Объяснение классов охлаждения трансформаторов: рейтинги ONAN, ONAF и OFAF

Подрядчик по строительству центров обработки данных в Джохоре направил нам прошлым годом график нагрузок с единственным числом: 10 МВА, непрерывно. Его входящий масляный трансформатор прибыл с табличкой, на которой указано: ONAN 8000 кВА / ONAF 10 000 кВА — классы охлаждения трансформаторов которые перечисляются в каждом коммерческом предложении и которые почти никто не читает — и он подобрал кабель 11 кВ, распределительное устройство и уставки защиты исходя из второго значения. При вводе в эксплуатацию включились вентиляторы, нагрузка возросла, а аварийный сигнал «температура верхнего слоя масла» сработал при 96 °C в полдень, когда температура окружающего воздуха составляла 33 °C.

Ничего не было повреждено. Устройство работало точно так, как указано в его техническом паспорте, — но в условиях, которые никто не прописал в заказе. Именно этот разрыв между кодом охлаждения и реальными условиями монтажа лежит в основе большинства споров о мощности трансформаторов.

Что на самом деле сообщает код классов охлаждения трансформатора

 

Классы охлаждения трансформаторов представляют собой четырёхбуквенную аббревиатуру, описывающую сразу две вещи: охлаждающую среду, контактирующую с обмотками, и метод отвода тепла из этой среды. Первая буква обозначает внутреннюю среду (O — минеральное масло, K — неминеральная жидкость с температурой вспышки выше 300 °C, L — синтетический эфир с температурой вспышки выше 300 °C), вторая — способ циркуляции (N — естественная, F — принудительная, D — направленная), а последние две буквы повторяют ту же логику для внешней среды — воздуха, воды или принудительно подаваемого воздуха.

Так, ONAN означает «масло — естественная циркуляция, воздух — естественное охлаждение»: масло циркулирует за счёт термосифона, а бак и радиаторы отдают тепло неподвижному воздуху без использования вентиляторов и насосов в системе. ONaf превращается в ONAF при включении вентиляторов, обдувающих пакет радиаторов. OFAF добавляет масляные насосы. ODAF обеспечивает направленный поток масла в каналах обмоток — именно так в крупных генераторных повышающих трансформаторах поддерживаются допустимые градиенты температуры в обмотках.

Класс охлаждения	Что работает	Типичный прирост мощности	Где оно используется
ONAN	Ничего — только термосифон	Базовый показатель	Распределительные устройства, сельские подстанции, блочные подстанции
ONAF (этап 1)	Один вентиляторный блок	+25 % до +33 % сверх ONAN	Городские подстанции, промышленные предприятия с пиковой нагрузкой
ONAF (этап 2)	Второй вентиляторный блок	дополнительно +15 % до +20 %	Центры обработки данных, сталелитейные и цементные заводы
ОFAF	Вентиляторы плюс масляные насосы	+40 % до +60 % по сравнению с ONAN	Силовые трансформаторы мощностью 40 МВА и выше
ODAF	Направленный поток масла плюс вентиляторы	Наибольшая для заданного габарита	Повышающие генераторные трансформаторы, блоки преобразователей ППТ

Эти проценты — диапазоны, с которыми работает наш конструкторский отдел при составлении таблицы номиналов. Они не являются требованием какого-либо стандарта: площадь радиатора, объём масла и выбор вентиляторов у каждого производителя различны, а единственным значимым параметром остаётся значение, указанное в ваших гарантированных технических характеристиках.

Второй номинал — это не дополнительная свободная мощность

 

Вот та часть, которую чаще всего упускают из виду покупатели. Трансформатор Трансформатор с естественным охлаждением масла и принудительной циркуляцией воздуха (ONAF) не обладает просто большей мощностью по сравнению с тем же устройством, работающим в режиме ONAN. Он имеет мощность, существующую только при выполнении определённого набора условий, причём каждое из этих условий может нарушиться независимо от трансформатора.

Для работы вентиляторной установки требуется вспомогательное питание. В ходе ряда проектов в Северной Америке мы наблюдали, как энергоснабжающая организация отказывалась признавать номинальную мощность ONAF при проведении исследования подключения к сети, поскольку питание вспомогательных нужд станции не обеспечивалось резервной схемой переключения — если вентиляторы останавливаются, трансформатор бесшумно переходит на режим 8 МВА, тогда как уставки защит остаются заданными для 10 МВА. Сам трансформатор при этом не меняется. Меняется только его номинальная мощность.

Вентиляторы также должны быть установлены. Вентиляторная установка на 10 МВА обычно включает от двух до четырёх осевых вентиляторов мощностью около 0,55 кВт каждый, а также подшипники двигателей, контакторы, термостаты и систему управления, которая включает ступени охлаждения в зависимости от температуры масла в верхней части бака. Каждый из этих компонентов требует технического обслуживания и имеет ограниченный срок службы; заклинивание двигателя вентилятора приводит к потере одной ступени охлаждения в разгар летнего пикового потребления. При расчёте стоимости оборудования мы указываем философию управления ступенями вентиляторов в том же документе, что и импеданс, поскольку номинальная мощность определяется поведением системы управления, а не только конструкцией обмоток.

