Uitleg van transformatorkoelklassen: ONAN, ONAF en OFAF-beoordelingen

Een datacenteraannemer in Johor stuurde ons vorig jaar een belastingschema met één enkel getal erop: 10 MVA, continu. Zijn ingaande olie-ondergedompelde transformator was aangekomen met een typeplaat waarop stond: ONAN 8.000 kVA / ONAF 10.000 kVA — de transformatorkoelklassen die elke offerte vermeldt en die bijna niemand leest — en hij had de 11 kV-kabel, de schakelapparatuur en de beveiligingsinstellingen op basis van het tweede cijfer dimensioneren. Tijdens de inbedrijfstelling draaiden de ventilatoren, de belasting steeg, en ging het bovenste-oliealarm af bij 96 °C op een middag van 33 °C.

Niets was defect. Het apparaat deed precies wat zijn nominaalvermogensblad beloofde — onder omstandigheden die niemand in de aankooporder had opgenomen. Die kloof tussen een koelcode en een werkelijke installatie is waar de meeste geschillen over transformatorvermogen ontstaan.

Wat de transformatorkoelklassencode eigenlijk aan u vertelt

 

Transformatorkoelklassen zijn een vierletterige afkorting die twee dingen tegelijk beschrijft: het koelmiddel dat in contact staat met de wikkelingen, en de methode waarmee warmte uit dat middel wordt verwijderd. De eerste letter geeft het interne middel aan (O voor minerale olie, K voor een niet-minerale vloeistof met een brandpunt boven 300 °C, L voor synthetische ester met een brandpunt boven 300 °C), de tweede letter geeft de circulatiemethode aan (N voor natuurlijk, F voor gedwongen, D voor gericht), en de laatste twee letters herhalen dezelfde logica voor het externe medium — lucht, water of gedwongen lucht.

Dus betekent ONAN olie natuurlijk, lucht natuurlijk: de olie circuleert via thermische sifonwerking en de tank en radiatoren geven warmte af aan stilstaande lucht, zonder ventilatoren en zonder pompen in het hele systeem. ONaf wordt ONAF wanneer ventilatoren lucht over de radiatorbank blazen. OFAF voegt oliepompen toe. ODAF richt de olie-stroming naar de kanaaltjes in de wikkelingen, wat de manier is waarop grote generator-step-up-eenheden temperatuurgradiënten in de wikkelingen onder controle houden.

Koelklasse	Wat is actief	Typische capaciteitsstijging	Waar het wordt gebruikt
ONAN	Niets — uitsluitend thermische sifonwerking	Basisvermogen	Distributie-eenheden, plattelandsnetstations, op de grond geplaatste eenheden
ONAF (trap 1)	Één ventilatorbank	+25% tot +33% boven ONAN	Stedelijke netstations, industriële installaties met piekbelastingen
ONAF (trap 2)	Tweede ventilatorbank	nog eens +15% tot +20%	Datacentra, staal- en cementfabrieken
OFAF	Ventilatoren plus oliepompen	+40% tot +60% boven ONAN	Krachttransformatoren van 40 MVA en hoger
ODAF	Gerichte oliecirculatie plus ventilatoren	Hoogst mogelijke waarde voor een gegeven behuizing	Generatorstep-up, HVDC-omzetteenheden

Deze percentages zijn de bereikbare waarden waarmee ons ontwerpbureau werkt bij het opstellen van een nominaal vermogensblad. Ze vormen geen regel uit een norm — het radiatoroppervlak, het olievolume en de keuze van ventilatoren variëren per fabrikant, en het enige getal dat telt, is het getal in uw gegarandeerde technische specificaties.

De tweede nominale waarde is geen extra capaciteit

 

Dit is het gedeelte dat de meeste kopers over het hoofd zien. Een ONAF-transformator heeft niet eenvoudigweg meer capaciteit dan dezelfde eenheid in ONAN-bedrijf. Het heeft een capaciteit die uitsluitend bestaat zolang een reeks voorwaarden vervuld is, en elke van die voorwaarden kan onafhankelijk van de transformator falen.

