ارتفاع درجة حرارة المحولات: الحدود والحساب ودليل التبريد

ارتفاع درجة حرارة المحولاتهي واحدة من تلك التفاصيل التقنية التي قد تبدو بسيطة على الورق ولكنها مهمة جدًا في التشغيل الحقيقي. ينتج كل محول حرارة عندما يتم تنشيطه ويحمل حمولة. ويتمثل التحدي في إخراج هذه الحرارة بكفاءة والحفاظ على القلب والملفات والعزل والزيت ضمن نطاق درجة الحرارة المصمم لها.

يصبح هذا مهمًا بشكل خاص معزيت-محول مغمور. يقوم زيت المحولات بأكثر من مجرد توفير العزل الكهربائي. كما أنه يحمل الحرارة بعيدًا عن الأجزاء النشطة وينقلها إلى الخزان والمشعات والهواء المحيط.

لذلك، عندما يتحدث المهندسون عنارتفاع درجة حرارة الزيت-المحولات المغمورة، إنهم ينظرون حقًا إلى خسائر محولات النظام الحراري بالكامل -، ودورة الزيت، ومعدات التبريد، والظروف المحيطة، وتصميم الخزان، والتحميل الفعلي.

ارتفاع درجة الحرارة ودرجة حرارة المحولات

أولاً، يجدر توضيح نقطة مشتركة:درجة حرارة المحولوارتفاع درجة حرارة المحولاتليست نفس الشيء.

درجة حرارة المحول هي درجة الحرارة الفعلية لأحد المكونات، مثل اللف أو الزيت العلوي أو القلب أو الخزان. ارتفاع درجة الحرارة هوالفرق بيندرجة الحرارة تلك ودرجة الحرارة المحيطة أو المرجعية المحددة.

بعبارات بسيطة:

درجة حرارة المحول=درجة الحرارة المحيطة + ارتفاع درجة الحرارة

على سبيل المثال، إذا كانت درجة الحرارة المحيطة هي 30 درجة وارتفاع درجة حرارة الزيت-الأعلى هو 55 كلفن، فإن درجة حرارة الزيت العلوية التقريبية- هي 85 درجة .

وبطبيعة الحال، فإن المحول الحقيقي ليس بهذه البساطة. أجزاء مختلفة تعمل في درجات حرارة مختلفة. تكون درجة حرارة الملف عادة أعلى من الزيت المحيط، وقد تصبح منطقة صغيرة من الملف أكثر سخونة بكثير من متوسط ​​درجة حرارة الملف. تُعرف منطقة درجة الحرارة الأعلى- هذه باسمنقطة ساخنة متعرجة.

ولهذا السبب ينظر التصميم الحراري للمحولات إلى أكثر من قراءة واحدة لدرجة الحرارة.

معايير ارتفاع درجة حرارة المحولات

تعتمد متطلبات ارتفاع درجة الحرارة- على المعايير المعمول بها، وتصميم المحولات، ونظام العزل، وطريقة التبريد، وظروف التشغيل.

إيك 60076-2يوفر متطلبات اختبارات ارتفاع درجة الحرارة-للسائل-المحولات المغمورة. الإيي سي 57تُستخدم السلسلة أيضًا على نطاق واسع، خاصة لتطبيقات المحولات في أمريكا الشمالية.

بالنسبة لمشروع معين، من الأفضل دائمًا التحقق من المعايير المطبقة ومواصفات المشروع بدلاً من مجرد نسخ رقم درجة الحرارة من محول آخر.

جدول حدود ارتفاع درجة حرارة المحولات

بالنسبة لتصميمات المحولات التقليدية المغمورة بالسائل-، تتضمن القيم المرجعية الشائعة من المواصفة IEC 60076-2 ما يلي:

هذه الأرقام هي مراجع هندسية مفيدة، ولكن لا ينبغي معاملتها كحدود عالمية لكل محول. يمكن أن تختلف المتطلبات الفعلية اعتمادًا على السائل العازل ونظام العزل وترتيب التبريد ومواصفات المحولات والمعايير المعمول بها.

