Проектна схема трансформатора для високотемпературних пустельних середовищ | Відповідає суворим вимогам IEC 60076 і 55 ℃ Близький Схід

Я інженер із команди проектувальників трансформаторів компанії Zisheng Electric і маю багаторічний досвід проектування трансформаторів для особливих умов. Сьогодні я хотів би провести практичну дискусію з нашими клієнтами та друзями з Близького Сходу — у такій спекотній пустелі, як насправді мають бути розроблені трансформатори?

1. Чому високотемпературне середовище в пустелі вимагає спеціальної конструкції трансформатора?

Давайте спочатку подивимося на дані.

У східній провінції Саудівської Аравії екстремальна максимальна температура повітря досягла 53,5℃. Температура поверхні землі? 79,8 ℃. Абу-Дабі в ОАЕ трохи краще: температура повітря 52,8 ℃ і температура поверхні землі 76,5 ℃. Кувейт і Катар схожі. Річна кількість днів піщаної бурі становить 28 днів у Саудівській Аравії та 35 днів у Кувейті. Максимальна денна різниця температур може сягати 28-30℃.

Наведені нижче дані базуються на загальнодоступній метеорологічній інформації, а також на фактичних умовах навколишнього середовища на місці, зібраних із кількох проектів на Близькому Сході, у яких ми брали участь.

Дивлячись на ці цифри, стає зрозуміло, що трансформатори, розроблені для звичайних умов навколишнього середовища, можуть відчувати недостатні запаси підвищення температури та прискорене старіння ізоляції в умовах постійної високої температури та сильного пилу.

2. Вплив температури навколишнього середовища 55 ℃ на трансформатори

Це ще не кінець історії. При підвищенні температури повітря щільність повітря зменшується. При 45 ℃ щільність повітря приблизно на 8% нижча, ніж при 20 ℃. Яким би потужним не був радіатор, тепло не може ефективно відводитися, коли повітря стає рідшим. Крім того, коли пісок і пил накопичуються на ребрах охолодження, ефективність розсіювання тепла буде продовжувати знижуватися.

Звичайні ущільнювальні компоненти з нітрилового каучуку можуть затвердіти, старіти та знизити ефективність ущільнення внаслідок тривалого впливу високих температур, ультрафіолетового випромінювання, піску та пилу. Може виникнути витік масла, рівень масла може впасти, а відкриті обмотки можуть постраждати від проникнення вологи та окислення. Скільки років ще може працювати таке обладнання?

Крім того, є питання про пісок і пил. Електропровідний пил може накопичуватися на поверхні ізоляційних компонентів. У сухих умовах вплив може бути обмеженим, але коли конденсація відбувається вранці та ввечері, може розвинутися поверхневий розряд. У важких випадках може статися спалах втулки, що призведе до прямого відключення.

Тому недостатньо просто перевезти стандартний трансформатор у пустелю та запустити його в експлуатацію. Конструкція вимагає серйозних змін.

3. IEC 60076-7 Термічне старіння та контроль температури гарячих точок

IEC 60076-7 вводить правило шести градусів. Що це означає? Згідно з моделлю термічного старіння IEC 60076-7 , термін служби ізоляції значно зменшується зі збільшенням температури гарячої точки обмотки . У інженерній практиці для оцінки зазвичай використовується емпіричне співвідношення підвищення температури приблизно на 8 К, що відповідає зменшенню терміну служби ізоляції вдвічі. За температури навколишнього середовища 55 ℃ температура гарячої точки обмотки може швидко наблизитися до 110 ℃ або навіть вище. Якщо температура гарячої точки залишається вище проектної межі протягом тривалого часу, старіння ізоляції значно прискорюється.

4. Проект охолодження в пустельних середовищах Близького Сходу

Спочатку поговоримо про площу тепловіддачі.

У звичайних конструкціях зазвичай використовується від 0,8 до 1,2 квадратних метрів площі розсіювання тепла на кіловат втрат, що підходить для помірного клімату. Для умов експлуатації на Близькому Сході ми безпосередньо збільшуємо це значення до 1,8–2,3 квадратних метрів на кіловат.

Давайте розглянемо реальний розрахунок. У проекті підстанції в Катарі використовувався трансформатор потужністю 20 000 кВА, 132 кВ. Загальні втрати склали 142 кВт. Температура навколишнього середовища вважалася рівною 50 ℃, а допустима температура верхнього масла була встановлена ​​на 95 ℃, а не робоча температура, близька до 105 ℃, залишаючи додатковий проектний запас.