De ventilatorbank heeft hulpstroom nodig. Bij diverse Noord-Amerikaanse projecten hebben we gezien dat een nutsbedrijf de ONAF-waardering in een aansluitingsstudie weigerde, omdat de stationsservicevoeding niet was beveiligd door een overschakelschema — als de ventilatoren stoppen, keert de unit stilletjes terug naar 8 MVA, terwijl de beveiliging nog steeds is ingesteld op 10 MVA. De transformator veranderde niet. De waardering wel.

De ventilatoren moeten ook aanwezig zijn. Een 10 MVA-koelbank bevat doorgaans twee tot vier axiale ventilatoren van ongeveer 0,55 kW elk, met motorlagers, schakelaars, thermostaten en een regelcircuit dat de koeltrappen inschakelt op basis van de bovenolie-temperatuur. Elk daarvan is een onderhoudsitem met een beperkte levensduur, en een geblokkeerde ventilatormotor haalt een koeltrap weg midden in een zomerpiek. Wanneer wij een unit offreren, geven wij de regelfilosofie voor de ventilatortrappen in hetzelfde document aan als de impedantie, omdat de waardering een gedrag van het regelsysteem is, niet alleen een wikkelontwerp.

Dan is er de omgevingstemperatuurveronderstelling. Temperatuurstijgingslimieten worden gedefinieerd ten opzichte van een omgevingstemperatuur die wordt bepaald over een dag en over een jaar, niet over één enkele namiddag. Een unit met een gegarandeerde gemiddelde wikkelingstemperatuurstijging van 65 K is gegarandeerd voor een aangegeven maximale omgevingstemperatuur, en de dagtemperatuur van 33 °C in Johor was niet het probleem — het probleem was dat niemand had gevraagd wat er gebeurt bij 40 °C wanneer de ventilatoren zich alleen in fase één bevinden. Dat is de meest voorkomende fout die we zien in transformatorkoelklassen specificaties: de vier letters worden overgenomen uit een datasheet zonder de bijbehorende omgevingstemperatuurveronderstelling die ze geldig maakt.

Temperatuurstijging: het getal achter de code

 

De letters geven aan hoe warmte de unit verlaat. De temperatuur stijging geeft aan hoeveel warmte de isolatie mag ondergaan. Voor vloeistofgekoelde units zijn de twee relevante limieten de gemiddelde wikkelingstemperatuurstijging en de heetste-punttemperatuurstijging; deze zijn vastgelegd in IEEE C57.12.00, waarvan u een samenvatting kunt lezen op de IEEE Standards Association-pagina voor C57.12.00-2021 voor een ontwerp met een gemiddelde wikkelingsopwarming van 65 K — nog steeds de meest voorkomende specificatie in Azië en het Midden-Oosten — bedraagt de bijbehorende toegestane heetste-punt-opwarming 80 K, wat neerkomt op ongeveer 110 °C bij de referentieomgevingstemperatuur.

Dat cijfer van 110 °C bepaalt de isolatielevensduur. Papier dat bij 110 °C veroudert, verliest zijn treksterkte met een snelheid die de resterende levensduur halveert bij elke stijging van 6 tot 8 K boven dat punt. Daarom veroudert een transformator die 8 K warmer draait dan zijn ontwerp niet eenvoudigweg 8% sneller. Hij veroudert meerdere malen sneller, en niets in het routine-testrapport waarschuwt u hiervoor — totdat de furanwaarden jaren later beginnen te stijgen.

 

 

Dit is ook de reden waarom de warmteproef belangrijker is dan het certificaat. Een temperatuurstijgtest volgens IEEE C57.12.90 meet de werkelijke temperatuurverschillen van olie aan de bovenzijde en van de wikkelingen bij nominale belasting; het is het enige bewijs dat het radiatopperoppervlak, het olievolume en de ventilatorkeuze in de tekening daadwerkelijk overeenkomen met de gegevens op het typeplaatje. Op een ONAF-transformator de warmteloop is tweemaal van belang, omdat elk ventilatortrap een afzonderlijk bedrijfspunt is dat moet worden geverifieerd, niet geïnferreerd.

