Wyjaśnienie klas chłodzenia transformatorów: oznaczenia ONAN, ONAF i OFAF

Kontraktor ds. centrów danych w Johor przesłał nam w zeszłym roku harmonogram obciążeń zawierający jedną tylko liczbę: 10 MVA, ciągłe. Jego zasilanie wejściowe transformator zanurzeniowy w oleju dostarczono z tabliczką znamionową z oznaczeniem ONAN 8 000 kVA / ONAF 10 000 kVA — czyli z klasy chłodzenia transformatorów — które pojawiają się w każdej ofercie, ale prawie nikt ich nie czyta — i na podstawie drugiej z tych wartości dobrał przewód 11 kV, rozdzielnice oraz ustawienia zabezpieczeń. Podczas uruchamiania wentylatory pracowały, obciążenie rosło, a alarm temperatury oleju w górnej części zbiornika zadziałał przy 96 °C w południowy dzień o temperaturze 33 °C.

Nic nie było uszkodzone. Urządzenie działało dokładnie zgodnie z danymi podanymi na karcie charakterystyki — jednak w warunkach, które nikt nie określił w zamówieniu zakupowym. To właśnie różnica między kodem chłodzenia a rzeczywistymi warunkami instalacji stanowi źródło większości sporów dotyczących mocy znamionowej transformatorów.

Co właściwie oznacza kod klasy chłodzenia transformatora

 

Klasy chłodzenia transformatorów to czteroliterowy skrót opisujący jednocześnie dwa aspekty: środek chłodzący stykający się z uzwojeniami oraz metodę odprowadzania ciepła z tego środka. Pierwsza litera oznacza wewnętrzny środek chłodzenia (O – olej mineralny, K – ciecz niemineralna o temperaturze zapłonu powyżej 300 °C, L – ester syntetyczny o temperaturze zapłonu powyżej 300 °C), druga litera określa sposób cyrkulacji (N – naturalny, F – wymuszony, D – kierowany), a dwie ostatnie litery stosują tę samą logikę do zewnętrznego środka chłodzenia – powietrza, wody lub wymuszonego przepływu powietrza.

Zatem ONAN oznacza olej naturalny, powietrze naturalne: olej krąży dzięki efektowi syfonu termicznego, a ciepło z zbiornika i radiatorów jest odprowadzane do nieruchomego powietrza – bez użycia wentylatorów i pomp w całym układzie. ONaf staje się ONAF, gdy wentylatory dmuchają powietrzem przez bank radiatorów. OFAF dodaje pompy olejowe. ODAF kieruje przepływ oleju do kanałów w uzwojeniach – to właśnie taka metoda pozwala dużym transformatorom podwyższającym napięcie w elektrowniach kontrolować gradienty temperatury w uzwojeniach.

Klasa chłodzenia	Co działa	Typowy przyrost mocy	Gdzie jest stosowana
Onan	Nic – wyłącznie syfon termiczny	Moc znamionowa	Jednostki rozdzielcze, stacje transformatorowe wiejskie, jednostki umieszczone na podstawie
ONAF (etap 1)	Jeden bank wentylatorów	+25% do +33% ponad ONAN	Stacje transformatorowe miejskie, zakłady przemysłowe z obciążeniem szczytowym
ONAF (etap 2)	Drugi bank wentylatorów	kolejne +15% do +20%	Centra danych, huty stali i zakłady cementowe
OFAF	Wentylatory wraz z pompami oleju	+40% do +60% w porównaniu do ONAN	Transformatory mocy o mocy 40 MVA i wyższej
ODAF	Kierowany przepływ oleju wraz z wentylatorami	Najwyższa dla danego typu obudowy	Transformatory podwyższające napięcie generatorów, jednostki konwerterów HVDC

Te procenty to zakresy, z którymi pracuje nasz biuro projektowe przy sporządzaniu arkusza danych technicznych. Nie są one zdefiniowane w żadnym standardzie — powierzchnia radiatorów, objętość oleju i dobór wentylatorów różnią się u poszczególnych producentów, a jedyną liczbą mającą znaczenie jest ta podana w gwarantowanych danych technicznych.

Druga wartość nominalna nie oznacza dodatkowej pojemności

 

Oto fragment, który najczęściej przeocza kupujący. Transformator Transformator ONAF nie posiada po prostu większej pojemności niż ten sam transformator pracujący w trybie ONAN. Posiada on pojemność istniejącą wyłącznie wtedy, gdy spełnione są określone warunki, a każdy z tych warunków może ulec awarii niezależnie od pozostałych.