Необхідна площа тепловіддачі:
S = 142000 / (10 × 45) ≈ 316 м⊃2;

Остаточний проект використовував 338 м⊃2;, що забезпечує додатковий запас на 7%. Ширина радіатора була збільшена з 480 мм до 600 мм, а відстань між ребрами збільшено з 50 мм до 70 мм. чому Тому що пісок і пил рідше накопичуються в щілинах, а потік повітря їх легко видаляє.

У масляному баку використовується повністю герметична гофрована стінка. Гофрована стінка забезпечує розсіювання тепла, а також поглинає теплове розширення та стиснення масла через пружну деформацію гофрованих пластин. Немає необхідності в сапуні для всмоктування зовнішнього повітря.

Таким чином ізоляційне масло ізольовано від зовнішнього середовища. Волога не може проникнути, пісок і пил не можуть потрапити, а якість масла може залишатися стабільною більше десяти років.

5. Вибір методу охолодження: ONAN, ONAF, OFAF

Щодо методу охолодження я надам довідкову таблицю.

Клієнт з Оману мав трансформатор 12,5 МВА. Спочатку хотіли заощадити на установці вентиляторів. Я попросив їх розрахувати фактичний вплив від експлуатації. Протягом найспекотніших трьох місяців без вентиляторів температура масла у верхній частині була на 13-15 градусів вищою, ніж під час роботи вентиляторів. Відповідно до моделі старіння IEC, тривала робота при підвищених температурах значно збільшує швидкість старіння ізоляції та зменшує розрахунковий запас ресурсу обладнання. Пізніше вони змінили конструкцію, і трансформатор без проблем працює більше чотирьох років.

6. Захист від піску, пилу, вологи та ущільнення

Захист від піску та пилу — ущільнювальні стрічки є лише основним заходом.

Усі зовнішні інтерфейси повинні бути обладнані пилозахисними кришками. Жалюзійні кришки, встановлені на зовнішніх радіаторах і вентиляторах, мають кут нахилу 35°. Цей кут підтверджено аналізом CFD. Він блокує пісок, зберігаючи втрати повітряного потоку в межах 6%. Виміряна ефективність перехоплення досягає 92%.

Клапан скидання тиску також повинен бути оснащений пиловим ковпачком. чому Оскільки пісок і пил можуть накопичуватися на диску клапана, заважаючи йому відкриватися належним чином, коли справді потрібне скидання тиску. Коли внутрішній тиск масляного бака підвищується, наслідки можуть варіюватися від деформації до, у важких випадках, розриву.

Розроблена нами двошарова структура складається із зовнішнього екрану з нержавіючої сталі 200 меш. Під час піщаної бурі отвори сітки можуть поступово забиватися дрібним піском; з часом ефективна площа потоку вихлопних газів продовжує зменшуватися, внаслідок чого протитиск під час скидання тиску при несправності поступово зростає. Внутрішня мембрана з ПТФЕ блокує дрібні частки, тоді як 5-міліметрова порожнина зарезервована між шарами як буферна зона.

шлях витоку втулок . Слід збільшити Значення 4100 мм трохи нижче теоретичного мінімального значення 4495 мм для рівня забруднення класу IV IEC. Це посилена конфігурація, що наближається до вимог класу IV, але вона не повністю відповідає повній стандартній конфігурації IEC класу IV . Таким чином, у тендерній документації не повинно бути прямо записано «відповідає IV класу забруднення»; натомість у них має бути зазначено: «Розроблено відповідно до принципів забруднення IEC класу IV, із коефіцієнтом шляху витоку не менше 28,3 мм/кВ». Додано додаткові 800 мм. Хоча висота втулки збільшилася на 150 мм, навіть під час сильних піщаних бур, поверхнева напруга спалаху може витримувати суворі умови.

Для ущільнення компонентів використовується фторкаучук замість нітрильного каучуку.

Фторкаучук коштує втричі дорожче нітрильного каучуку. Чи воно того варте? Подивіться на проекти на Близькому Сході, які використовували нітрилові ущільнення протягом п’яти років. Коли настає весна, масло витікає зі з’єднань кришки, як від поту. Ремонтники цілий день очищають масло. Коли витрати на оплату праці, втрати нафти та втрати від відключення електроенергії поєднуються, додаткова різниця у вартості вже відшкодована.

