Почему охлаждение трансформаторов необходимо - подробная техническая перспектива

1. Введение

Трансформаторы являются одним из наиболее важных компонентов в электроэнергии. Они молча работают в подстанциях, заводах и сети передачи, повышают напряжения вверх или вниз, чтобы обеспечить безопасное и эффективное распределение мощности.
Несмотря на отсутствие движущихся частей, трансформаторы не содержат технического обслуживания; Одной из их самых больших проблем является управление тепла. Без адекватного охлаждения их надежность, эффективность и продолжительность жизни строго скомпрометированы.

2. Источники тепла в трансформаторах

2.1 Потеря меди (потери I²R)
Когда ток протекает через обмотки, электрическое сопротивление проводников вызывает нагрев джоула:

Пропорционально квадрату тока нагрузки.

Основной вклад в отопление в условиях тяжелой нагрузки.

2.2 Основные потери

Даже когда трансформатор разгружается, чередовый магнитный поток в ядре создает тепло.

Потери гистерезиса
Из -за молекулярного трения в качестве магнитных доменов выравниваются и перестраиваются с каждым циклом переменного тока.

Вихревые текущие потери
Индуцированные циркулирующие токи в ламинированном стальном ядре вызывают резистивное нагревание.
Минимизирован с помощью тонких изолированных ламинаций.

2.3 бездомные потери

Поток утечки индуцирует токи в металлических частях, отличных от обмоток и ядра, создавая дополнительное локальное отопление.

3. Почему чрезмерная жара опасна

3.1 Старение изоляции

Трансформаторные обмотки изолированы такими материалами, как целлюлозная бумага и лак.

Закон о термическом старении (Правило Монтсингера): повышение в половинках рабочей температуры с сроком изоляции.

Перегретая изоляция становится хрупкой, что приводит к расщеплению диэлектрика.

3.2 Ухудшение масла

Нефть в трансформаторах с нефтьми:

Действует как охлаждающая жидкость.

Обеспечивает диэлектрическую изоляцию.

Растворяют газы, генерируемые разломами.

Чрезмерное тепло причина:

Разрыв молекул масла.

Образование ила и кислот.

Пониженная диэлектрическая прочность.

3.3 Структурное повреждение

Тепловое расширение и сокращение могут ослабить конструкции зажима, деформационные обмотки и привести к коротким замыканию.

3.4 эффективность падения

Сопротивление увеличивается с температурой:

Где α ≈ 0,004 / ° C для меди.
Это приводит к более высоким потерям и большему количеству тепла-цикл самоотверждения.

4. Требования к охлаждению в дизайне трансформатора

4.1 температурные ограничения
Стандарты (IEC 60076, IEEE C57) определяют допустимое повышение температуры:

Обмотка: обычно 65 ° C поднимается над окружающей средой.

Масло: обычно 55 ° C поднимается над окружающей средой.

4.2 Коэффициент производительности охлаждения
Конструкция охлаждения должна соответствовать номинальной нагрузке плюс возможности перегрузки, обеспечивая стабильную работу даже во время пикового спроса.

5. Методы охлаждения

6. Пример корпуса в реальном мире

В 2019 году трансформатор 220 кВ в мощности вышел из строя из -за неадекватного охлаждения после сбоя вентилятора. Внутренняя температура обмотки превысила 140 ° C, что привело к:

Полный разрыв изоляции.

Внутренние короткие замыкания.

Катастрофический нефтяной пожар.

Заменяли замену за 3 миллиона долларов и шесть месяцев отключения. Постанализ показал, что если бы избыточные поклонники охлаждения были в эксплуатации, можно было бы избежать перегрева.

7. Дизайн компромисс

Системы охлаждения добавляют затраты, сложность и потребности в техническом обслуживании. Инженеры должны сбалансировать:

Метод размера против охлаждения: больше охлаждения позволяет меньше сердечника трансформатора для того же рейтинга.

Шум: принудительное охлаждение добавляет акустический шум.

Надежность: избыточные вентиляторы/насосы повышают надежность, а также стоимость.

8. Заключение

Охлаждение не является дополнительной роскошью в дизайне трансформатора - это важная защита от неудачи.
Без этого:

Изоляция быстро ухудшается.

Нефть теряет изоляционные свойства.

Сопротивление обмотки увеличивается.

Трансформатор рискует катастрофическим сбоем.

Эффективное охлаждение обеспечивает длительный срок службы, безопасную эксплуатацию и надежный источник питания.