Как система охлаждения ONAN отводит тепло от силового трансформатора подстанции

Силовой трансформатор подстанции с системой охлаждения ONAN способен отводить значительное количество тепла без масляных насосов и вентиляторов. Его система охлаждения работает за счёт непрерывного пассивного цикла: изоляционное масло поглощает тепло от обмоток и магнитопровода, поднимается по внутренним каналам и отдаёт тепло через бак и радиаторы окружающему воздуху. Охладившись, масло возвращается к нижней части трансформатора.

Для технических специалистов, оценивающих оборудование, важно не только то, работает ли этот цикл. Важно, способен ли весь путь теплопередачи поддерживать температуру обмоток и масла в заданных пределах при фактической нагрузке, температуре окружающей среды и условиях установки. Понимание этого пути значительно упрощает оценку характеристик охлаждения, протоколов испытаний на нагрев и требований к месту установки.

Что означает ONAN и чего это обозначение не означает

ONAN означает Oil Natural Air Natural (естественная циркуляция масла, естественное охлаждение воздухом). Первая пара букв описывает внутреннюю охлаждающую среду и способ её циркуляции, вторая — внешнюю охлаждающую среду и её движение. В системе ONAN масло естественно циркулирует внутри трансформатора, а воздух естественно движется вокруг внешних охлаждающих поверхностей.

«Естественное» не означает, что отвод тепла происходит бесконтрольно или случайно. Внутренние каналы для масла, геометрия радиаторов, площадь охлаждающей поверхности и допустимые потери трансформатора проектируются совместно для достижения заданных тепловых характеристик.

ONAN — это обозначение системы охлаждения, а не полная спецификация трансформатора. Два трансформатора с одинаковыми напряжением и номиналом ONAN могут существенно различаться по потерям, превышению температуры, импедансу, системе изоляции, габаритам и пригодности для конкретного места установки.

Если трансформатор имеет обозначение ONAN/ONAF, на ступени ONAF используется принудительное воздушное охлаждение, обычно с помощью вентиляторов, при этом циркуляция масла остаётся естественной. Повышенный номинал применим только в заявленных рабочих условиях и при наличии необходимого оборудования охлаждения. Трансформатор, рассчитанный только на работу в режиме ONAN, не получает автоматически утверждённый повышенный номинал, если вентиляторы установить позднее.

Путь тепла от обмотки в атмосферу

Тепло возникает из-за электрических потерь

При подаче напряжения в магнитопроводе возникают потери холостого хода. Они зависят главным образом от условий возбуждения, в том числе от напряжения и частоты. Потери нагрузки возникают в обмотках и других токопроводящих компонентах; их активная составляющая увеличивается приблизительно пропорционально квадрату тока, а сопротивление также меняется с повышением температуры.

Поэтому даже небольшое увеличение тока может привести к гораздо большему росту тепловыделения в обмотках. Гармонические токи могут дополнительно увеличивать вихревые и дополнительные потери. При оценке оборудования для промышленных объектов и объектов возобновляемой энергетики следует анализировать профиль нагрузки и форму сигнала, а не только среднюю полную мощность.

Масло отводит тепло от внутренних поверхностей

Тепло проходит через изоляцию обмоток и другие твёрдые материалы в окружающее их масло. При нагревании плотность масла уменьшается. Возникающая подъёмная сила вызывает восходящий поток по доступным каналам вокруг обмоток и магнитопровода.

Более холодное и плотное масло перемещается в нижние части трансформатора, образуя циркуляционный контур. Это явление часто называют термосифонным эффектом. Его интенсивность зависит от разницы температур, высоты по вертикали, свойств масла и гидравлического сопротивления пути потока.

Внутренняя конструкция имеет значение, поскольку самая горячая область обмотки не обязательно лучше всего омывается маслом. Размеры каналов, распорные элементы, конструкция обмотки и локальное распределение потерь влияют на эффективность отвода тепла от критически важных участков.

Радиаторы передают тепло естественно движущемуся воздуху

Горячее масло поступает в верхнюю часть бака и, если предусмотрены радиаторы, направляется в них. Тепло переходит от масла к стенке радиатора, проходит через металл и передаётся окружающему воздуху. Охлаждённое масло возвращается через нижние соединения. Отвод тепла также происходит через стенки бака; в некоторых распределительных трансформаторах вместо отдельных блоков радиаторов используются гофрированные охлаждающие поверхности.

Воздух у тёплой поверхности нагревается, становится менее плотным и поднимается. Снизу его замещает более холодный воздух. Тепловое излучение также способствует отводу тепла наружу, хотя его доля зависит от температуры и покрытия поверхности, а также от окружающих условий.