7. Вибір ізоляційних матеріалів та ізоляційного масла

Для теплового класу ізоляції ми безпосередньо починаємо з класу F, 155 ℃. Для трансформаторів великої потужності ми використовуємо клас H, 180 ℃. Для проектів із температурою навколишнього середовища 55 ℃ зазвичай потрібен вищий клас теплоізоляції, щоб збільшити температурний запас гарячої точки .

Проект з опріснення морської води в Саудівській Аравії мав два трансформатори потужністю 37,5 МВА, і власник вказав, що класу H. . папір Nomex використовувався ізоляційний Це було дорого. Але вартість одного дня простою там склала три мільйони доларів США. Ці інвестиції варті того?

Вибір ізоляційного масла залежить від рівня напруги.

Для трансформаторів 35кВ і нижче використовується мінеральне ізоляційне масло. ASTM D3487 типу II, що забезпечує чудову стійкість до окислення; мінеральне масло з інгібіторами Вибрано температура спалаху відкритої чашки становить не менше 155 ℃. Основна відмінність типу I від типу II полягає у вмісті антиоксидантних добавок. Тип II більше підходить для тривалої експлуатації в пустельних високотемпературних середовищах, допомагаючи уповільнити утворення осаду та підвищення кислотного числа.

Для трансформаторів напругою 66 кВ і вище, де це дозволяє бюджет і вимоги до пожежної безпеки та навколишнього середовища вищі, ізоляційну оливу з натуральних ефірів (IEC 62770) . можна вибрати Він класифікується як менш займиста рідина класу K відповідно до стандарту IEC 61100 з температурою займання не нижче 300 ℃. Природний складний ефір має набагато більшу розчинність у воді, ніж мінеральне масло, що сприяє уповільненню термічного старіння целюлозної ізоляції та забезпечує відмінну здатність до біологічного розкладання.

Для критичних навантажень — лікарень, аеропортів і центрів обробки даних — синтетичний ефір є найнадійнішим вибором. Це просто дорожче.

Щільність магнітного потоку контролюється нижче 1,55 Тл. Деякі конструкції підвищують його до 1,7 т. Ми використовуємо більш консервативний підхід. Зменшення щільності магнітного потоку збільшує вагу сердечника приблизно на 7–12%, що означає збільшення вартості кремнієвої сталі на кілька десятків тисяч юанів. Однак це ядро ​​працює на кілька градусів холодніше, ніж конструкція з високою щільністю потоку за умов навколишнього середовища 50 ℃. Холодніша серцевина також сприяє навколишнім обмоткам.

8. Заводські випробування та перевірка надійності в польових умовах

Фактичні вимірювані дані пустельного трансформатора 20 000 кВА/132 кВ:

Основні моменти під час заводського нагляду:

Забезпечте одноточкове заземлення сердечника трансформатора та перевірте рівномірність повітряних зазорів. Деякі виробники поспішають з графіком виробництва та скорочують кути. Місцевий перегрів сердечника може досягати понад 70 ℃, і коли трансформатор покине завод, це неможливо виправити.

Вакуумна сушка повинна тривати більше 72 годин, при цьому витрата води повинна бути нижче 0,3%. Для блоків, завершених лише після 48 годин висихання, волога може бути видалена не повністю. Після введення в експлуатацію та нагріву волога знову може вивільнятися, знижуючи міцність ізоляції на один рівень.

Під час заливання масла підтримуйте рівень вакууму нижче 50 Па протягом 12 годин перед запуском. Швидкість заливки масла не повинна перевищувати 1,5 тонни на годину. Якщо швидкість надто висока, слід провести перевірку рівня витоку вакууму , щоб запобігти витоку газу в системі. Перевірка лише рівня вакууму без перевірки рівня витоку може призвести до оманливих результатів. Після заповнення дайте трансформатору постояти протягом 72 годин перед проведенням аналізу масла.

Напруга пробою не повинна бути нижче 60 кВ/2,5 мм.

Попереднє твердження 'діелектричні втрати tanδ≤0,3%' є неправильним: для нового мінерального масла при 90 ℃ стандартним обмеженням коефіцієнта діелектричного розсіювання є tanδ≤0,005 (0,5%? Ні, це 0,5‰, 0,005) . Значення 0,3% (0,003) вже близько до рівня старого робочого масла; нова олива має працювати набагато краще, ніж ця.

