Độ tăng nhiệt độ máy biến áp: Giới hạn, Hướng dẫn tính toán và làm mát

Tăng nhiệt độ máy biến áplà một trong những chi tiết kỹ thuật có thể trông đơn giản trên giấy tờ nhưng lại có ý nghĩa rất lớn khi vận hành thực tế. Mỗi máy biến áp đều tạo ra nhiệt khi được cấp điện và mang tải. Thách thức là làm sao thoát nhiệt một cách hiệu quả và giữ cho lõi, cuộn dây, lớp cách điện và dầu nằm trong phạm vi nhiệt độ thiết kế.

Điều này trở nên đặc biệt quan trọng với mộtmáy biến áp ngâm dầu. Dầu máy biến áp không chỉ cung cấp cách điện. Nó cũng mang nhiệt ra khỏi các bộ phận hoạt động và truyền vào bình chứa, bộ tản nhiệt và không khí xung quanh.

Vì vậy, khi các kỹ sư nói vềsự tăng nhiệt độ của máy biến áp ngâm dầu-, họ thực sự đang xem xét toàn bộ tổn thất máy biến áp - của hệ thống nhiệt, tuần hoàn dầu, thiết bị làm mát, điều kiện môi trường xung quanh, thiết kế bể chứa và tải thực tế.

Độ tăng nhiệt độ và nhiệt độ của máy biến áp

Đầu tiên, cần làm rõ một điểm chung:nhiệt độ máy biến ápVàtăng nhiệt độ máy biến ápkhông phải là điều tương tự.

Nhiệt độ máy biến áp là nhiệt độ thực tế của một bộ phận, chẳng hạn như cuộn dây, lớp dầu trên cùng, lõi hoặc thùng chứa. Nhiệt độ tăng lên làsự khác biệt giữanhiệt độ đó và nhiệt độ môi trường hoặc nhiệt độ tham chiếu quy định.

Nói một cách đơn giản:

Nhiệt độ máy biến áp=Nhiệt độ môi trường xung quanh + Độ tăng nhiệt độ

Ví dụ: nếu nhiệt độ môi trường xung quanh là 30 độ và mức tăng nhiệt độ-dầu trên cùng là 55 K thì nhiệt độ-dầu trên cùng xấp xỉ là 85 độ .

Tất nhiên, một máy biến áp thực sự không đơn giản như vậy. Các bộ phận khác nhau hoạt động ở nhiệt độ khác nhau. Nhiệt độ cuộn dây thường cao hơn nhiệt độ xung quanh dầu và một phần nhỏ của cuộn dây có thể nóng hơn nhiều so với nhiệt độ cuộn dây trung bình. Vùng có nhiệt độ-cao nhất này được gọi làđiểm nóng quanh co.

Đó là lý do tại sao thiết kế nhiệt của máy biến áp không chỉ xem xét một lần đọc nhiệt độ.

Tiêu chuẩn tăng nhiệt độ máy biến áp

Yêu cầu về mức tăng nhiệt độ-tùy thuộc vào tiêu chuẩn hiện hành, thiết kế máy biến áp, hệ thống cách điện, phương pháp làm mát và điều kiện vận hành.

IEC 60076-2cung cấp các yêu cầu đối với thử nghiệm-tăng nhiệt độ đối với máy biến áp ngâm-lỏng. cácIEEE C57loạt cũng được sử dụng rộng rãi, đặc biệt cho các ứng dụng máy biến áp ở Bắc Mỹ.

Đối với một dự án cụ thể, tốt hơn hết bạn nên kiểm tra tiêu chuẩn áp dụng và thông số kỹ thuật của dự án thay vì chỉ sao chép thông số nhiệt độ từ một máy biến áp khác.

Bảng giới hạn tăng nhiệt độ máy biến áp

Đối với các thiết kế máy biến áp ngâm trong chất lỏng-thông thường, các giá trị thường được tham chiếu từ IEC 60076-2 bao gồm:

Những số liệu này là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích nhưng chúng không nên được coi là giới hạn chung cho mọi máy biến áp. Các yêu cầu thực tế có thể khác nhau tùy thuộc vào chất lỏng cách điện, hệ thống cách điện, bố trí làm mát, thông số kỹ thuật của máy biến áp và tiêu chuẩn áp dụng.

