförsegling

ISO 12103-1 A2 Arizona fint testdamm används. En förseglad sand- och dammkammare används för att simulera vindblåsta sandförhållanden, kombinerat med temperatur- och tryckandningscykler för att simulera oljetankens andningseffekt dag-natt. Testtiden är 2 timmar.

Efter slutförandet av testet demonteras och inspekteras alla tätningsområden inklusive flänsar, brunnar, ventiler, övertrycksventiler och andra komponenter.

De inre ytorna på flänsarna torkas och inspekteras. Inget damm tillåts komma in i tankens inre oljekammare. Kontinuerliga synliga dammackumuleringsfilmer är inte tillåtna på de inre tätningsytorna; endast extremt små mängder isolerat punktliknande flytdamm är acceptabla.

Efter testet upprepas partiellt utsläpp och oljeanalystester för att bekräfta att inget damm har kommit in i oljekammaren och förorenat isoleringssystemet.

Du säger att utrustningen förväntas överleva tjugo år i öknen. Är det verkligen överdrivet att lägga två extra dagar på att genomföra ytterligare tester?

9. Mellanösternprojektfall

Flera riktiga projekt:

Saudiarabiens östra provins petrokemiskt expansionsprojekt: Två enheter med 25 000 kVA/115 kV transformatorer. F-klass isolering, ONAF kylning, typ II mineralolja. Från juni 2022 fram till nu har de genomfört sin fjärde sommar. I juli förra året översteg temperaturen 50 ℃ kontinuerligt i 12 dagar, och den maximala toppoljetemperaturen nådde 87 ℃. Användarens driftchef sa: 'Din transformator är den enda större utrustningen på hela anläggningen som aldrig har utlöst ett temperaturlarm.'

Abu Dhabis fotovoltaiska kraftverksprojekt, UAE: En enhet med 40 000 kVA/33 kV transformator. H-klassisolering, OFAF- kylning och naturlig esterisoleringsolja. Den arbetar med full generation under dagen och nästan tom på natten, vilket resulterar i betydande belastningsfluktuationer. Vi konfigurerade ett OLTC-spänningsregleringsområde på ±12 %, med 1,5 % stegspänningsjustering. Transformatorn utför mer än tjugo automatiska spänningsjusteringar varje dag och har fungerat utan fel.

Qatar transformatorstation centraliserat upphandlingsprojekt: Sju transformatorer, från 5MVA till 20MVA. Levererat 2021 och i drift fram till nu har den totala tillgängligheten nått 99,87 %. Den enda avstängningen inträffade på grund av att en extern luftledning skadades av ett anläggningsfordon, som inte var relaterat till själva transformatorn.

10. Vanliga frågor och urvalsrekommendationer

Flera vanliga frågor:

Hur mycket dyrare är en ökentransformator jämfört med en standardtransformator?

Cirka 20% till 35%. Skälen är bland annat större värmeavledningsytor, högre isoleringsklasser, dyrare tätningskomponenter av fluorgummi och mer komplexa helt slutna oljetankstrukturer. Vanliga transformatorer kanske bara håller i 8 till 10 år i ökenmiljöer, medan vårt designmål är 25 till 30 år. Med ett genomsnitt över livslängden, vilken är egentligen mer ekonomisk?

Hur är det med leveranstiden?

För konventionella transformatorer under 20MVA är leveranstiden vanligtvis 90 till 100 dagar, cirka 15 dagar längre än standardprodukter. Den extra tiden krävs främst för extra testning. För brådskande projekt rekommenderas tidig kommunikation; den kortaste leveranstiden kan reduceras till cirka 75 dagar.

Finns det några särskilda krav för installation på plats?

Ja. Innan oljepåfyllning ska tankens insida spolas med torrt kväve för att avlägsna fukt som införts under transporten. Efter installation av kylaren ska tryckluft användas för att blåsa kylflänsarna från insidan till utsidan för att avlägsna ansamlat damm och sand. Dessa två steg kan minska den initiala driftstemperaturen med 3 till 5 ℃.

Hur levereras reservdelar?

Ett lager finns i Jebel Ali Free Zone, Dubai. Tätningsringar, oljenivåindikatorer, termometrar, övertrycksventiler och fläktmotorer kan levereras inom 48 timmar i de sex Gulfländerna. Stora komponenter skickas från Kina, med sjö-luft kombinerad transport som tar 7 till 10 dagar.

Furananalys gäller endast för cellulosapappersisolering (klass A, med mineraloljetransformatorer som huvudapplikationen).

För transformatorer som använder aramidpappersisolering (Klass H / Klass F): aramid genererar inte furanföreningar , därför är furanindikatorer inte tillämpliga och kan inte användas för att utvärdera aramidisoleringens åldrande.

Furan kan adsorberas. Om aktivt kolfiltrering eller oljeregenereringsbehandling tidigare har utförts kan furan avlägsnas, vilket resulterar i lägre uppmätta värden. Detta kan skapa det felaktiga intrycket att 'furannivåerna inte är höga, men pappersisoleringen har redan åldrats.'

En omfattande bedömning av flera parametrar krävs, inklusive:

• Furan innehåll

• Oljesyravärde

• Polymerisationsgrad (DP) — pappersprovtagning vid inspektion, vilket är den mest tillförlitliga metoden

• DGA-analys (CO, CO₂-innehåll)

• DC motstånd

• Dielektrisk förlust

Ett beslut bör aldrig fattas baserat på en enda furanindikator.

11. Om Zisheng Electric och teknisk support

Efter att ha pratat så mycket är slutsatsen faktiskt bara en mening.

Huruvida utrustning tål ökenmiljön beror inte på om en enskild aspekt är exceptionellt bra utförd. Det beror på om varje detalj har övervägts noggrant utan att kompromissa.

När material väljs korrekt, tester utförs noggrant och inga genvägar tas, kommer tillförlitlighet med tillförlitlighet.

Vi har arbetat på Mellanösternmarknaden i 13 år och levererat 40 till 50 enheter varje år. Vi är inte den billigaste leverantören, men vårt rykte har byggts upp genom det ena projektet efter det andra och en transformator efter den andra.

Våra produkter täcker oljenedsänkta transformatorer, transformatorer för transformatorstationer, padmonterade transformatorer, stolpmonterade transformatorer, torr-typ transformatorer och annan kraftdistributionsutrustning . Vi innehar 22 bruksmodellpatent och 3 upphovsrätter för programvara , har godkänt ISO 9001 kvalitetsledningssystemcertifiering och uppfyller relevanta IEC- standardkrav.

vi kan tillhandahålla en första lösning inom 24 timmar , inklusive: val av utrustning、 beräkning av linjeförlust、uppskattning av investeringsavkastning

Trettio grader är en behaglig temperatur för människor. Femtio plusgrader är den temperatur vid vilken utrustning måste kämpa för att fortsätta fungera.

För projekt som står inför utmaningar vid val av utrustning, eller för utrustning som ofta upplever mindre problem under perioder med hög temperatur, vänligen kontakta oss direkt via vår officiella webbplats. Vårt tekniska team kommer att ge ett första svar inom 24 timmar.

Zisheng Electric. Född för extrema miljöer.