Додаткові спеціальні випробування (не обов’язкові вимоги IEC 60076, але спеціальні спеціальні випробування для цього проекту в пустелі)

(1) Високотемпературне тривале імітаційне навантаження

Трансформатор, включаючи повний радіатор і систему охолодження, поміщають у камеру для екологічних випробувань. Температура повітря на вході всередині камери підтримується на рівні ≥45 ℃, а трансформатор безперервно працює з навантаженням, що в 1,1 раза перевищує номінал, протягом 72 годин.

Протягом усього процесу випробування безперервно контролюються температура верхньої оливи та температура гарячої точки обмотки. Межа захисту гарячої точки встановлена ​​на рівні не більше 120 ℃, і випробування має бути припинено, якщо межа перевищена.

До та після випробування проводяться наступні перевірки відповідно: частковий розряд, аналіз розчиненого газу в маслі (DGA), діелектричні втрати масла та аналіз деформації обмотки SFRA.

Критерії прийнятності: усі температурні параметри повинні залишатися в межах проектно допустимих меж. DGA не повинен виявляти аномального газоутворення до та після випробування. Частковий розряд не повинен показувати значного збільшення, і не повинно бути виявлено аномальної деформації обмотки.

Пояснення: цей тест перевіряє термічний запас за умов експлуатації при високій температурі та покращує надійність роботи при повному навантаженні за температури навколишнього середовища 50 ℃. Це не змінює номінальну потужність, зазначену на заводській табличці трансформатора.

(2) Симуляційний тест на ущільнення від піску та пилу

Використовується дрібнодисперсний тестовий пил за стандартом ISO 12103-1 A2 Арізона. Герметична камера для піску та пилу використовується для імітації умов піску, що наноситься вітром, у поєднанні з циклами дихання температури та тиску для імітації ефекту дихання день-ніч масляного бака. Тривалість тесту 2 години.

Після завершення випробування всі зони ущільнення, включаючи фланці, люки, клапани, клапани скидання тиску та інші компоненти, демонтуються та перевіряються.

Внутрішні поверхні фланців протирають і оглядають. Не допускається потрапляння пилу у внутрішню масляну камеру бака. На внутрішніх ущільнювальних поверхнях не допускається суцільна видима плівка накопичення пилу; допустимі лише надзвичайно невеликі кількості окремого точкового плаваючого пилу.

Після випробування повторюють тести на частковий розряд і аналіз масла, щоб підтвердити, що пил не потрапив у масляну камеру та не забруднив систему ізоляції.

Ви кажете, що обладнання проживе двадцять років у пустелі. Невже зайве витрачати два додаткові дні на проведення додаткових тестів?

9. Близькосхідні проекти

Кілька реальних проектів:

Проект розширення нафтохімічної промисловості Східної провінції Саудівської Аравії: дві одиниці трансформаторів 25 000 кВА/115 кВ. Ізоляція класу F, охолодження ONAF , мінеральне масло типу II. З червня 2022 року і дотепер вони провели четверте літо. У липні минулого року температура безперервно перевищувала 50 ℃ протягом 12 днів, а максимальна температура нафти у верхній частині досягла 87 ℃. Операційний менеджер користувача сказав: 'Ваш трансформатор — єдине велике обладнання на всій ділянці, яке жодного разу не спрацьовує температурний сигнал'.

Проект фотоелектричної електростанції Абу-Дабі, ОАЕ: один блок трансформатора 40 000 кВА/33 кВ. Ізоляція класу H, охолодження OFAF та на основі натурального ефіру . ізоляційна олія Він працює на повній генерації вдень і майже без навантаження вночі, що призводить до значних коливань навантаження. Ми налаштували діапазон регулювання напруги РПН ±12%, з кроком регулювання напруги 1,5%. Трансформатор щодня здійснює більше двадцяти автоматичних регулювань напруги і працював без збоїв.

Проект централізованих закупівель підстанції в Катарі: сім трансформаторів потужністю від 5 МВА до 20 МВА. Поставлений у 2021 році та працює досі, загальна доступність досягла 99,87%. Єдине відключення відбулося через пошкодження зовнішньої повітряної лінії будівельною машиною, яка не мала відношення до самого трансформатора.

10. Загальні запитання та рекомендації щодо вибору

Кілька поширених запитань:

Наскільки дорожчий пустельний трансформатор порівняно зі стандартним?