Và còn một điểm nữa rất dễ bị bỏ qua:nhiệt độ tăng không phải là nhiệt độ tuyệt đối.

Bảng chỉ là một minh họa đơn giản. Nhiệt độ vận hành máy biến áp thực tế phụ thuộc vào tải, điều kiện làm mát, phân bổ nhiệt và thiết kế nhiệt của nhà sản xuất.

Thực hành máy biến áp của IEEE cũng phân biệt giữa các thiết kế có độ tăng nhiệt độ cuộn dây trung bình khác nhau, bao gồm cả những thiết kế thường được sử dụng.55 độVà65 độthiết kế cho máy biến áp ngâm trong dầu-dầu{1}}khoáng chất. Vì vậy, một lần nữa, dữ liệu kỹ thuật được đảm bảo của nhà sản xuất phải là tài liệu tham khảo cuối cùng cho một dự án cụ thể.

Lão hóa vật liệu cách nhiệt và tăng nhiệt độ

Nhiệt độ có ảnh hưởng trực tiếp đến sự lão hóa cách điện của máy biến áp.

Khi vật liệu cách nhiệt hoạt động ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, quá trình lão hóa của nó thường tăng tốc. Cả chất cách điện rắn và dầu cách điện đều có thể bị ảnh hưởng bởi ứng suất nhiệt liên tục.

cácđiểm nóng quanh cođáng được quan tâm đặc biệt. Một máy biến áp có thể có nhiệt độ cuộn dây trung bình chấp nhận được trong khi một khu vực cục bộ đang hoạt động nóng hơn đáng kể.

Thiết kế máy biến áp tốt sẽ cố gắng kiểm soát những điểm nóng này. Hình dạng cuộn dây, đường dẫn{1}}dầu phù hợp, lựa chọn dây dẫn và công suất làm mát đều đóng một vai trò quan trọng.

Nhiệt độ môi trường trung bình có trọng số

Nhiệt độ môi trường xung quanhlà một yếu tố khác không nên bỏ qua.

Một máy biến áp hoạt động ở cùng mức tăng nhiệt độ rõ ràng sẽ có nhiệt độ tuyệt đối cao hơn khi lắp đặt trong môi trường nóng.

Điều này đặc biệt có liên quan ở các vùng nhiệt đới, các trạm biến áp khép kín và các cơ sở công nghiệp nơi nhiệt độ xung quanh có thể duy trì ở mức cao trong thời gian dài.

Các kỹ sư có thể cần xem xét nhiệt độ theo mùa, độ cao lắp đặt, hệ thống thông gió, bức xạ mặt trời và các thiết bị gần đó.

Nói cách khác, cùng một máy biến áp có thể hoạt động hoàn toàn khác nhau trong hai môi trường lắp đặt ngay cả khi mức tăng nhiệt độ định mức là giống nhau.

Máy biến áp sưởi ấm và làm mát

Máy biến áp tạo ra nhiệt chủ yếu thông quaTổn hao lõi, tổn hao cuộn dây và tổn hao tải tạp tán.

Tổn hao lõi chủ yếu liên quan đến hiện tượng trễ và dòng điện xoáy trong lõi từ. Tổn hao cuộn dây chủ yếu liên quan đến điện trở dây dẫn, trong khi tổn hao tản bổ sung có thể xảy ra trong cuộn dây, thành thùng, kẹp và các thành phần kim loại khác.

Đối với máy biến áp-ngập trong dầu, đường truyền nhiệt-cơ bản trông như thế này:

Lõi và cuộn dây → dầu biến áp → bình chứa/bộ tản nhiệt → không khí xung quanh

Khi máy biến áp đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt, nhiệt sinh ra bên trong nó gần như cân bằng với nhiệt thoát ra bên ngoài.