Таким образом, полный путь охлаждения выглядит следующим образом: обмотки и магнитопровод → изоляция и масло → металл бака или радиатора → окружающий воздух. Ограничение на любом участке этого пути может привести к повышению рабочей температуры.

Почему одного большого радиатора недостаточно для оценки

Полезная упрощённая зависимость имеет вид Q ≈ U × A × ΔT, где Q — отводимое тепло, U — общий коэффициент теплопередачи, A — эффективная площадь охлаждения, а ΔT — разность температур, обеспечивающая теплопередачу. Эта зависимость помогает понять принцип проектирования, но её недостаточно для расчёта номинальной мощности трансформатора.

Как правило, увеличение площади охлаждения помогает. Однако слишком плотное расположение поверхностей может препятствовать естественному движению воздуха, а дополнительная внешняя площадь не способна полностью компенсировать недостаточное охлаждение участка обмотки. Аналогично, повышение температуры масла увеличивает разность температур, доступную для отвода тепла, но уменьшает тепловой запас и может ускорить старение изоляции.

Естественная циркуляция также зависит от вязкости масла. При низких температурах вязкость повышается, что увеличивает сопротивление потоку. Проектировщикам необходимо учитывать это вместе с низкотемпературными свойствами изоляционной жидкости, а также предполагаемыми условиями включения и нагрузки.

Вывод для закупки прост: размеры радиатора полезны при осмотре, но более убедительным подтверждением способности отводить тепло служат испытания на нагрев и обоснованный тепловой проект.

Какие температуры важны для силового трансформатора подстанции с охлаждением ONAN

Разные температурные показатели отвечают на разные вопросы. Если считать их взаимозаменяемыми, можно не заметить тепловую проблему.

Также необходимо различать превышение температуры и абсолютную температуру. При одинаковом превышении температуры над окружающей средой абсолютная температура изоляции в жаркий день будет выше, чем в прохладный. Поэтому допустимая нагрузка зависит как от тепловых характеристик трансформатора, так и от условий окружающей среды.

Масло и твёрдая изоляция обладают тепловой инерцией, поэтому их температура не меняется мгновенно при изменении нагрузки. Допустимую кратковременную нагрузку можно оценивать иначе, чем длительную, но тепловая инерция не даёт основания для перегрузки без инженерной оценки.

Как читать стандарты и протоколы испытаний, не делая необоснованных выводов

Для трансформаторов, погружённых в жидкость и специфицированных по практике IEC, IEC 60076-2 устанавливает требования к превышению температуры, а IEC 60076-7 содержит рекомендации по нагрузке для силовых трансформаторов с минеральным маслом. В практике IEEE обычно применимы IEEE C57.12.00, IEEE C57.12.90 и IEEE C57.91, относящиеся соответственно к требованиям, испытаниям и рекомендациям по нагрузке. Всегда необходимо указывать применимую редакцию стандарта и контрактные требования.

Не существует единого значения превышения температуры, которое можно безоговорочно применять ко всем трансформаторам ONAN. Предельные значения и методы оценки зависят от указанного стандарта, системы изоляции, охлаждающей среды и условий эксплуатации. Рекомендации по нагрузке для минерального масла не следует без проверки переносить на другую изоляционную жидкость.

При проверке тепловых данных обратите внимание на следующее:

• Основание испытаний: Какие номинал, положение переключателя ответвлений, потери и конфигурация охлаждения использовались при испытаниях?
• Система охлаждения: Соответствовала ли конфигурация радиаторов при испытаниях поставляемому оборудованию?
• Результаты измерений: Чётко ли указаны превышение температуры масла в верхней части бака и среднее превышение температуры обмоток с учётом необходимых поправок?
• Оценка температуры наиболее нагретой точки: Была ли она рассчитана, подтверждена в ходе проверки проекта или измерена встроенными датчиками?
• Применимость к месту установки: Соответствуют ли проекту исходные данные по температуре окружающей среды, высоте над уровнем моря, корпусу и нагрузке?

Заявление о соответствии — это отправная точка. Для ответственного применения на подстанции запросите соответствующие протоколы испытаний и уточните, относятся ли они к поставляемому устройству или к принятой репрезентативной конструкции.

Условия установки могут ухудшить работу даже правильно спроектированного трансформатора

Трансформатору ONAN необходим доступ к более холодному воздуху и свободный путь для отвода нагретого воздуха. Близко расположенные стены, акустические барьеры, установленное с малым интервалом оборудование или защитные кожухи могут ограничивать циркуляцию либо направлять нагретый воздух обратно к зоне входа воздуха в радиатор.