Приблизно від 20% до 35%. Причини включають більшу площу розсіювання тепла, вищі класи ізоляції, дорожчі фторкаучукові ущільнювальні компоненти та більш складні повністю герметичні конструкції масляних баків. Однак звичайні трансформатори можуть прослужити лише від 8 до 10 років у пустельних умовах, тоді як наша проектна ціль – від 25 до 30 років. У середньому за терміном служби який із них насправді економічніший?

Що щодо часу доставки?

Для звичайних трансформаторів потужністю менше 20 МВА час доставки зазвичай становить від 90 до 100 днів, що приблизно на 15 днів довше, ніж стандартні продукти. Додатковий час в основному потрібен для додаткового тестування. Для термінових проектів рекомендується раннє спілкування; найкоротший термін доставки можна скоротити приблизно до 75 днів.

Чи є якісь особливі вимоги до монтажу на місці?

так Перед заливкою олії внутрішню частину цистерни слід продути сухим азотом, щоб видалити вологу, що увійшла під час транспортування. Після встановлення радіатора стисненим повітрям слід продути ребра радіатора зсередини назовні, щоб видалити накопичений пил і пісок. Ці два кроки можуть знизити початкову робочу температуру на 3–5 ℃.

Як постачаються запчастини?

Є склад у вільній зоні Джебель Алі, Дубай. Ущільнювальні кільця, індикатори рівня масла, термометри, запобіжні клапани та двигуни вентиляторів можуть бути доставлені протягом 48 годин у шість країн Перської затоки. Великі комплектуючі доставляються з Китаю, комбіноване транспортування морем і повітрям займає від 7 до 10 днів.

Аналіз фурану застосовується лише до ізоляції з целюлозного паперу (клас A, з трансформаторами на мінеральному маслі, які є основним застосуванням).

Для трансформаторів із арамідною паперовою ізоляцією (клас H / клас F): арамід не утворює фуранових сполук , тому індикатори фурану не застосовуються та не можуть використовуватися для оцінки старіння арамідної ізоляції.

Фуран може адсорбуватися. Якщо попередньо було проведено фільтрування активованим вугіллям або обробку регенерацією масла, фуран може бути видалений, що призведе до зниження виміряних значень. Це може створити хибне враження, що «рівень фурану не високий, але паперова ізоляція вже постаріла».

Потрібна комплексна багатопараметрична оцінка, включаючи:

• Вміст фурану

• Кислотне число олії

• Ступінь полімеризації (СП) — відбір зразків паперу при перевірці, що є найбільш надійним методом

• Аналіз DGA (вміст CO, CO₂)

• Опір постійному струму

• Діелектричні втрати

Рішення ніколи не повинно прийматися лише на основі одного показника фурану.

11. Про Zisheng Electric та технічну підтримку

Після стільки розмов, висновок – це лише одне речення.

Те, чи здатне обладнання витримати умови пустелі, не залежить від того, чи один аспект виконано виключно добре. Це залежить від того, чи кожна деталь була ретельно продумана без компромісів.

Якщо матеріали підібрано належним чином, випробування проведено ретельно та не використовуються короткі шляхи, надійність приходить із впевненістю.

Ми працюємо на ринку Близького Сходу 13 років, доставляючи від 40 до 50 одиниць щороку. Ми не найдешевший постачальник, але нашу репутацію створювали один проект за іншим і один трансформатор за іншим.

Наша продукція покриває масляні трансформатори, трансформатори підстанції, накладні трансформатори, опорні трансформатори, сухі трансформатори , і інше електророзподільне обладнання . Ми маємо 22 патенти на корисні моделі та 3 авторські права на програмне забезпечення , пройшли сертифікацію системи управління якістю ISO 9001 і відповідаємо відповідним IEC . вимогам стандарту

ми можемо надати початкове рішення протягом 24 годин , включаючи: вибір обладнання、 розрахунок втрат на лінії、 оцінку повернення інвестицій

Тридцять градусів – це комфортна температура для людей. П'ятдесят з лишком градусів - це температура, при якій обладнання має боротися, щоб продовжувати працювати.

Для проектів, які стикаються з проблемами вибору обладнання або для обладнання, яке часто має незначні проблеми під час періодів високих температур, зв’яжіться з нами безпосередньо через наш офіційний веб-сайт. Наша технічна команда надасть першу відповідь протягом 24 годин.

Zisheng Electric. Народжений для екстремальних умов.