Затем идёт предположение об окружающей среде. Пределы повышения температуры привязаны к окружающей среде, определяемой в среднем за сутки и за год, а не за один послеобеденный период. Устройство, гарантированное при среднем повышении температуры обмоток на 65 К, гарантируется для заявленного максимального значения температуры окружающей среды; и тот факт, что в Джохоре днём было 33 °C, не являлся проблемой — проблема заключалась в том, что никто не задавался вопросом, что произойдёт при 40 °C при работе вентиляторов только на первой ступени. Это самая распространённая ошибка, с которой мы сталкиваемся в классы охлаждения трансформаторов технических спецификациях: четыре буквы просто копируются из технического паспорта без указания базовой температуры окружающей среды, при которой эти значения остаются верными.

Повышение температуры: число, стоящее за кодом

 

Буквы указывают, как тепло покидает устройство. Число повышение температуры указывает, насколько сильно изоляция может нагреваться. Для маслонаполненных устройств важны два предела: среднее повышение температуры обмоток и повышение температуры в самой горячей точке; они установлены в стандарте IEEE C57.12.00, краткое содержание которого доступно на странице Ассоциации стандартов IEEE для стандарта C57.12.00-2021 для проекта с повышением температуры обмотки в среднем на 65 К — по-прежнему наиболее распространённой спецификации в Азии и на Ближнем Востоке — соответствующий допуск для самой горячей точки составляет 80 К, что при стандартной температуре окружающей среды даёт примерно 110 °C.

Именно при этой температуре — 110 °C — определяется срок службы изоляции. Бумажная изоляция, эксплуатируемая при 110 °C, теряет прочность на разрыв со скоростью, при которой оставшийся срок её службы уменьшается вдвое при каждом повышении температуры на 6–8 К сверх этого значения; поэтому устройство, работающее на 8 К теплее расчётного режима, вовсе не стареет на 8 % быстрее. Оно стареет в несколько раз быстрее, и ни один параметр в отчёте о рутинных испытаниях не предупредит вас об этом до тех пор, пока спустя годы не начнут расти показатели фуранов.

 

 

Именно поэтому испытание на нагрев имеет большее значение, чем сертификат. Испытание на повышение температуры по стандарту IEEE C57.12.90 измеряет фактические градиенты температуры верхнего слоя масла и обмоток при номинальной нагрузке; это единственный способ подтвердить, что площадь радиатора, объём масла и выбор вентиляторов, указанные на чертеже, действительно обеспечивают соответствие паспортным данным. Трансформатор с естественным охлаждением масла и принудительной циркуляцией воздуха (ONAF) тепловое испытание имеет двойное значение, поскольку каждый каскад вентилятора представляет собой отдельную рабочую точку, которую необходимо проверить напрямую, а не вывести расчётом.

Вентиляторы, насосы и счёт за техническое обслуживание

 

Ступени охлаждения дёшевы при проектировании, но дороги в эксплуатации. Каждая подвижная деталь, добавленная к трансформатору, превращается в объект планового осмотра, запасную деталь на складе у кого-либо и потенциальный режим отказа, проявляющийся в виде незапланированного снижения мощности, а не чёткого аварийного отключения.

Наших опытах с Трансформатор с естественным охлаждением масла и принудительной циркуляцией воздуха (ONAF) парками список отказов краток и предсказуем: сначала высыхают подшипники двигателей вентиляторов, затем — катушки контакторов, затем — термостат, управляющий включением второй группы. Насосы в масляных трансформаторах с принудительной циркуляцией масла и воздушным охлаждением (OFAF) добавляют уплотнения валов и дифференциальный давления блокировку, которая может вызвать ложное срабатывание при понижении уровня масла. Ни один из этих факторов не является экзотическим, и все они могут быть устранены уже на стадии технического задания.

В техническое задание следует включить один пункт: какое поведение устройства при отказе ступени охлаждения. Если откажет вторая ступень, а нагрузка не будет снята, обмотка поглотит разницу. Срабатывание защиты по температуре обмотки — безопасный исход; обмотка, тихо работающая при 120 °C в течение всего сезона, — нет.

Окружающая среда, высота над уровнем моря и тип корпуса: где номиналы тихо уменьшаются

 

Два фактора понижения номинала вызывают больше проблем в проектах, чем любые другие: температура окружающей среды на площадке и высота над уровнем моря. В наших конструкторских таблицах применяется примерное снижение мощности на 1,0–1,2 % на каждый градус Цельсия выше номинальной температуры окружающей среды. Это означает, что для установки в пустыне с температурой 50 °C устройство с номиналом 40 °C теряет значительную часть своей паспортной мощности ещё до подключения какой-либо нагрузки. На высоте свыше 1000 м снижение плотности воздуха оказывает аналогичное влияние на теплоотвод в воздушных системах охлаждения, и соответствующая поправка должна быть учтена в расчёте данных на табличке номиналов, а не приведена лишь в сноске.

