Пояснення класів охолодження трансформаторів: позначення ONAN, ONAF та OFAF

Підрядник дата-центру в Джохорі надіслав нам минулого року графік навантаження з одним-єдиним числом: 10 МВА, тривале. трансформатор з масляним охолодженням прибув із табличкою, на якій було вказано ONAN 8 000 кВА / ONAF 10 000 кВА — ці класи охолодження трансформаторів які перелічені в кожному комерційному запиті й майже ніхто не читає — і він розрахував переріз кабелю 11 кВ, комутаційне обладнання та параметри захисту за другим значенням. Під час введення в експлуатацію ввімкнулися вентилятори, навантаження зросло, а сигнал тривоги про температуру верхнього шару масла спрацював при 96 °C у день із температурою повітря 33 °C.

Нічого не пошкоджено. Агрегат працював точно так, як передбачено в його технічних характеристиках — але за умов, які ніхто не вказав у замовленні на закупівлю. Саме цей розрив між кодом охолодження та реальними умовами встановлення є початком більшості суперечок щодо потужності трансформаторів.

Що насправді означає код класу охолодження трансформатора

 

Класи охолодження трансформаторів це чотирилітерне скорочення, що описує відразу дві речі: охолоджувальну рідину, яка контактує з обмотками, і метод виведення тепла з цієї рідини. Перша літера позначає внутрішнє середовище (O — мінеральне масло, K — немінеральна рідина з температурою спалаху понад 300 °C, L — синтетичний естер з температурою спалаху понад 300 °C), друга — спосіб циркуляції (N — природна, F — примусова, D — направлена), а дві останні літери повторюють ту саму логіку для зовнішнього середовища — повітря, води або примусового повітря.

Отже, ONAN означає «масло — природне, повітря — природне»: масло циркулює за рахунок термічного сифону, а бак і радіатори віддають тепло нерухомому повітрю без використання вентиляторів і будь-яких насосів у системі. ONaf стає ONAF, коли вентилятори проганяють повітря через радіаторну групу. OFAF додає масляні насоси. ODAF направляє потік масла в канали обмоток — саме так великі генераторні підвищувальні трансформатори контролюють температурні градієнти в обмотках.

Клас охолодження	Що працює	Типовий приріст потужності	Де воно використовується
ONAN	Нічого — лише термічний сифон	Базовий номінальний режим	Розподільні пристрої, сільські підстанції, блок-підстанції
ONAF (етап 1)	Один вентиляторний блок	+25 % до +33 % понад ONAN	Міські підстанції, промислові підприємства з піковими навантаженнями
ONAF (етап 2)	Другий вентиляторний блок	ще на +15 % до +20 %	Центри обробки даних, сталеливарні й цементні заводи
OFAF	Вентилятори разом із масляними насосами	+40 % до +60 % порівняно з ONAN	Силові трансформатори потужністю 40 МВА та вище
ODAF	Направлений потік масла плюс вентилятори	Найвища для заданого типорозміру	Підвищувальні трансформатори генераторів, блоки перетворення ВЛПС

Ці відсотки — це діапазони, з якими працює наше конструкторське бюро під час складання таблиці номінальних параметрів. Це не вимога жодного стандарту — площа радіатора, об’єм масла та вибір вентиляторів у кожного виробника різні, а єдиним значущим числом є те, що вказано у ваших гарантійних технічних характеристик.

Другий номінальний режим — це не додаткова потужність

 

Ось та частина, яку найчастіше пропускають покупці. Трансформатор Трансформатор ONAF не має просто більшої потужності, ніж аналогічний агрегат у режимі ONAN. Він має потужність, яка існує лише за умови виконання певного набору вимог, і кожна з цих умов може порушитися незалежно від інших.

Банк вентиляторів потребує допоміжного живлення. У кількох північноамериканських проектах ми спостерігали, як енергопостачальник відмовлявся визнати номінальну потужність ONAF у дослідженні підключення, оскільки живлення службової мережі станції не забезпечувалося резервною схемою переключення — якщо вентилятори зупиняються, агрегат тихо переходить на потужність 8 МВА, тоді як параметри захисту залишаються встановленими для 10 МВА. Трансформатор не змінився. Змінилася лише номінальна потужність.

Вентилятори також повинні бути на місці. Банк охолодження на 10 МВА зазвичай включає два–чотири осьові вентилятори потужністю приблизно по 0,55 кВт кожен, а також двигуни з підшипниками, контактори, термостати й керуюче коло, що перемикає ступені охолодження залежно від температури масла на верхньому рівні. Кожен із цих компонентів потребує обслуговування й має обмежений термін служби; заклинений двигун вентилятора виводить одну зі ступенів охолодження з ладу саме в період літнього піку навантаження. Коли ми надаємо пропозицію щодо агрегату, ми вказуємо філософію керування ступенями вентиляторів у тому самому документі, що й імпеданс, оскільки номінальна потужність — це поведінка системи керування, а не лише конструкція обмоток.