Bank wentyków wymaga zasilania pomocniczego. W kilku projektach w Ameryce Północnej widzieliśmy, jak dostawca energii odmówił przyjęcia mocy znamionowej ONAF w badaniu połączenia sieciowego, ponieważ zasilanie usług stacji nie było objęte schematem przełączania zapasowego — jeśli wentyli przestaną działać, urządzenie cicho obniża swoją moc do 8 MVA, podczas gdy ustawienia ochrony pozostają nadal na poziomie 10 MVA. Transformator się nie zmienił. Zmieniła się jedynie jego moc znamionowa.

Wentyle również muszą być obecne. Bank chłodniczy o mocy 10 MVA zwykle zawiera od dwóch do czterech wentylatorów osiowych o mocy ok. 0,55 kW każdy, wyposażonych w łożyska silnikowe, styczniki, termostaty oraz obwód sterowania, który włącza poszczególne stopnie chłodzenia w zależności od temperatury oleju na szczycie zbiornika. Każdy z tych elementów wymaga konserwacji i ma ograniczoną żywotność; zablokowany silnik wentylatora powoduje wyłączenie jednego stopnia chłodzenia w trakcie szczytowego obciążenia latem. Przy wycenie urządzenia wskazujemy filozofię sterowania stopniami wentylatorów w tym samym dokumencie co impedancję, ponieważ moc znamionowa to zachowanie systemu sterowania, a nie tylko projekt uzwojeń.

Istnieje także założenie dotyczące temperatury otoczenia. Granice wzrostu temperatury odnoszą się do temperatury otoczenia określonej w skali dobowej i rocznej, a nie pojedynczego popołudnia. Jednostka gwarantowana pod kątem średniego wzrostu temperatury uzwojenia o 65 K jest gwarantowana przy określonej maksymalnej temperaturze otoczenia; temperatura 33 °C w Johor nie stanowiła problemu — problemem było to, że nikt nie zadał sobie pytania, co dzieje się przy 40 °C, gdy wentylatory pracują tylko w pierwszym stopniu. Jest to najczęstszy błąd, jaki widzimy w klasy chłodzenia transformatorów specyfikacjach: cztery litery są kopiowane ze arkusza danych technicznych bez uwzględnienia podstawy temperatury otoczenia, która czyni je prawdziwymi.

Wzrost temperatury: liczba stojąca za kodem

 

Litery informują, w jaki sposób ciepło opuszcza jednostkę. wzrost temperatury informuje, jak dużo ciepła izolacja może przenieść. W przypadku jednostek zanurzanych w cieczy dwie istotne granice to średnie podwyższenie temperatury uzwojenia oraz podwyższenie temperatury w najgorętszym punkcie; obie są określone w normie IEEE C57.12.00, której streszczenie można znaleźć na stronie IEEE Standards Association poświęconej normie C57.12.00-2021 dla projektu ze średnim podwyższeniem temperatury uzwojenia wynoszącym 65 K — nadal najbardziej powszechnego specyfikacji w Azji i na Bliskim Wschodzie — odpowiadająca mu dopuszczalna różnica temperatury w punkcie najgorętszym wynosi 80 K, co przekłada się na około 110 °C przy odniesieniu do temperatury otoczenia.

Właśnie ta wartość 110 °C decyduje o trwałości izolacji. Papier starzejący się w temperaturze 110 °C traci wytrzymałość na rozciąganie w tempie, które skraca jego pozostałą żywotność o połowę za każde 6–8 K powyżej tego punktu; dlatego jednostka pracująca o 8 K goręcej niż zaprojektowano nie zużywa się po prostu o 8 % szybciej. Zużywa się kilkakrotnie szybciej, a żaden z rutynowych wyników badań nie ostrzega przed tym, dopóki liczby furanów nie zaczną rosnąć lata później.

 

 

Dlatego też próba obciążeniowa ma większe znaczenie niż certyfikat. Badanie podwyższenia temperatury zgodnie ze standardem IEEE C57.12.90 mierzy rzeczywiste gradienty temperatury oleju na wierzchu oraz uzwojenia przy obciążeniu znamionowym; jest to jedyna potwierdzona dowodem informacja, że powierzchnia chłodnicy, objętość oleju i dobór wentylatorów określone w dokumentacji rzeczywiście odpowiadają wartościom podanym na tabliczce znamionowej. W Transformator ONAF test cieplny ma podwójne znaczenie, ponieważ każdy stopień wentylatora to osobny punkt pracy, który należy zweryfikować, a nie wywnioskować.