Ventilatoren, pompen en de onderhoudskosten

 

Koeltrappen zijn goedkoop in specificatie maar duur in onderhoud. Elk bewegend onderdeel dat aan een transformator wordt toegevoegd, wordt een geplande inspectie, een vervangend onderdeel in iemands voorraad en een foutmodus die zich manifesteert als een ongeplande verminderde belasting in plaats van een duidelijke uitschakeling.

Onze ervaring met ONAF-transformator vloten laat een korte en voorspelbare lijst met storingen zien: eerst drogen de lagerkussens van de ventilatormotor op, daarna de spoelen van de contactoren en vervolgens de thermostaat die de tweede bank inschakelt. Pompen op OFAF-apparaten voegen asafdichtingen en een differentiële drukinterlock toe, die bij een dalende oliepeil onbedoeld uitschakelt. Niets hiervan is exotisch, en het is allemaal te voorkomen tijdens de specificatiefase.

Eén punt moet in de specificatie worden opgenomen: wat het apparaat doet wanneer een koeltrap uitvalt. Als de tweede trap uitvalt en de belasting niet wordt verminderd, neemt de wikkeling het verschil op. Een temperatuurtrip van de wikkeling is een veilige uitkomst; een wikkeling die stilletjes gedurende een seizoen op 120 °C blijft draaien, is dat niet.

Omgevingstemperatuur, hoogte boven zeeniveau en behuizing: waar de nominale waarden stilletjes afnemen

 

Twee afwijkingsfactoren leiden vaker tot problemen dan alle andere: de omgevingstemperatuur op locatie en de hoogte boven zeeniveau. Op onze ontwerpfiches wordt ongeveer 1,0% tot 1,2% capaciteitsvermindering per graad Celsius boven de genoemde omgevingstemperatuur toegepast. Dat betekent dat een 50 °C-woestijnlocatie een 40 °C-gecertificeerd apparaat al aanzienlijk vermindert in zijn nominaal vermogen, nog voordat er enige belasting is aangesloten. Boven 1.000 m zorgt de lagere luchtdichtheid voor dezelfde vermindering van de warmteafvoer bij luchtgekoelde systemen, en deze correctie moet worden opgenomen in de berekening op het typeplaatje, niet in een voetnoot.

Behuizing is de derde factor. Een op een voetmontage geplaatste eenheid die zich in een anti-wroetbehuizing volgens IEEE C57.12.28 bevindt, ademt niet dezelfde lucht in als een open transformator in een onderstation; een eenheid die tegen een muur of binnen een omheinde ruimte met beperkte luchtcirculatie is geïnstalleerd, zal warmer draaien dan voorspeld in de testcabine. Voeg zonnewinning op een donkere behuizing in het Golfgebied toe, en het verschil is allesbehalve theoretisch.

Geluid volgt dezelfde logica, maar dan omgekeerd. Ventilatoren voegen ongeveer 5 tot 8 dB(A) toe, dus een eenheid die is gespecificeerd op 58 dB(A) ONAN wordt ’s nachts een machine van 64 dB(A) wanneer fase twee actief is. Indien de locatie onder een geluidscovenant valt, is de ONAF-waarde degene die de buren zullen horen.

Wat u op het gegevensblad moet vermelden

 

Wanneer onze ingenieurs een specificatie voor een oliegeïmmersiveerde transformatorfabriek in China voorgeselecteerde lijst beoordelen, zijn de documenten die het snelst worden afgerond diegene waarin deze punten schriftelijk worden beantwoord:

• Koelklasse en aantal fases , vermeld als een reeks (ONAN / ONAF1 / ONAF2), niet als één enkel label.

• Vermogen bij elke fase , inclusief de omgevingstemperatuur die bij elk cijfer wordt verondersteld.