Тоді є припущення щодо навколишнього середовища. Межі підвищення температури відносяться до навколишнього середовища, визначеного за добу та за рік, а не лише за один післяобідній час. Одиниця, гарантovана з середнім підвищенням температури обмотки на 65 К, гарантована для вказаної максимальної температури навколишнього середовища, і 33 °C у Джохорі не були проблемою — проблемою було те, що ніхто не запитав, що станеться при 40 °C, коли вентилятори працюють лише на першому етапі. Це найпоширеніша помилка, яку ми бачимо у класи охолодження трансформаторів технічних специфікаціях: чотири літери просто копіюють із технічного опису без урахування базової температури навколишнього середовища, за якої ці значення є справедливими.

Підвищення температури: число за кодом

 

Літери вказують, як тепло виходить із одиниці. Число підвищення температури вказує, на скільки тепла дозволено нагріватися ізоляції. Для одиниць із рідким охолодженням дві ключові межі — це середнє підвищення температури обмотки та підвищення температури в найгарячішій точці, і вони встановлені в стандарті IEEE C57.12.00, який можна прочитати у стислому вигляді на сторінці Асоціації стандартів IEEE для C57.12.00-2021 для проекту з підвищенням температури обмотки в середньому на 65 К — що й досі є найпоширенішою специфікацією в Азії та на Близькому Сході — відповідне дозволене перевищення температури в найгарячішій точці становить 80 К, що відповідає приблизно 110 °С за стандартної навколишньої температури.

Саме ця температура — 110 °С — визначає термін служби ізоляції. Папір, що старіє при 110 °С, втрачає межу міцності на розтяг із швидкістю, яка скорочує його залишковий термін служби наполовину за кожні 6–8 К перевищення цієї температури. Саме тому агрегат, що працює на 8 К спалаховіше за проектну температуру, не старіє просто на 8 % швидше. Він старіє в кілька разів швидше, і жоден пункт у звичайному звіті про випробування не попередить вас про це, поки через роки не почнуть зростати показники фуранів.

 

 

Саме тому випробування на нагрівання має більше значення, ніж сертифікат. Випробування на підвищення температури за стандартом IEEE C57.12.90 вимірює фактичні градієнти температури верхнього шару масла та обмоток при номінальному навантаженні; це єдиний доказ того, що площа радіатора, об’єм масла та вибір вентиляторів, вказані на кресленні, справді забезпечують параметри, зазначені на табличці агрегату. У Трансформатор ONAF тестування на теплове навантаження має подвійне значення, оскільки кожен ступінь вентилятора — це окрема робоча точка, яку потрібно верифікувати, а не виводити за допомогою інференції.

Вентилятори, насоси та рахунок за технічне обслуговування

 

Ступені охолодження дешево вказувати у специфікаціях, але дорого підтримувати. Кожна рухома частина, додана до трансформатора, перетворюється на заплановану перевірку, запасну деталь у чийсь складі та можливий режим відмови, що проявляється як незаплановане зниження потужності замість чистого вимкнення.

Нашому досвіді з Трансформатор ONAF парками список відмов короткий і передбачуваний: спочатку висихають підшипники двигунів вентиляторів, потім котушки контакторів, а потім термостат, що вмикає другий блок. Насоси в одиницях типу OFAF додають вальцеві ущільнення та диференційний тиск-блокування, яке може спрацювати помилково при зниженні рівня масла. Жодна з цих проблем не є екзотичною, і всі вони можуть бути уникнуті на етапі розробки специфікацій.

Один пункт має бути включено до специфікації: що робить пристрій у разі виходу з ладу ступеня охолодження. Якщо виходить з ладу другий ступінь, а навантаження не зменшується, обмотка споживає різницю. Спрацьовування за температурою обмотки — це безпечний результат; обмотка, яка тихо працює при 120 °C протягом цілого сезону, — ні.

Навколишнє середовище, висота над рівнем моря та корпус: де номінальні значення тихо зменшуються

 

Два коефіцієнти зниження номінальних параметрів «підловлюють» більше проектів, ніж будь-які інші: температура навколишнього середовища на об’єкті та висота над рівнем моря. У наших конструкторських таблицях застосовується приблизне зниження потужності на 1,0–1,2 % на кожен градус Цельсія понад номінальну температуру навколишнього середовища, тобто для об’єкта в пустелі з температурою 50 °C одиниця, розрахована на 40 °C, втрачає суттєву частку своєї номінальної потужності ще до підключення будь-якого навантаження. На висоті понад 1000 м знижена густина повітря так само впливає на відведення тепла в повітряних системах охолодження, і цю поправку слід вносити в розрахунок номінальних даних на табличці, а не в примітку.