Особого внимания требуют установки внутри помещений. Хотя у трансформатора нет вентиляторов охлаждения, для отвода выделяемого им тепла в помещении всё равно может потребоваться спроектированная система вентиляции. Естественное охлаждение трансформатора не означает, что его можно устанавливать в герметичном помещении.

Следует также учитывать высоту над уровнем моря: из-за меньшей плотности воздуха эффективность внешнего охлаждения может снижаться. Более высокая, чем предусмотрено проектом, температура окружающей среды, солнечное излучение и близкие источники тепла также уменьшают тепловой запас. Любые необходимые корректировки номинала или изменения системы охлаждения следует согласовать с производителем, а не выводить из общего правила.

При установке и вводе в эксплуатацию проверьте положение клапанов радиаторов, если они предусмотрены, уровень масла, герметичность и выполнение необходимых процедур заполнения и удаления воздуха. Воздух, оставшийся в компонентах системы охлаждения, или случайно изолированный радиатор могут нарушить предусмотренную циркуляцию.

Эксплуатационные проверки: пассивное охлаждение тоже требует внимания

Отказ от насосов и вентиляторов исключает эти вспомогательные компоненты, но не отменяет техническое обслуживание. На охлаждающих поверхностях может скапливаться грязь, уровень масла может меняться, а показания температурных приборов — со временем отклоняться. Изоляционное масло и целлюлозная изоляция также стареют.

Наиболее полезно отслеживать температуру в сравнении с нагрузкой и условиями окружающей среды в течение времени. Повышение температуры масла в верхней части бака при аналогичных нагрузке и температуре окружающей среды требует проверки, особенно после технического обслуживания или изменений в окружающей установке.

В зависимости от критичности оборудования проверки могут включать осмотр охлаждающих поверхностей, проверку приборов, анализ масла, анализ растворённых газов и изучение показаний температуры обмоток. Тепловизионный контроль помогает выявить необычное распределение температуры на внешних поверхностях, но не позволяет напрямую определить температуру наиболее нагретой точки внутри обмотки.

Уставки защиты и эксплуатационные пределы должны соответствовать согласованному тепловому проекту и принципам защиты. Повышение уставки аварийной сигнализации для компенсации постоянного перегрева не восстанавливает эффективность охлаждения.

Когда следует рассматривать сухой трансформатор как альтернативу

В некоторых проектах распределения электроэнергии необходимо сравнить оборудование ONAN с жидкостной изоляцией и сухие трансформаторы, особенно если на выбор влияют место установки, требования пожарной безопасности или необходимость предотвращения утечек жидкости. Это разные тепловые системы: сухой трансформатор с литой изоляцией не имеет контура циркуляции масла; для него обычно используют обозначения охлаждения AN или AF, а не ONAN.

Для таких проектов Jinshida Electric Power Technology Co., Ltd. предлагает трёхфазный распределительный трансформатор с литой изоляцией на 20 кВ — отдельный вариант для распределения электроэнергии с указанными конфигурациями низкого напряжения 0,4 кВ или 0,415 кВ, а также защитой и контролем температуры. Он рассматривается как альтернативная технология, а не как пример охлаждения ONAN.

Сравнивайте предлагаемые конфигурации по подтверждённым значениям потерь, температурным пределам, требованиям к вентиляции, влиянию корпуса и стандартам конкретного проекта. Заявленную способность выдерживать перегрузку при принудительном воздушном охлаждении необходимо оценивать с учётом указанной продолжительности и тепловых условий; её нельзя трактовать как неограниченный режим длительной работы с естественным воздушным охлаждением.

Выбирайте номинал системы охлаждения с учётом конкретного места установки

Правильно подобранный трансформатор ONAN обеспечивает баланс между электрическими потерями, внутренней циркуляцией масла, внешней площадью теплопередачи и условиями окружающей среды. Его преимущество очевидно: тепло отводится без насосов и вентиляторов, а количество вспомогательных компонентов, требующих обслуживания, меньше. Ограничение столь же очевидно: пассивное охлаждение зависит от перепада температур и свободного движения потоков.

Прежде чем принимать к эксплуатации силовой трансформатор подстанции с охлаждением ONAN, убедитесь в трёх вещах: условия проведения тепловых испытаний соответствуют поставляемому оборудованию, оценка нагрузки учитывает фактический режим работы, а место установки позволяет системе охлаждения работать в соответствии с проектом. Эти проверки превращают обозначение системы охлаждения в техническом паспорте в подтверждение надёжной работы на подстанции.