وهناك نقطة أخرى يسهل إغفالها:ارتفاع درجة الحرارة ليس درجة الحرارة المطلقة.

الجدول مجرد توضيح بسيط. تعتمد درجة حرارة تشغيل المحول الفعلية على الحمل وظروف التبريد وتوزيع الحرارة والتصميم الحراري للشركة المصنعة.

تميز ممارسات محولات IEEE أيضًا بين التصميمات ذات متوسط ​​ارتفاعات درجة حرارة الملفات المختلفة، بما في ذلك المستخدمة بشكل شائع55 درجةو65 درجةتصميمات لمحولات-الزيوت المعدنية-المغمورة. لذا، مرة أخرى، يجب أن تكون البيانات الفنية المضمونة من الشركة المصنعة هي المرجع النهائي لمشروع معين.

تقادم المواد العازلة وارتفاع درجة الحرارة

درجة الحرارة لها تأثير مباشر على عمر عزل المحولات.

عندما يعمل العزل عند درجات حرارة مرتفعة لفترات طويلة، فإن عملية الشيخوخة تتسارع بشكل عام. يمكن أن يتأثر كل من العزل الصلب والزيت العازل بالإجهاد الحراري المستمر.

النقطة ساخنة متعرجةيستحق اهتماما خاصا. قد يكون للمحول متوسط ​​درجة حرارة ملف مقبول بينما تعمل المنطقة المحلية بشكل أكثر سخونة.

يحاول التصميم الجيد للمحولات إبقاء هذه النقاط الساخنة تحت السيطرة. تلعب هندسة اللف المناسبة، ومسارات تدفق الزيت-، واختيار الموصل، وقدرة التبريد دورًا.

المتوسط ​​المرجح لدرجة الحرارة المحيطة

درجة الحرارة المحيطةهو عامل آخر لا ينبغي إغفاله.

من الواضح أن المحول الذي يعمل عند نفس ارتفاع درجة الحرارة سيكون له درجة حرارة مطلقة أعلى عند تركيبه في بيئة حارة.

وهذا مهم بشكل خاص في المناطق الاستوائية والمحطات الفرعية المغلقة والمرافق الصناعية حيث يمكن أن تظل درجات الحرارة المحيطة مرتفعة لفترات طويلة.

قد يحتاج المهندسون إلى مراعاة درجات الحرارة الموسمية وارتفاع التركيب والتهوية والإشعاع الشمسي والمعدات القريبة.

بمعنى آخر، يمكن أن يتصرف نفس المحول بشكل مختلف تمامًا في بيئتين للتركيب حتى عندما يكون ارتفاع درجة الحرارة المقدر متطابقًا.

محولات التدفئة والتبريد

يقوم المحول بتوليد الحرارة بشكل رئيسي من خلالهالخسارة الأساسية، وفقدان اللف، وفقدان الحمل الضال.

ترتبط الخسائر الأساسية في المقام الأول بالتباطؤ والتيارات الدوامة في القلب المغناطيسي. ترتبط خسائر اللف بشكل أساسي بمقاومة الموصل، في حين يمكن أن تحدث خسائر طائشة إضافية في اللفات، وجدران الخزان، والمشابك، والمكونات المعدنية الأخرى.

بالنسبة للمحول-المغمور بالزيت، يبدو مسار نقل الحرارة الأساسي-كما يلي:

القلب واللفات ← زيت المحولات ← الخزان/المشعات ← الهواء المحيط

عندما يصل المحول إلى التوازن الحراري، فإن الحرارة المتولدة داخله تتوازن تقريبًا مع الحرارة المنطلقة إلى الخارج.

طرق تبديد حرارة المحولات

تعمل العديد من آليات نقل الحرارة-معًا داخل المحول.

