Spiegazione delle classi di raffreddamento dei trasformatori: valutazioni ONAN, ONAF e OFAF

Un appaltatore di data center a Johor ci ha inviato lo scorso anno un programma di carico con un singolo numero: 10 MVA, continuo. La sua alimentazione in ingresso trasformatore a immersione in olio era arrivata con una targhetta riportante ONAN 8.000 kVA / ONAF 10.000 kVA — le classi di raffreddamento dei trasformatori che ogni preventivo elenca e che quasi nessuno legge — e lui aveva dimensionato il cavo a 11 kV, la quadro di comando e le impostazioni di protezione in base al secondo valore. Durante la messa in servizio i ventilatori si sono attivati, il carico è aumentato e l’allarme della temperatura dell’olio in sommità si è attivato a 96 °C in un pomeriggio a 33 °C.

Niente era danneggiato. L’unità funzionava esattamente come indicato sul suo foglio di valutazione — ma in condizioni non specificate nell’ordine d’acquisto. Questo divario tra un codice di raffreddamento e un’installazione reale è il punto di partenza della maggior parte delle controversie sulla capacità dei trasformatori.

Cosa indica effettivamente il codice delle classi di raffreddamento dei trasformatori

 

Classi di raffreddamento dei trasformatori sono un acronimo di quattro lettere che descrive due aspetti contemporaneamente: il mezzo di raffreddamento a contatto con gli avvolgimenti e il metodo utilizzato per rimuovere il calore da tale mezzo. La prima lettera indica il mezzo interno (O per olio minerale, K per un liquido non minerale con punto di infiammabilità superiore a 300 °C, L per estere sintetico con punto di infiammabilità superiore a 300 °C), la seconda lettera indica il metodo di circolazione (N naturale, F forzata, D diretta) e le ultime due lettere ripetono la stessa logica per il mezzo esterno — aria, acqua o aria forzata.

Pertanto ONAN significa olio naturale, aria naturale: l’olio circola per sifone termico e il serbatoio e i radiatori cedono calore all’aria ferma, senza ventilatori né pompe in alcun punto del sistema. ONaf diventa ONAF quando dei ventilatori soffiano aria attraverso il banco di radiatori. OFAF aggiunge pompe per l’olio. ODAF dirige il flusso dell’olio nei canali degli avvolgimenti, metodo impiegato negli elevatori di tensione per generatori di grandi dimensioni per mantenere sotto controllo i gradienti termici negli avvolgimenti.

Classe di raffreddamento	Che cosa è in funzione	Guadagno di capacità tipico	Dove viene utilizzata
ONAN	Nulla — solo sifone termico	Valutazione base	Unità di distribuzione, cabine elettriche rurali, unità su basamento
ONAF (stadio 1)	Un gruppo di ventilatori	+25% a +33% rispetto a ONAN	Cabine elettriche urbane, impianti industriali con carichi di picco
ONAF (stadio 2)	Secondo gruppo di ventilatori	ulteriore +15% a +20%	Centri dati, impianti siderurgici e cementieri
OFAF	Ventilatori più pompe per olio	+40% a +60% rispetto a ONAN	Trasformatori di potenza da 40 MVA in su
ODAF	Flusso d’olio diretto più ventilatori	Massima per un determinato telaio	Innalzamento di tensione per generatori, unità convertitrici HVDC

Queste percentuali rappresentano gli intervalli con cui il nostro ufficio progettazione opera nella stesura di un foglio di caratteristiche. Non derivano da alcuno standard — l’area radiante, il volume d’olio e la scelta dei ventilatori variano da produttore a produttore, e l’unico valore che conta è quello indicato nelle vostre specifiche tecniche garantite.

La seconda potenza nominale non corrisponde a capacità aggiuntiva gratuita

 

Ecco la parte che la maggior parte degli acquirenti trascura. Un Trasformatore ONAF non possiede semplicemente una capacità maggiore rispetto alla stessa unità funzionante in modalità ONAN. Dispone invece di una capacità che esiste soltanto fintanto che sussistono determinate condizioni, e ciascuna di tali condizioni può venire meno indipendentemente dal trasformatore.