Wentylatory, pompy i rachunek konserwacyjny

 

Stopnie chłodzenia są tanie w fazie projektowania, ale drogie w eksploatacji. Każdy element ruchomy dodany do transformatora staje się przedmiotem zaplanowanej inspekcji, zapasową częścią w magazynie kogoś innego oraz trybem awarii, który objawia się nieplanowanym obniżeniem mocy zamiast czystym wyłączeniem.

W naszym doświadczeniu z Transformator ONAF flotami lista awarii uporządkowana według częstotliwości jest krótka i przewidywalna: najpierw wysychają łożyska silników wentylatorów, następnie cewki styczników, a potem termostat sterujący włączeniem drugiego banku. Pompy w jednostkach typu OFAF dodają uszczelki wału oraz blokadę różnicowego ciśnienia, która może wyzwolić fałszywe wyłączenie, jeśli poziom oleju spadnie. Żadna z tych sytuacji nie jest nietypowa i wszystkie można uniknąć już na etapie specyfikacji.

W specyfikacji należy zawrzeć jeden punkt: co urządzenie robi w przypadku awarii etapu chłodzenia. Jeśli zawiedzie drugi etap, a obciążenie nie zostanie odciążone, uzwojenie pochłania różnicę. Przeciążenie temperaturowe uzwojenia to bezpieczny skutek; uzwojenie cicho pracujące przez cały sezon w temperaturze 120 °C nie jest bezpieczne.

Temperatura otoczenia, wysokość nad poziomem morza i obudowa: miejsca, w których wartości nominalne cichutko się zmniejszają

 

Dwa czynniki obniżające moc wprowadzają w błąd więcej projektów niż jakiekolwiek inne: temperatura otoczenia na miejscu instalacji oraz wysokość nad poziomem morza. Nasze karty projektowe zakładają przybliżoną redukcję mocy o 1,0–1,2 % na każdy stopień Celsjusza powyżej temperatury otoczenia określonej w danych technicznych – oznacza to, że na lokalizacji pustynnej o temperaturze 50 °C jednostka o znamionowej temperaturze otoczenia 40 °C traci istotną część swojej mocy znamionowej jeszcze przed podłączeniem jakiegokolwiek obciążenia. Powyżej 1000 m zmniejszona gęstość powietrza wywiera ten sam wpływ na odprowadzanie ciepła w układach chłodzonych powietrzem, a korekta ta musi zostać uwzględniona w obliczeniach wartości znamionowych na tabliczce znamionowej, a nie w przypisie.

Obudowa to trzeci czynnik. Jednostka typu pad-mounted umieszczona w obudowie odpornoj na manipulacje zgodnie z normą IEEE C57.12.28 nie „oddycha” tym samym powietrzem co transformator stacji otwartej, a jednostka zamontowana przy ścianie lub wewnątrz ogrodzonego terenu z ograniczoną cyrkulacją powietrza będzie działać przy wyższej temperaturze niż przewidywano w komorze badawczej. Dodaj do tego wpływ promieniowania słonecznego na ciemną obudowę w regionie Zatoki Meksykańskiej — różnica staje się istotna, nie tylko teoretyczna.

Dźwięk podlega odwrotnej logice. Wentylatory zwiększają poziom hałasu o około 5–8 dB(A), więc jednostka określona jako 58 dB(A) w trybie ONAN staje się maszyną o poziomie 64 dB(A) w nocy, gdy działa drugi etap chłodzenia. Jeśli na danym terenie obowiązuje porozumienie dotyczące hałasu, to właśnie wartość ONAF będzie słyszalna przez sąsiadów.

Co wpisać w arkuszu danych

 

Gdy nasi inżynierowie analizują specyfikację dla fabryki transformatorów zanurzonych w oleju w Chinach listy kandydatów, najszybciej kończą się te dokumenty, które pisemnie odpowiadają na poniższe punkty:

• Klasa chłodzenia i liczba etapów , podana jako sekwencja (ONAN / ONAF1 / ONAF2), a nie jako pojedyncza nazwa.

