Сухие трансформаторы с эпоксидной изоляцией и маслонаполненные: почему более высокий средний перегрев?

Сухие трансформаторы на основе эпоксидной смолы имеют более высокий средний перегрев из-за фундаментальных различий в охлаждающих средах и методах теплоотвода по сравнению с маслонаполненными трансформаторами. Проще говоря, воздух гораздо менее эффективно отводит тепло, чем трансформаторное масло.

В частности, следующие ключевые факторы способствуют этой разнице:

1. Значительная разница в эффективности охлаждающей среды

1.1 Естественная разница в теплопроводности

Это наиболее фундаментальная причина. Теплопроводность воздуха составляет примерно одну пятую от теплопроводности минерального масла, а его удельная теплоемкость менее половины теплоемкости масла. Это означает, что в одинаковых условиях воздух обладает гораздо более слабой способностью проводить и поглощать тепло. Следовательно, сухие трансформаторы могут полагаться только на конвекцию воздуха для охлаждения, тогда как маслонаполненные трансформаторы используют циркуляцию горячего масла для эффективной передачи тепла на стенку бака посредством конвекции, откуда оно затем рассеивается наружу.

1.2 Прямое отражение в стандартных пределах перегрева

Эта разница в эффективности охлаждения напрямую отражается в различных пределах перегрева, указанных в стандартах МЭК для двух типов трансформаторов. Возьмем в качестве примера наиболее часто используемый сухой трансформатор с изоляцией класса F  , его предел среднего перегрева обмотки составляет 100 К. В отличие от этого, маслонаполненный трансформатор с изоляцией класса A  имеет предел среднего перегрева обмотки 65 К.

Vziman Сухие распределительные трансформаторы серии SCB

Очевидно, что допустимый предел перегрева для сухих трансформаторов на самом деле ниже. Это точно отражает их более слабую способность к теплоотводу при использовании воздуха в качестве охлаждающей среды—чтобы гарантировать, что скорость теплового старения изоляционного материала остается контролируемой в течение длительного срока эксплуатации, стандарт должен налагать более строгие ограничения на его перегрев, тем самым защищая срок службы трансформатора.

2. Эффект «теплоизоляции» изоляционной структуры

Еще одной характеристикой сухих трансформаторов с обмотками, залитыми эпоксидной смолой, является то, что их обмотки высокого и низкого напряжения монолитно инкапсулированы в твердую массу эпоксидной смолы. Хотя эта конструкция обеспечивает такие преимущества, как влагостойкость и огнестойкость, она создает новую проблему для теплоотвода: тепло, выделяемое обмотками, должно сначала пройти через слой эпоксидной смолы—который не очень хорошо проводит тепло—прежде чем оно сможет достичь поверхности и быть унесенным воздухом. Этот процесс по сути оборачивает обмотки в «теплоизоляционную рубашку», что приводит к нескольким последствиям:

• Медленный тепловой отклик: Из-за относительно низкой теплопроводности и относительно высокой удельной теплоемкости смолы, перегрев в сухих трансформаторах изменяется медленнее, чем в маслонаполненных трансформаторах, при колебаниях нагрузки, и им требуется больше времени для достижения теплового равновесия.

• Неравномерное распределение температуры: Поскольку тепло имеет тенденцию накапливаться внутри и нелегко рассеивается, распределение температуры внутри сухих трансформаторов обычно более неравномерно, чем в маслонаполненных трансформаторах, с относительно более высокими температурами в наиболее нагретых точках.

Серия Vziman Герметичный маслонаполненный силовой трансформатор

3. Различные базовые концепции при разработке стандартов

Подходы к установлению пределов перегрева для двух типов трансформаторов по сути противоположны. Более низкий предел для сухих трансформаторов по своей сути является консервативной стратегией, принятой для защиты срока службы их изоляционной системы (эпоксидной смолы). Маслонаполненные трансформаторы, с другой стороны, выигрывают от использования масла в качестве высокоэффективной охлаждающей и изолирующей среды, поэтому стандарты позволяют им работать при более высоких температурах с сохранением стабильности.

4. Соображения по выбору трансформатора

При выборе типа трансформатора следует учитывать среду установки и условия охлаждения:

• Отдавать предпочтение сухим трансформаторам: Для установки в помещениях, подвалах, высотных зданиях или других зонах с ограниченной вентиляцией или высокой плотностью пребывания людей, где требования пожарной безопасности являются строгими. Поскольку они полагаются на воздушное охлаждение с ограниченной способностью к теплоотводу (предел среднего перегрева обмотки для изоляции класса F составляет 100 К), при выборе необходимо проверять вентиляционную способность, а при необходимости следует добавлять принудительное воздушное охлаждение.

Сухие трансформаторы Vziman (серия SCB) изготавливаются методом вакуумного литья из эпоксидной смолы, что обеспечивает огнестойкость, влагостойкость и необслуживаемый режим работы. Они оснащены интеллектуальной системой контроля температуры, которая отслеживает температуру в режиме реального времени, автоматически запускает/останавливает вентиляторы и формирует аварийные сигналы о перегреве. При принудительном воздушном охлаждении они могут непрерывно выдерживать нагрузку 120%–150%, что делает их идеальными для внутренних применений с высокими требованиями к надежности.

• Приоритет масляных трансформаторов: Для установки на открытых автономных площадках или на открытых, хорошо вентилируемых территориях, где может быть предусмотрена маслоприемная яма. Используя масло в качестве охлаждающей среды, они обладают высокой эффективностью теплоотдачи (предел среднего превышения температуры обмотки для изоляции класса A составляет 65K) и высокой перегрузочной способностью, что делает их подходящими для непрерывной работы при высоких нагрузках.

Масляные трансформаторы Vziman (серия S-M) имеют полностью герметичную гофрированную конструкцию бака, которая защищает от влаги и кислорода, замедляя старение изоляции и обеспечивая необслуживаемый режим работы. Сердечник изготовлен из листов электротехнической стали с низкими потерями, что обеспечивает низкие потери холостого хода, делая их идеальными для компактных открытых подстанций и применений, требующих долгосрочной экономической эффективности эксплуатации.

Краткие рекомендации по выбору: Для наружной установки, условий высоких нагрузок и строгих требований к контролю превышения температуры — выбирайте масляные трансформаторы (серия Vziman S-M). Для внутренней установки с высокими требованиями к пожарной безопасности и ограничениями по пространству — выбирайте сухие трансформаторы (серия Vziman SCB), при этом необходимо обеспечить реализацию усиленных мер охлаждения.

5. Резюме

Таким образом, более высокий предел превышения температуры сухих трансформаторов не обязательно означает, что они выделяют больше тепла. Скорее, это является совокупным результатом присущих ограничений охлаждения (использование воздуха в качестве среды) и структурных барьеров для теплоотдачи (инкапсуляция в эпоксидную смолу). Чтобы обеспечить приемлемый срок службы трансформатора в этой «теплоизолированной» среде, стандарт должен налагать более строгие ограничения на превышение температуры и оставлять запас на этапе проектирования.
Отредактировано из:Echo