Il gruppo ventilatori richiede un'alimentazione ausiliaria. In diversi progetti nordamericani abbiamo osservato che un ente di rete ha rifiutato la valutazione ONAF in uno studio di interconnessione perché l’alimentazione del servizio stazione non era supportata da uno schema di trasferimento: se i ventilatori si fermano, l’unità passa silenziosamente a 8 MVA, mentre le protezioni rimangono impostate per 10 MVA. Il trasformatore non è cambiato. È cambiata la potenza nominale.

I ventilatori devono inoltre essere presenti. Un gruppo di raffreddamento da 10 MVA comprende tipicamente due-quattro ventilatori assiali da circa 0,55 kW ciascuno, con cuscinetti del motore, contattori, termostati e un circuito di controllo che attiva le varie fasi in base alla temperatura dell’olio in sommità. Ognuno di questi componenti richiede manutenzione e ha una vita utile limitata; un motore ventilatore bloccato elimina una fase di raffreddamento nel pieno di un picco estivo. Quando quotiamo un’unità, includiamo la filosofia di controllo delle fasi ventilatore nello stesso documento in cui specifichiamo l’impedenza, poiché la potenza nominale è un comportamento del sistema di controllo, non soltanto un dato di progettazione degli avvolgimenti.

C'è poi l'ipotesi ambientale. I limiti di aumento di temperatura si riferiscono a un ambiente definito su base giornaliera e annuale, non a un singolo pomeriggio. Un'unità garantita per un aumento medio della temperatura degli avvolgimenti di 65 K è garantita per una temperatura ambiente massima dichiarata; il giorno a 33 °C a Johor non era il problema: il problema era che nessuno aveva chiesto cosa accade a 40 °C con i ventilatori in sola fase uno. Questo è l'errore più comune che riscontriamo nelle classi di raffreddamento dei trasformatori specifiche: le quattro lettere vengono copiate da un foglio dati senza la base ambientale che ne rende vera la validità.

Aumento di Temperatura: il numero dietro il codice

 

Le lettere indicano come il calore lascia l'unità. Il aumento della temperatura indica quanto calore l'isolamento può sopportare. Per le unità immerse in liquido, i due limiti rilevanti sono l'aumento medio della temperatura degli avvolgimenti e l'aumento della temperatura nel punto più caldo; tali limiti sono stabiliti nella norma IEEE C57.12.00, disponibile in forma riassuntiva sulla Pagina dell'IEEE Standards Association dedicata alla norma C57.12.00-2021 per una progettazione con innalzamento medio della temperatura dell’avvolgimento pari a 65 K — ancora la specifica più comune in Asia e nel Medio Oriente — il corrispondente margine per il punto più caldo è di 80 K, che corrisponde approssimativamente a 110 °C all’ambiente di riferimento.

È proprio questo valore di 110 °C a determinare la durata dell’isolamento. La carta invecchiata a 110 °C perde resistenza a trazione a un ritmo tale da dimezzare la sua vita residua ogni 6–8 K al di sopra di tale soglia; ecco perché un’unità che funziona con una temperatura di 8 K superiore rispetto alla progettazione non invecchia semplicemente dell’8% più velocemente, bensì diversi volte più velocemente, e nessun dato del rapporto di prova standard lo segnalerà finché, anni dopo, i valori di furani non inizieranno ad aumentare.

 

 

Questo è anche il motivo per cui la prova a carico termico conta più del certificato. Una prova di innalzamento di temperatura secondo la norma IEEE C57.12.90 misura effettivamente i gradienti di temperatura dell’olio in sommità e degli avvolgimenti a carico nominale; essa costituisce l’unica prova che la superficie radiante, il volume d’olio e la scelta dei ventilatori indicati nel disegno corrispondono effettivamente ai dati riportati sulla targhetta. Trasformatore ONAF la prova a caldo è rilevante due volte, perché ogni stadio di ventilazione rappresenta un punto operativo distinto da verificare direttamente, non da dedurre.