Phương pháp tản nhiệt máy biến áp

Một số cơ chế truyền nhiệt-hoạt động cùng nhau bên trong máy biến áp.

Đối với máy biến áp nhỏ hoặc vừa, làm mát tự nhiên có thể là đủ. Tuy nhiên, khi công suất máy biến áp tăng lên, lượng nhiệt cần loại bỏ cũng tăng theo. Đó là lúc các dàn tản nhiệt, quạt, máy bơm hoặc hệ thống tuần hoàn dầu trực tiếp lớn hơn phát huy tác dụng.

Phương pháp làm mát máy biến áp

Một số cách bố trí làm mát thường được sử dụng cho-máy biến áp ngâm trong dầu.

Làm mát ONAN vẫn là một lựa chọn phổ biến vì nó tương đối đơn giản và đáng tin cậy. Có ít bộ phận phụ trợ cần bảo trì hơn, đây là một lợi thế thực sự trong nhiều hệ thống lắp đặt.

Đối với các máy biến áp lớn hơn có thể lắp thêm quạt để tăng khả năng làm mát. Máy biến áp điện rất lớn có thể sử dụng-sự tuần hoàn dầu cưỡng bức để mang lại khả năng truyền nhiệt được kiểm soát tốt hơn.

Làm nóng và làm mát dầu-Máy biến áp nhúng

Dầu biến thếlà trung tâm của hệ thống nhiệt trong máy biến áp{0}ngúng trong dầu.

Khi lõi và cuộn dây tạo ra nhiệt, lớp dầu xung quanh sẽ trở nên ấm hơn. Dầu ấm trở nên loãng hơn và di chuyển lên trên một cách tự nhiên, trong khi dầu mát hơn sẽ di chuyển xuống dưới. Điều này tạo ra sự lưu thông bên trong máy biến áp.

Đó thực chất là cách hoạt động của hệ thống làm mát ONAN.

Dầu được làm nóng cuối cùng sẽ đến thùng chứa vàbộ tản nhiệt, nơi nhiệt của nó được truyền vào không khí xung quanh.

Tải máy biến áp có ảnh hưởng lớn đến quá trình này. Tổn hao cuộn dây xấp xỉ tỷ lệ với bình phương dòng điện:

PC ∝ I²

Điều đó có nghĩa là sự gia tăng tương đối khiêm tốn của dòng điện có thể dẫn đến sự gia tăng tổn thất cuộn dây lớn hơn nhiều.

Đây là một so sánh đơn giản. Tổn thất thực tế của máy biến áp phức tạp hơn vì điện trở của dây dẫn thay đổi theo nhiệt độ và xuất hiện thêm tổn thất tản mát.

Tuy nhiên, thông điệp vẫn khá rõ ràng: tình trạng quá tải kéo dài có thể nhanh chóng trở thành vấn đề về nhiệt.

Độ tăng nhiệt độ của dầu-Cuộn dây máy biến áp ngâm trong nước

cácsự tăng nhiệt độ của dầu-cuộn dây máy biến áp ngâm trong dầulà một trong những thông số quan trọng trong thiết kế nhiệt máy biến áp.

Nhiệt độ cuộn dây bị ảnh hưởng bởi vật liệu dây dẫn, điện trở cuộn dây, mật độ dòng điện, hình dạng cuộn dây, kênh-dòng dầu, cách bố trí cách điện, phương pháp làm mát và tải.

Nhiệt độ cũng không được phân bổ đều khắp cuộn dây. Một số khu vực đương nhiên sẽ nóng hơn những khu vực khác và vị trí-có nhiệt độ cao nhất sẽ trở thành điểm nóng quanh co.

Một mối quan hệ đơn giản hóa là:

-nhiệt độ điểm nóng=Nhiệt độ môi trường + đỉnh-dầu tăng + cuộn dây-đến-gradien nhiệt độ dầu

Việc tính toán thực tế phức tạp hơn và phụ thuộc vào thiết kế máy biến áp và tiêu chuẩn áp dụng.