• Hoogte- en omgevingscorrectie , toegepast en weergegeven, niet overgelaten aan de fabriek om deze te ontdekken.

• Ventilatorbesturingsfilosofie : activeringstemperaturen, trapvertragingen en gedrag bij storing van een trap.

• Hulpvoeding : spanning, fase en of deze wordt ondersteund door de stationaire gelijkstroom of door een overschakelschema.

• Geluidsniveau bij elke trap , in dB(A) op de gespecificeerde meetafstand.

• Verliescijfers bij referentietemperatuur, waarbij Amerikaanse distributie-eenheden ook moeten voldoen aan de efficiëntietabellen in 10 CFR Deel 431 Subdeel K , de regel van het Amerikaanse ministerie van Energie (US DOE) voor distributietransformatoren die het minimumrendement vaststelt dat een conform unit moet halen.

Een specificatie die alle zeven ‘fits’ op twee pagina’s beantwoordt en het inbedrijfstelling-argument over wiens naamplaat juist was, voorkomt.

Hoe wij het beoordelen en testen, en wat wij aanbevelen

 

Kopers die een oliegeïmmersiveerde transformatorfabriek in China meestal beginnen met de geleiderkwaliteit van de wikkeling en eindigen met de koeling, wat de verkeerde volgorde is. De koelfase is waar de capaciteitsclaim daadwerkelijk ligt. Onze fabriek in Jiangsu voert de warmteloop-test uit op elke op maat gemaakte oliegeïmmersive transformator, en het typeplaatje dat met de transformator wordt geleverd, bevat de gemeten temperatuurverschillen tussen oliebovenkant en wikkeling in plaats van alleen de gegarandeerde waarden. Dat is van belang wanneer een consultant een overbelastingsstudie of een aansluitingsaanvraag moet verdedigen: de cijfers zijn onderbouwd door een test.

Wij bouwen zowel olie-ondergedompelde transformator bereiken en droogtype-eenheden op een terrein van 120.000 m² met 37 octrooien in het portfolio; sinds 2023 opereren we als joint-venturepartner van Eaton — een regeling die zich voornamelijk uit in de documentatiediscipline en minder in de marketingtaal. UL-, CSA- en IEC-dossiers, tekeningen en thermische gegevens worden als één pakket geleverd.

Een praktische opmerking: vraag op het testrapport naar de volgorde van de koeltrappen, niet alleen naar de naamplaat — de technicus die de eenheid onder spanning zet, leest het rapport, niet de plaat.

De eenheid in Johor werkte uiteindelijk goed. We hebben de ventilatoren opnieuw ingesteld zodat de tweede bank 6 K eerder werd ingeschakeld, en de eigenaar verplaatste 1,2 MVA aan niet-kritische belasting naar een tweede transformator — een goedkopere oplossing dan vervanging, en alleen mogelijk omdat het nominale vermogensblad ons vertelde wat de eenheid daadwerkelijk kon presteren.

Transformatorkoelklassen zijn de goedkoopste capaciteitsbeslissing in het gehele pakket en de makkelijkst om fout te maken, omdat de tweede nominale waarde altijd lijkt op gratis reservecapaciteit totdat de omgevingstemperatuur, de hulpvoeding en het ventilatorlager het met u oneens zijn. Als u nu een oliegeïmmersiveerde transformator specificeert, stuur ons dan het belastingsprofiel, de omgevingstemperatuur op locatie en de hoogte boven zeeniveau. ryan-transformers.com — Onze ingenieurs zullen u stap-voor-stap een nominale waarde en de bijbehorende testgegevens verstrekken.

Over de auteur: Geschreven door het engineeringteam van Ryan Electric, een UL/CSA-gecertificeerde transformatorfabrikant in Jiangsu, China, en sinds 2023 een joint-venturepartner van Eaton, die oliegeïmmersiveerde, droogtype- en pad-mounted transformators levert aan datacenters, nutsbedrijven en industriële projecten in Noord-Amerika, Zuidoost-Azië en het Midden-Oosten.