Ventilatori, pompe e il conto della manutenzione

 

Gli stadi di raffreddamento sono economici da specificare ma costosi da mantenere. Ogni componente mobile aggiunto a un trasformatore diventa un oggetto di ispezione programmata, un ricambio da tenere in magazzino da parte di qualcuno e una modalità di guasto che si manifesta come una riduzione non pianificata della potenza anziché come un intervento netto.

La nostra esperienza con Trasformatore ONAF flotte indica che l’elenco dei guasti, in ordine di frequenza, è breve e prevedibile: per primi si seccano i cuscinetti dei motori dei ventilatori, poi le bobine dei contattori e infine il termostato che comanda l’attivazione del secondo banco. Le pompe negli unità OFAF aggiungono guarnizioni dell’albero e un interblocco di pressione differenziale che può intervenire in modo ingiustificato se il livello dell’olio scende. Nulla di tutto ciò è particolarmente complesso, e tutto può essere evitato già nella fase di specifica.

Un punto da inserire nelle specifiche è il comportamento dell’unità in caso di guasto di una fase di raffreddamento. Se la seconda fase va in avaria e il carico non viene ridotto, l’avvolgimento assorbe la differenza. Un intervento per sovratemperatura dell’avvolgimento è un esito sicuro; un avvolgimento che funziona silenziosamente a 120 °C per tutta una stagione non lo è.

Temperatura ambiente, altitudine e involucro: dove le portate nominali si riducono in modo silenzioso

 

Due fattori di derating mettono in difficoltà più progetti di ogni altro: la temperatura ambiente del sito e l’altitudine. I nostri fogli di progettazione applicano approssimativamente una riduzione di capacità pari all’1,0–1,2 % per ogni grado Celsius al di sopra della temperatura ambiente nominale; ciò significa che, in un sito desertico a 50 °C, un’unità con portata nominale a 40 °C perde una quota significativa della sua potenza nominale già prima che venga collegato qualsiasi carico. Oltre i 1.000 m, la minore densità dell’aria ha lo stesso effetto sullo smaltimento del calore nei sistemi raffreddati ad aria, e tale correzione deve comparire nel calcolo riportato sulla targhetta di portata, non in una nota a piè di pagina.

L'involucro è il terzo fattore. Un'unità montata su base e installata in un involucro resistente alle manomissioni, conforme alla norma IEEE C57.12.28, non respira la stessa aria di un trasformatore per sottostazione aperta; inoltre, un'unità installata contro una parete o all'interno di un recinto con flusso d'aria limitato funzionerà a temperatura più elevata rispetto a quanto previsto nelle prove effettuate nella camera di prova. Aggiungendo l'effetto del riscaldamento solare su un involucro scuro nel Golfo, la differenza non è puramente teorica.

Il rumore segue la stessa logica, ma in senso inverso. Le ventole aggiungono circa 5–8 dB(A); pertanto, un'unità specificata a 58 dB(A) in modalità ONAN diventa una macchina da 64 dB(A) durante la notte, quando entra in funzione la seconda fase di raffreddamento. Se il sito è soggetto a un patto acustico, il valore ONAF è quello che udranno i vicini.

Cosa indicare sul foglio dati

 

Quando i nostri ingegneri esaminano una specifica per un stabilimento per Trasformatori Immersi nell’Olio in Cina elenco preliminare, i documenti che vengono approvati più rapidamente sono quelli che rispondono per iscritto ai seguenti punti:

• Classe di raffreddamento e numero di fasi , indicata come sequenza (ONAN / ONAF1 / ONAF2), non come un'unica etichetta.

• Potenza nominale in ciascuna fase , con la temperatura ambiente ipotizzata per ciascun valore.

• Correzione per altitudine e ambiente , applicata e indicata, non lasciata alla fabbrica da determinare.