• Moc znamionowa dla każdego etapu , z podaniem temperatury otoczenia przyjętej dla każdej z tych wartości.

• Korekcja wysokości nad poziomem morza i warunków otoczenia , stosowana i wyświetlana, a nie pozostawiana fabryce do ustalenia.

• Filozofia sterowania wentylatorem : temperatury uruchamiające, opóźnienia między etapami oraz zachowanie w przypadku awarii etapu.

• Zasilanie pomocnicze : napięcie, faza oraz informacja, czy jest zasilany z prądu stałego stacji, czy też za pośrednictwem schematu przełączania.

• Poziom hałasu na każdym etapie , w dB(A) przy określonej odległości pomiarowej.

• Wartości strat w temperaturze odniesienia, która dla jednostek dystrybucyjnych w USA musi również spełniać tabele sprawności zawarte w 10 CFR Part 431 Subpart K , przepis Departamentu Energii USA dotyczący transformatorów rozdzielczych, który określa minimalną sprawność, jaką musi osiągnąć jednostka zgodna z tym przepisem.

Specyfikacja, która odpowiada na wszystkie siedem pytań na dwóch stronach i zapobiega sporom podczas uruchamiania o to, której tabliczki znamionowej dotyczy prawidłowa wartość.

Jak oceniamy i testujemy te urządzenia oraz jakie udzielamy rekomendacje

 

Zakupcy, którzy audytują fabryki transformatorów zanurzonych w oleju w Chinach zwykle zaczynają od klasy przewodnika uzwojenia i kończą na chłodzeniu – co jest błędna kolejnością. Właśnie etap chłodzenia określa rzeczywistą moc znamionową. Nasza fabryka w Jiangsu przeprowadza badanie obciążeniowe cieplne na każdym niestandardowym transformatorze olejowym i arkusz danych technicznych dostarczany razem z transformatorami zawiera zmierzone wartości gradientów temperatury oleju na wierzchu oraz uzwojeń, a nie tylko gwarantowane wartości. Ma to znaczenie, gdy konsultant musi uzasadnić analizę przeciążenia lub wniosek o przyłączenie do sieci: liczby te oparte są na rzeczywistych pomiarach.

Produkujemy zarówno transformator zanurzeniowy w oleju zakresy i jednostki suchego typu na terenie o powierzchni 120 000 m² z 37 patentami w portfelu, a od 2023 roku działamy jako partner przedsiębiorstwa Eaton w ramach wspólnej spółki — porozumienie to przejawia się głównie w dyscyplinie dokumentacji, a nie w języku marketingowym. Certyfikaty UL, CSA i IEC, rysunki oraz dane termiczne są dostarczane jako jeden pakiet.

Jedna praktyczna uwaga: w raporcie z badań należy żądać sekwencji etapów chłodzenia, a nie tylko nazwy tabliczki znamionowej — technik uruchamiający urządzenie czyta raport, a nie tabliczkę.

Jednostka z Johor ostatecznie działała poprawnie. Zmieniliśmy kolejność uruchamiania wentylatorów tak, aby druga bateria została załączone 6 K wcześniej, a właściciel przeniósł obciążenie nielokalizowane o mocy 1,2 MVA na drugi transformator — tańsze rozwiązanie niż wymiana, możliwe wyłącznie dzięki informacjom zawartym w arkuszu danych znamionowych, które pokazały rzeczywiste możliwości jednostki.

Klasy chłodzenia transformatorów są najtańszym rozwiązaniem pod względem mocy w całym pakiecie oraz najłatwiejszym do źle dobrania, ponieważ druga wartość nominalna zawsze wydaje się zapasem mocy „za darmo”, dopóki temperatura otoczenia, zasilanie pomocnicze oraz łożyska wentylatora nie zaprzeczą temu poglądowi. ryan-transformers.com — nasi inżynierowie przygotują szczegółową analizę wartości nominalnych etap po etapie oraz dane testowe je potwierdzające.

O autorze: Napisano przez zespół inżynierów firmy Ryan Electric, certyfikowanego przez UL/CSA producenta transformatorów z Jiangsu w Chinach oraz partnera wspólnej przedsięwzięcia z Eaton od 2023 roku, dostarczającego transformatorów olejowych, suchych i montowanych na betonowych fundamentach do centrów danych, projektów energetycznych oraz przemysłowych w Ameryce Północnej, Azji Południowo-Wschodniej i na Bliskim Wschodzie.