Phương pháp tính toán kỹ thuật đối với lưu lượng dầu và độ tăng nhiệt độ trong cuộn dây

Các kỹ sư có thể đánh giá lưu lượng dầu máy biến áp và nhiệt độ cuộn dây bằng cách sử dụng các phép tính phân tích, mô hình nhiệt và đối với các máy biến áp lớn hơn hoặc phức tạp hơn, động lực học chất lỏng tính toán (CFD).

Một số thông số chính bao gồm:

Thiết kế-dòng dầu tốt là rất quan trọng. Nếu dầu không lưu thông bình thường qua cuộn dây, các điểm nóng cục bộ có thể phát triển ngay cả khi nhiệt độ tổng thể của máy biến áp có vẻ chấp nhận được.

Đối với các máy biến áp công suất lớn, phân tích CFD có thể giúp các kỹ sư xác định dòng dầu không đồng đều, độ dốc nhiệt độ và các vị trí-điểm nóng tiềm ẩn trước khi sản xuất máy biến áp.

Tản nhiệt của thùng dầu máy biến áp

Thùng dầu máy biến áp không chỉ là nơi chứa dầu. Nó cũng là một phần của hệ thống làm mát.

Sau khi hấp thụ nhiệt từ lõi và cuộn dây, dầu sẽ truyền nhiệt đó vào thành bể. Bề mặt bể sau đó sẽ thải nhiệt ra môi trường xung quanh.

Máy biến áp lớn hơn thường yêu cầu bộ tản nhiệt để cung cấp thêm diện tích truyền nhiệt.

Tản nhiệt đối lưu

Đối lưu là một trong những cách chính mà máy biến áp giải phóng nhiệt.

Khi bề mặt bể trở nên ấm hơn không khí xung quanh, không khí gần đó nóng lên, trở nên loãng hơn và bốc lên. Không khí mát hơn sau đó di chuyển về phía bề mặt bể.

Điều này tạo ra sự lưu thông không khí tự nhiên và mang nhiệt ra khỏi máy biến áp.

Với khả năng làm mát bằng không khí-bắt buộc, quạt sẽ tăng luồng không khí qua các bề mặt của bộ tản nhiệt. Điều này đặc biệt hữu ích khi máy biến áp hoạt động ở mức tải cao.

bức xạ

Bể biến áp và bộ tản nhiệt cũng giải phóng nhiệt thông qua bức xạ nhiệt.

Lượng nhiệt tỏa ra phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt, độ phát xạ, diện tích tiếp xúc và các điều kiện xung quanh.

Bức xạ không hoạt động một mình. Trong thực tế, bức xạ và đối lưu hoạt động cùng nhau và cả hai đều góp phần vào sự tản nhiệt tổng thể của máy biến áp.

Nhiệt độ tăng của thùng dầu biến áp hình ống

Thùng dầu máy biến áp hình ống sử dụng cấu trúc hình ống để tăng diện tích truyền nhiệt-bên ngoài.

Đường dẫn nhiệt cơ bản vẫn là:

Bộ phận hoạt động → dầu → bể hình ống → không khí xung quanh

Bề mặt làm mát lớn hơn có thể cải thiện khả năng tản nhiệt, đặc biệt đối với các máy biến áp được làm mát tự nhiên.

Sự tăng nhiệt độ của thùng dầu máy biến áp hình ống phụ thuộc vào tải của máy biến áp, sự tuần hoàn dầu, kích thước ống, khoảng cách ống, nhiệt độ môi trường và luồng không khí xung quanh thùng.

Do đó, bể chứa phải được thiết kế như một phần của hệ thống nhiệt hoàn chỉnh, cùng với lõi, cuộn dây, đường dẫn dầu, bộ tản nhiệt và không khí xung quanh.

Tại sao nhiệt độ máy biến áp tăng lại quan trọng

Tại sao phải dành quá nhiều thời gian để thảo luận về sự gia tăng nhiệt độ? Vì nó có mối liên hệ trực tiếp vớituổi thọ cách điện, khả năng tải của máy biến áp, hiệu suất làm mát, độ tin cậy và tuổi thọ sử dụng.