• Filosofia di controllo del ventilatore : temperature di attivazione, ritardi tra le fasi e comportamento in caso di guasto di una fase.

• Alimentazione ausiliaria : tensione, fase e se è supportata dalla corrente continua della stazione o da uno schema di trasferimento.

• Livello di rumore in ogni fase , in dB(A) alla distanza di misurazione specificata.

• Valori di perdita alla temperatura di riferimento, che per le unità destinate al mercato statunitense deve inoltre soddisfare le tabelle di efficienza contenute nel 10 CFR Parte 431 Sottoparte K , la norma del Dipartimento dell’Energia statunitense (US DOE) sui trasformatori di distribuzione che stabilisce l’efficienza minima che un’unità conforme deve raggiungere.

Una specifica che risponde a tutti e sette i criteri su due pagine, evitando così le controversie in fase di messa in servizio riguardo alla correttezza della targhetta di un fornitore.

Come valutiamo e testiamo il prodotto, e quali raccomandazioni forniamo

 

Gli acquirenti che eseguono un’audit di un stabilimento per Trasformatori Immersi nell’Olio in Cina di solito partono dal grado del conduttore degli avvolgimenti e arrivano fino al sistema di raffreddamento, ma questo è l’ordine sbagliato. È proprio nella fase di raffreddamento che si definisce effettivamente la capacità nominale. Il nostro impianto nello Jiangsu esegue la prova termica su ogni unità custom-rated a immersione in olio, e il foglio delle caratteristiche che accompagna il trasformatore riporta i gradienti misurati di temperatura dell’olio in sommità e degli avvolgimenti, non solo i valori garantiti. Questo è fondamentale quando un consulente deve giustificare uno studio di sovraccarico o una richiesta di interconnessione: i dati sono supportati da prove effettive.

Realizziamo entrambi trasformatore a immersione in olio impianti di produzione per trasformatori a secco e per trasformatori di distribuzione su un’area di 120.000 m², con 37 brevetti nel portafoglio; dal 2023 operiamo come partner di joint venture di Eaton — una collaborazione che si riflette soprattutto nella disciplina documentale, non nel linguaggio di marketing. I file UL, CSA e IEC, i disegni tecnici e i dati termici vengono forniti in un unico pacchetto.

Una nota pratica: richiedere la sequenza delle fasi di raffreddamento riportata sul rapporto di prova, non solo i dati della targhetta — l’operatore che alimenta l’unità legge il rapporto, non la targhetta.

L’unità di Johor alla fine ha funzionato correttamente. Abbiamo modificato la sequenza di attivazione dei ventilatori, facendo entrare in funzione il secondo gruppo di ventilatori con un anticipo di 6 K; inoltre il cliente ha spostato 1,2 MVA di carico non critico su un secondo trasformatore — una soluzione più economica rispetto alla sostituzione, resa possibile unicamente dal fatto che il foglio di caratteristiche tecniche indicava esattamente le prestazioni effettive dell’unità.

Classi di raffreddamento dei trasformatori sono la decisione sulla capacità più economica dell’intero pacchetto e la più facile da sbagliare, perché il secondo rating sembra sempre una riserva gratuita finché l’ambiente, l’alimentazione ausiliaria e un cuscinetto del ventilatore non la pensano diversamente. Se state specificando ora un’unità immersa in liquido, inviateci il profilo di carico, la temperatura ambiente del sito e l’altitudine tramite ryan-transformers.com — i nostri ingegneri vi forniranno un rating dettagliato per ogni stadio, insieme ai dati dei test corrispondenti.

Informazioni sull'Autore: Scritto dal team di ingegneria di Ryan Electric, produttore certificato UL/CSA di trasformatori nello Jiangsu, Cina, e partner congiunto di Eaton dal 2023, che fornisce trasformatori immersi in olio, a secco e montati su basamento per progetti di data center, utility e industriali in Nord America, Sud-Est asiatico e Medio Oriente.