بالنسبة لمحول صغير أو متوسط، قد يكون التبريد الطبيعي كافيا. ومع زيادة سعة المحول، تزداد أيضًا كمية الحرارة التي يجب إزالتها. هذا هو المكان الذي تأتي فيه بنوك الرادياتير الكبيرة أو المراوح أو المضخات أو دوران الزيت الموجه.

طرق تبريد المحولات

يتم استخدام العديد من ترتيبات التبريد بشكل شائع-للمحولات المغمورة بالزيت.

يظل تبريد ONAN خيارًا شائعًا لأنه بسيط وموثوق نسبيًا. هناك عدد أقل من المكونات المساعدة التي يجب صيانتها، وهي ميزة حقيقية في العديد من التركيبات.

بالنسبة للمحولات الأكبر حجما يمكن إضافة مراوح لزيادة قدرة التبريد. قد تستخدم محولات الطاقة الكبيرة جدًا دوران الزيت القسري- لتوفير نقل حرارة أكثر تحكمًا.

تسخين وتبريد الزيت-المحولات المغمورة

زيت المحولاتيقع في قلب النظام الحراري في المحولات المغمورة بالزيت-.

عندما يولد القلب واللفات الحرارة، يصبح الزيت المحيط أكثر دفئًا. يصبح الزيت الدافئ أقل كثافة ويتحرك بشكل طبيعي للأعلى، بينما يتحرك الزيت البارد للأسفل. وهذا يخلق الدورة الدموية داخل المحول.

هذه هي الطريقة الأساسية التي يعمل بها تبريد ONAN.

يصل الزيت الساخن في النهاية إلى الخزانمشعاتحيث تنتقل حرارته إلى الهواء المحيط.

حمل المحول له تأثير كبير على هذه العملية. تتناسب خسائر اللف تقريبًا مع مربع التيار:

وحدة المعالجة المركزية ∝ أنا²

وهذا يعني أن الزيادة المتواضعة نسبياً في التيار يمكن أن تؤدي إلى زيادة أكبر بكثير في خسائر الملفات.

هذه مقارنة مبسطة. تعد خسائر المحولات الفعلية أكثر تعقيدًا نظرًا لأن مقاومة الموصل تتغير مع درجة الحرارة، كما توجد خسائر طائشة إضافية.

ومع ذلك، فإن الرسالة واضحة جدًا: يمكن أن يصبح الحمل الزائد المستمر مشكلة حرارية بسرعة.

ارتفاع درجة حرارة الزيت-ملفات المحولات المغمورة

الارتفاع درجة حرارة الزيت-ملفات المحولات المغمورةهي واحدة من المعالم الرئيسية في التصميم الحراري للمحولات.

تتأثر درجة حرارة الملف بمادة الموصل، ومقاومة الملف، وكثافة التيار، وهندسة الملف، وقنوات تدفق الزيت، وترتيب العزل، وطريقة التبريد، والحمل.

كما أن درجة الحرارة لا يتم توزيعها بالتساوي في جميع أنحاء الملف. من الطبيعي أن تكون بعض المناطق أكثر سخونة من غيرها، ويصبح الموقع ذو الحرارة الأعلى-النقطة الساخنة المتعرجة.

العلاقة المبسطة هي:

-درجة حرارة النقطة الساخنة=درجة الحرارة المحيطة + القمة-ارتفاع الزيت + اللف-إلى-تدرج درجة حرارة الزيت

الحساب الفعلي أكثر تعقيدًا ويعتمد على تصميم المحول والمعايير المعمول بها.

طرق الحساب الهندسي لتدفق الزيت وارتفاع درجة الحرارة في اللفات

يمكن للمهندسين تقييم تدفق زيت المحولات ودرجة حرارة الملفات باستخدام الحسابات التحليلية والنماذج الحرارية، وبالنسبة للمحولات الأكبر أو الأكثر تعقيدًا، ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD).