Hoạt động lâu dài ở nhiệt độ quá cao có thể đẩy nhanh quá trình lão hóa lớp cách nhiệt và tăng nguy cơ hư hỏng do nhiệt. Mặt khác, một hệ thống làm mát quá khổ có thể làm tăng thêm chi phí thiết bị không cần thiết và tiêu thụ điện năng phụ trợ.

Mục tiêu không chỉ đơn giản là làm cho máy biến áp mát nhất có thể. Kỹ thuật tốt là tìm ra sự cân bằng phù hợp giữa sinh nhiệt, tản nhiệt, hiệu suất, chi phí, độ tin cậy và đặc tính tải thực tế.

Việc lắp đặt hệ thống điện hiện đại cũng đáng được quan tâm nhiều hơn. Trung tâm dữ liệu, bộ truyền động-tần số biến đổi, bộ chuyển đổi năng lượng-tái tạo, hệ thống sạc xe điện và các tải điện tử-năng lượng khác có thể tạo ra dòng điện hài. Những dòng điện này có thể làm tăng thêm tổn thất máy biến áp và góp phần làm nóng máy.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự tăng nhiệt độ máy biến áp

Khi chọn hoặc chỉ định một-máy biến áp ngâm dầu, bạn nên xem xét môi trường vận hành hoàn chỉnh thay vì tập trung vào một con số nhiệt độ.

Phần kết luận

Tăng nhiệt độ máy biến áplà một phần cơ bản của thiết kế, thử nghiệm và vận hành máy biến áp. Nó mô tả mức độ nóng hơn của một bộ phận máy biến áp so với nhiệt độ môi trường tham chiếu và nó cung cấp một dấu hiệu hữu ích về hiệu quả của hệ thống nhiệt của máy biến áp.

Đối với mộtmáy biến áp ngâm dầu, nhiệt do lõi và cuộn dây tạo ra được truyền đến dầu cách điện, truyền qua hệ thống làm mát, truyền đến bể chứa và các bộ tản nhiệt, cuối cùng được giải phóng thông qua sự đối lưu và bức xạ.

cácsự tăng nhiệt độ của máy biến áp ngâm dầu-phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tải máy biến áp, nhiệt độ môi trường, thiết kế cuộn dây, tuần hoàn dầu, phương pháp làm mát, kết cấu bể chứa và khu vực truyền nhiệt-có sẵn.

Điểm nóng cuộn dây đáng được quan tâm đặc biệt vì hiện tượng quá nhiệt cục bộ có thể làm tăng tốc độ lão hóa cách điện ngay cả khi nhiệt độ trung bình vẫn nằm trong giới hạn chấp nhận được.

Đối với các nhà sản xuất máy biến áp nhưMáy biến áp YaweiDo đó, thiết kế nhiệt là một phần thiết yếu của kỹ thuật sản phẩm. Cấu hình cuộn dây,-đường dẫn dầu, phân bổ tổn hao, thiết kế bộ tản nhiệt, thiết bị làm mát và kiểm tra độ tăng nhiệt độ- đều cần phải phối hợp với nhau.

Khi chỉ định một máy biến áp, luôn kiểm tra các thông số áp dụngTiêu chuẩn IEC 60076 hoặc IEEE C57, yêu cầu của dự án, hệ thống cách nhiệt, bố trí làm mát, điều kiện môi trường xung quanh và dữ liệu kỹ thuật được đảm bảo của nhà sản xuất. Các giá trị như60K, 65K, 70K và 78Klà các giá trị tăng nhiệt độ tham chiếu-trong các điều kiện xác định, không phải là giới hạn nhiệt độ-hoạt động chung cho mọi máy biến áp.

Cuối cùng, thiết kế tản nhiệt tốt có nguyên tắc khá đơn giản: tạo ra ít nhiệt không cần thiết hơn, di chuyển nhiệt hiệu quả, kiểm soát các điểm nóng và đảm bảo máy biến áp có thể xử lý-tải thực tế mà nó sẽ thấy.

Liên hệ ngay