Корпус є третім чинником. Блоковий трансформатор, розміщений у корпусі, стійкому до несанкціонованого доступу згідно з IEEE C57.12.28, не «дихає» тим самим повітрям, що й відкритий трансформатор підстанції, а пристрій, встановлений біля стіни або всередині огорожі з обмеженим повітрообміном, працюватиме гарячіше, ніж передбачалося в тестовій камері. Додайте сонячне нагрівання темного корпусу у регіоні затоки — і різниця стане не теоретичною.

Рівень шуму підкоряється зворотній логіці. Вентилятори додають приблизно 5–8 дБ(А), тому пристрій, вказаний як 58 дБ(А) у режимі ONAN, стає пристроєм із рівнем шуму 64 дБ(А) вночі, коли працює другий ступінь охолодження. Якщо на ділянці діє умова щодо обмеження рівня шуму, саме значення для режиму ONAF почувають сусіди.

Що вказувати в технічному описі

 

Коли наші інженери аналізують технічну специфікацію для заводу масляних трансформаторів у Китаї короткого списку, найшвидше закриваються ті документи, які письмово відповідають на такі питання:

• Клас охолодження та кількість ступенів , вказаний як послідовність (ONAN / ONAF1 / ONAF2), а не як один загальний позначник.

• Потужність на кожному ступені , з вказанням температури навколишнього середовища, для якої наведено кожне значення.

• Корекція висоти та навколишнього середовища , застосована й відображена, а не залишена на розсуд заводу.

• Філософія керування вентилятором : температури спрацьовування, затримки між ступенями та поведінка у разі відмови ступеня.

• Допоміжне живлення : напруга, фаза та те, чи підтримується вона постійним струмом станції чи схемою переключення.

• Рівень шуму на кожному ступені , у дБ(А) на вказаній відстані вимірювання.

• Показники втрат за довідковою температурою, яка для розподільних одиниць США також має відповідати таблицям ефективності в 10 CFR Part 431 Subpart K , правило Міністерства енергетики США щодо розподільних трансформаторів, яке встановлює мінімальний рівень ефективності, якого повинен досягати відповідний пристрій.

Специфікація, яка відповідає на всі сім питань «підходить чи ні» на двох сторінках й унеможливлює сперечання під час введення в експлуатацію щодо того, чия табличка з технічними даними є правильною.

Як ми оцінюємо та тестуємо це й що рекомендуємо

 

Покупці, які аудитують заводу масляних трансформаторів у Китаї зазвичай починають із класу провідника обмотки й завершують системою охолодження — але це неправильний порядок. Саме на етапі охолодження визначається заявлене значення потужності. На нашому заводі в Цзянсу ми проводимо теплові випробування для кожного спеціально розрахованого рідинно-охолоджуваного трансформатора, а лист із технічними характеристиками, що постачається разом із трансформатором, містить виміряні значення температурного підйому масла на поверхні та обмоток замість лише гарантованих значень. Це має значення, коли консультант має захищати результати дослідження перевантаження або подання заявки на підключення до мережі: цифри підтверджені випробуваннями.

Ми виробляємо обидва трансформатор з масляним охолодженням діапазони та сухі блоки на ділянці площею 120 000 м² з 37 патентами в портфоліо, а з 2023 року ми працюємо як партнер Eaton у спільному підприємстві — таке розташування проявляється переважно в документаційній дисципліні, а не в маркетингових формулюваннях. Файли UL, CSA та IEC, креслення й теплові дані надходять єдиним пакетом.

Одна практична заувага: вимагайте в тестовому звіті послідовність стадій охолодження, а не лише назву на табличці — технік, який підключає блок до мережі, читає звіт, а не табличку.

Блок у Джохорі врешті-решт працював нормально. Ми змінили черговість вмикання вентиляторів, щоб другий ряд активувався на 6 К раніше, а замовник переніс 1,2 МВА некритичного навантаження на другий трансформатор — це дешевше рішення, ніж заміна, і воно стало можливим лише тому, що лист із номінальними параметрами показав нам, на що справді здатний блок.

Класи охолодження трансформаторів є найменш витратним рішенням щодо потужності в усьому пакеті й найпростішим для помилки, оскільки другий номінальний показник завжди здається додатковим запасом потужності, доки температура навколишнього середовища, допоміжне живлення та підшипники вентилятора не спростують цю думку. ryan-transformers.com — наші інженери надішлють вам поетапну номінальну характеристику разом із відповідними тестовими даними.

Про автора: Написано інженерною командою Ryan Electric — виробника трансформаторів, сертифікованого за стандартами UL/CSA, розташованого в Цзянсу, Китай, та партнера Eaton за спільним підприємством з 2023 року; постачає маслонаповнені, сухі та вбудовані в платформи трансформатори для проектів дата-центрів, енергетичних систем та промислових об’єктів у Північній Америці, Південно-Східній Азії та на Близькому Сході.