بعض المعلمات الرئيسية تشمل:

يعد التصميم الجيد لتدفق الزيت-أمرًا بالغ الأهمية. إذا لم يدور الزيت بشكل صحيح خلال الملف، يمكن أن تتطور النقاط الساخنة الموضعية حتى عندما تبدو درجة حرارة المحول الإجمالية مقبولة.

بالنسبة لمحولات الطاقة الكبيرة، يمكن أن يساعد تحليل عقود الفروقات المهندسين في تحديد التدفق غير المتساوي للزيت، وتدرجات درجات الحرارة، ومواقع النقاط الساخنة المحتملة-قبل تصنيع المحول.

تبديد الحرارة لخزانات زيت المحولات

خزان زيت المحولات ليس مجرد حاوية للزيت. وهو أيضًا جزء من نظام التبريد.

بعد امتصاص الحرارة من القلب والملفات، ينقل الزيت تلك الحرارة إلى جدران الخزان. ثم يقوم سطح الخزان بإطلاق الحرارة إلى البيئة المحيطة.

تتطلب المحولات الأكبر حجمًا عادةً مشعات لتوفير مساحة إضافية لنقل الحرارة-.

تبديد الحرارة بالحمل الحراري

يعد الحمل الحراري إحدى الطرق الرئيسية التي يطلق بها المحول الحرارة.

عندما يصبح سطح الخزان أكثر دفئًا من الهواء المحيط، يسخن الهواء القريب، ويصبح أقل كثافة، ويرتفع. ثم يتحرك الهواء البارد نحو سطح الخزان.

وهذا يخلق دورانًا طبيعيًا للهواء ويحمل الحرارة بعيدًا عن المحول.

من خلال تبريد الهواء القسري-، تعمل المراوح على زيادة تدفق الهواء عبر أسطح الرادياتير. وهذا مفيد بشكل خاص عندما يعمل المحول تحت حمولة عالية.

إشعاع

يقوم خزان المحولات والمشعات أيضًا بإطلاق الحرارة من خلال الإشعاع الحراري.

تعتمد كمية الحرارة المنبعثة على درجة حرارة السطح والانبعاثية والمنطقة المكشوفة والظروف المحيطة.

الإشعاع لا يعمل بمفرده. من الناحية العملية، يعمل الإشعاع والحمل الحراري معًا ويساهمان في تبديد الحرارة الإجمالي للمحول.

ارتفاع درجة حرارة خزانات زيت المحولات الأنبوبية

تستخدم خزانات زيت المحولات الأنبوبية هياكل أنبوبية لزيادة مساحة نقل الحرارة الخارجية.

يبقى المسار الحراري الأساسي:

الأجزاء النشطة ← الزيت ← الخزان الأنبوبي ← الهواء المحيط

يمكن لسطح التبريد الأكبر أن يحسن تبديد الحرارة، خاصة بالنسبة للمحولات المبردة بشكل طبيعي.

يعتمد ارتفاع درجة حرارة خزان زيت المحولات الأنبوبي على تحميل المحول، ودورة الزيت، وأبعاد الأنبوب، وتباعد الأنابيب، ودرجة الحرارة المحيطة، وتدفق الهواء حول الخزان.

لذلك يجب تصميم الخزان كجزء من النظام الحراري الكامل، بالإضافة إلى القلب والملفات وممرات الزيت والمشعات والهواء المحيط.

لماذا يهم ارتفاع درجة حرارة المحولات؟

لماذا نقضي الكثير من الوقت في مناقشة ارتفاع درجة الحرارة؟ لأنه له علاقة مباشرة مععمر العزل، وقدرة تحميل المحولات، وأداء التبريد، والموثوقية، وعمر الخدمة.