Корпус — третий фактор. Блок, установленный на платформе и помещённый в корпус, устойчивый к несанкционированному доступу в соответствии со стандартом IEEE C57.12.28, не «дышит» тем же воздухом, что и трансформатор открытой подстанции; блок, смонтированный у стены или внутри огороженного участка с ограниченной циркуляцией воздуха, будет нагреваться сильнее, чем предсказывалось при испытаниях в камере. Добавьте солнечный нагрев тёмного корпуса в регионе Залива — и разница выходит далеко за рамки теоретических расчётов.

Уровень шума подчиняется обратной логике. Вентиляторы добавляют примерно 5–8 дБ(А), поэтому блок, указанный как 58 дБ(А) в режиме ONAN, становится источником шума 64 дБ(А) ночью при работе на второй ступени. Если на площадке действует соглашение по шуму, именно значение в режиме ONAF услышат соседи.

Что указывать в техническом описании

 

Когда наши инженеры анализируют техническое задание на завода по производству маслонаполненных трансформаторов в Китае предварительный список, быстрее всего рассматриваются документы, в которых эти пункты чётко прописаны:

• Класс охлаждения и количество ступеней , указанное в виде последовательности (ONAN / ONAF1 / ONAF2), а не единым обозначением.

• Мощность на каждой ступени , с указанием температуры окружающей среды, для которой приведена каждая цифра.

• Коррекция по высоте и окружающей среде , применяется и отображается, а не оставляется на усмотрение завода.

• Философия управления вентилятором : температуры срабатывания, задержки между ступенями и поведение при отказе ступени.

• Вспомогательное питание : напряжение, фаза и наличие резервного питания от постоянного тока станции или схемы переключения.

• Уровень шума на каждой ступени , в дБ(А) на указанном расстоянии измерения.

• Потери при эталонной температуре, которая для распределительных устройств США также должна соответствовать таблицам КПД в разделе 431 подраздел K Кодекса федеральных нормативных актов США (10 CFR) , правило Министерства энергетики США относительно распределительных трансформаторов, устанавливающее минимальный уровень эффективности, который должен достичь соответствующий агрегат.

Спецификация, отвечающая на все семь вопросов «подходит ли?» на двух страницах и исключающая споры при вводе в эксплуатацию о том, какая именно табличка с техническими данными является правильной.

Как мы оцениваем и тестируем оборудование, а также что мы рекомендуем

 

Покупатели, проводящие аудит завода по производству маслонаполненных трансформаторов в Китае обычно начинают с марки проводника обмотки и заканчивают системой охлаждения — однако такой порядок неверен. Именно на этапе охлаждения определяется заявленная мощность. На нашем заводе в Цзянсу мы проводим тепловые испытания для каждого жидкостного трансформатора с индивидуальной номинальной мощностью, а лист с параметрами, поставляемый вместе с трансформатором, содержит измеренные градиенты температуры верхнего слоя масла и обмоток, а не только гарантированные значения. Это имеет значение, когда консультанту необходимо обосновать исследование перегрузки или заявку на подключение к сети: цифры подтверждены испытаниями.

Мы производим оба типа масляный трансформатор диапазоны и сухие блоки на площадке площадью 120 000 м² с 37 патентами в портфеле; с 2023 года мы действуем как партнёр Eaton по совместному предприятию — такая договорённость проявляется преимущественно в дисциплине документации, а не в маркетинговых формулировках. Файлы UL, CSA и IEC, чертежи и тепловые данные поставляются в одном комплекте.

Одна практическая рекомендация: запрашивайте последовательность стадий охлаждения в отчёте об испытаниях, а не только данные с таблички — техник, подающий напряжение на устройство, читает отчёт, а не табличку.

Блок в Джохоре в итоге оказался в порядке. Мы изменили последовательность включения вентиляторов, чтобы вторая группа включалась на 6 К раньше, а заказчик перевёл 1,2 МВА некритической нагрузки на второй трансформатор — это более дешёвое решение по сравнению с заменой и стало возможным лишь потому, что лист номинальных характеристик показал нам реальные возможности устройства.

Классы охлаждения трансформаторов являются самым дешёвым решением в плане мощности во всём пакете и одновременно самым простым в ошибке, поскольку второй рейтинг всегда выглядит как резервная мощность до тех пор, пока температура окружающей среды, вспомогательное питание и подшипник вентилятора не начнут с вами не соглашаться. Если вы сейчас определяете параметры маслонаполненного трансформатора, направьте нам профиль нагрузки, температуру окружающей среды на площадке и высоту над уровнем моря через ryan-transformers.com — наши инженеры предоставят вам поэтапный расчёт номинальных значений и соответствующие данные испытаний.

Об авторе: Написано инженерной командой компании Ryan Electric — производителя трансформаторов, сертифицированного по стандартам UL/CSA, расположенного в Цзянсу, Китай, и партнёра совместного предприятия Eaton с 2023 года; поставляет маслонаполненные, сухие и комплектные трансформаторы для проектов центров обработки данных, энергетических компаний и промышленных объектов в Северной Америке, Юго-Восточной Азии и на Ближнем Востоке.