يمكن أن يؤدي التشغيل على المدى الطويل-في درجات حرارة مفرطة إلى تسريع تقادم العزل وزيادة خطر التدهور الحراري. من ناحية أخرى، يمكن لنظام التبريد كبير الحجم أن يضيف تكلفة غير ضرورية للمعدات واستهلاكًا إضافيًا للطاقة.

الهدف ليس مجرد جعل المحول باردًا قدر الإمكان. تتعلق الهندسة الجيدة بإيجاد التوازن الصحيح بين توليد الحرارة، وتبديد الحرارة، والكفاءة، والتكلفة، والموثوقية، وملف تعريف الحمل الفعلي.

تستحق التركيبات الكهربائية الحديثة أيضًا اهتمامًا إضافيًا. يمكن لمراكز البيانات، ومحركات-التردد المتغير، ومحولات الطاقة-المتجددة، وأنظمة شحن المركبات الكهربائية، وأحمال الطاقة-الإلكترونية الأخرى أن تقدم تيارات توافقية. قد تزيد هذه التيارات من خسائر المحولات الإضافية وتساهم في التسخين.

العوامل الرئيسية المؤثرة على ارتفاع درجة حرارة المحولات

عند اختيار أو تحديد محول مغمور بالزيت-، فمن المفيد النظر إلى بيئة التشغيل الكاملة بدلاً من التركيز على رقم درجة حرارة واحد.

خاتمة

ارتفاع درجة حرارة المحولاتهو جزء أساسي من تصميم المحولات واختبارها وتشغيلها. فهو يصف مدى سخونة مكون المحول مقارنة بدرجة الحرارة المحيطة المرجعية، ويوفر مؤشرًا مفيدًا لفعالية النظام الحراري للمحول.

لزيت-محول مغموريتم نقل الحرارة الناتجة عن القلب واللفات إلى الزيت العازل، ويتم نقلها عبر نظام التبريد، وتمريرها إلى الخزان والمشعات، ويتم إطلاقها أخيرًا من خلال الحمل الحراري والإشعاع.

الارتفاع درجة حرارة الزيت-المحولات المغمورةيعتمد على العديد من العوامل، بما في ذلك تحميل المحولات، ودرجة الحرارة المحيطة، وتصميم الملفات، ودوران الزيت، وطريقة التبريد، وبناء الخزان، ومنطقة نقل الحرارة-المتاحة.

تستحق النقطة الساخنة المتعرجة اهتمامًا خاصًا لأن ارتفاع درجة الحرارة الموضعي يمكن أن يؤدي إلى تسريع شيخوخة العزل حتى عندما يظل متوسط ​​درجة الحرارة ضمن الحدود المقبولة.

لمصنعي المحولات مثلياوي محولولذلك يعد التصميم الحراري جزءًا أساسيًا من هندسة المنتج. إن تكوين الملفات، ومسارات تدفق الزيت-، وتوزيع الخسارة، وتصميم الرادياتير، ومعدات التبريد، واختبار ارتفاع درجة الحرارة-، كلها تحتاج إلى العمل معًا.

عند تحديد محول، تحقق دائمًا مما ينطبقمعايير IEC 60076 أو IEEE C57ومتطلبات المشروع ونظام العزل وترتيبات التبريد والظروف المحيطة والبيانات الفنية المضمونة من الشركة المصنعة. القيم مثل60 ك، 65 ك، 70 ك، و 78 كهي قيم ارتفاع درجة الحرارة المرجعية-في ظل ظروف محددة، وليست حدود درجة حرارة التشغيل العامة-لكل محول.

في النهاية، يعد التصميم الحراري الجيد أمرًا بسيطًا إلى حد ما من حيث المبدأ: توليد حرارة أقل غير ضرورية، وتحريك الحرارة بكفاءة، وإبقاء النقاط الساخنة تحت السيطرة، والتأكد من قدرة المحول على التعامل مع -الحمل العالمي الحقيقي الذي سيراه بالفعل.

اتصل الآن