عند اختيار محول الطاقة ، غالبا ما يتم مناقشة العزل كما لو كان معيارًا واحدًا. في الواقع ، يتضمن تصميم عزل المحولنوعان مختلفان جوهريا: أداء العزل الحراري وقوة العزل العازل الكهربائي.

يحدد الجانب الحراري كيفية تحمل نظام العزل درجة حرارة التشغيل وارتفاع درجة الحرارة ودرجة حرارة النقاط الساخنة والشيخوخة الحرارية. يحدد الجانب العازل ما إذا كان المحول يمكن أن يتحمل الجهد الترددي للطاقة والنبض البرقي وغيره من الجهدات الزائدة العابرة.

لذلك،يجب اختيار الفئة الحرارية ومستوى العزل العازل بشكل منفصلويمكن أن يؤدي الخلط بين هذين المفهومين إلى مواصفات غير صحيحة للمحولات أو تكاليف غير ضرورية أو تنسيق غير كاف للعزل.

1. ما هو فئة عزل المحول؟

الشروطالفئات A و E و B و F و Hتستخدم عادة لوصف التصنيف الحراري لأنظمة العزل الكهربائي أو مواد العزل.

IEC 60085 يضع معايير لتقييم التحمل الحراري لمواد العزل الكهربائي وأنظمة العزل الكهربائي وتعيين فئات حرارية. ومن المهم أن المعيار يميز بين التصنيف الحراري لمواد العزل وأنظمة العزل الكاملة. ([متجر الويب IEC] [1])

تشمل الفئات الحرارية المرجعية النموذجية:

هذه درجات الحرارة يجبلايتم تفسيرها على أنها حدود النقاط الساخنة التي يلتفي بها المحول العالمي.

يجب على مصنع المحول تقييم نظام العزل الكامل وتصميم ارتفاع درجة الحرارة وترتيب التبريد وظروف التحميل ومعيار المحول المطبق قبل تحديد درجة حرارة التشغيل المسموح بها.

الفئة الحرارية لا تساوي ارتفاع درجة الحرارة

هذا التمييز ضروري.

على سبيل المثال:

فئة F ارتفاعدرجة الحرارة 100 K

و

فئة H ارتفاعدرجة الحرارة 125 K

تصف الفئة الحرارية التحمل الحراري لنظام العزل أو المادة. يتم تحديد حدود ارتفاع درجة حرارة المحول بشكل منفصل وفقًا لتصميم المحول والمعيار المعمول به وظروف التشغيل.

بالنسبة للمحولات المغمورة بالسائل ، يعالج IEC 60076-2 بشكل خاص متطلبات ارتفاع درجة الحرارة واختبارات ارتفاع درجة الحرارة. ([متجر الويب IEC] [2])

2. درجة حرارية مقابل مستوى العزل العازل

هذا هو أهم مفهوم في اختيار عزل المحول.

لذلك:

يحدد الفئة الحرارية التحمل الحراري لنظام العزل ، في حين يحدد مستوى العزل العازل قدرة عزل المحول على تحمل الإجهادات الكهربائية.

زيادة تصنيف الجهد المحول لا يعني تلقائيا أنه يجب زيادة الفئة الحرارية.

على سبيل المثال ، قد يستخدم محول الطاقة المغمر بالزيت عالي الجهد نظام عزل تقليدي قائم على السليلوز مع وجود مستوى عزل عازل أعلى بكثير من محول النوع الجاف منخفض الجهد.

وهذه هي أبعاد تصميم مستقلة.

3. كيفية اختيار الفئة الحرارية المحول

يجب أن يبدأ الاختيار الصحيح للفئة الحرارية بظروف التشغيل الفعلية بدلاً من مجرد اختيار فئة أعلى.

يمكن تقسيم عملية الاختيار العملية إلى خمس خطوات.

الخطوة 1: تحديد نوع المحول ونظام العزل

أولا تحديد ما إذا كان المحول هو:

• الغمر في الزيت المعدني

• مملوءة بالإستر

• صب الراتنج نوع جاف

• نوع جاف معزول بالهواء

• تصميم متخصص آخر

وينبغي بعد ذلك تقييم نظام العزل كنظام كامل بدلا من اسم مادة عزل واحدة.

محولات مغمورة بالزيت

عادة ما تستخدم المحولات التقليدية المغمورة بالزيت المعدني أنظمة العزل القائمة على السليلوز. ويمكن أيضا استخدام الورق المحسن حراريا وتقنيات العزل عالية الحرارة الأخرى عندما يتطلب التصميم تحسين الأداء الحراري.

بالنسبة للمحولات التي تستخدم مواد عزل درجات الحرارة العالية ، يعالج IEC 60076-14 بشكل خاص اعتبارات التصميم والاختبار والتحميل. ([متجر الويب IEC] [2])

لذلك من الأفضل تحديدنظام العزل الكامل وأداءه الحراريبدلا من مجرد القول بأن محول الزيت هو "الفئة أ".

محولات النوع الجاف

تستخدم أنظمة العزل من الفئة F والفئة H على نطاق واسع في المحولات الحديثة من النوع الجاف.

الاختيار المناسب يعتمد على:

• درجة حرارة البيئة

• تحميل الملف الشخصي

• ظروف التبريد

• ارتفاع درجة الحرارة المطلوب

• متطلبات التحميل الزائد

• بناء نظام العزل

• بيئة التثبيت

كما تميز معايير IEEE متطلبات المحولات الجافة والاختبار عن متطلبات المحولات المغمورة بالسائل. ([IEEE Xplore] [3])

4. النظر في درجة الحرارة المحيطة وملف التحميل

درجة الحرارة المحيطة هي واحدة من أهم العوامل في اختيار المحولات الحرارية.

المحول الذي يعمل باستمرار في درجة حرارة المحيط 45°C لديه هامش حراري أقل بكثير من المحول الذي يعمل في 25°C ، حتى لو كان كلاهما لديه نفس الطاقة الاسمية.

يجب تحديد الشروط التالية خلال المواصفات:

الأحمال التناغمية تستحق اهتماما خاصا. يمكن أن تنتج أجهزة التصحيح ومحركات التردد المتغير والمحولات الضوئية وغيرها من الأحمال الإلكترونية للطاقة التيارات غير الجيوبية وخسائر المحولات الإضافية.

توفر IEEE C57.110 طرق لتقييم قدرة المحولات عند توفير تيارات الحمل غير الجيوبية وتطبق على كل من المحولات السائلة والجافة ضمن نطاقها. ([IEEE Xplore] [4])

5. كيفية تقييم درجة حرارة البقعة الساخنة

إنلف درجة حرارة النقطة الساخنةهو أكثر أهمية للشيخوخة الحرارية من متوسط درجة حرارة التلف.

مفهوم هندسي مبسط هو:

درجة حرارة النقطة الساخنة = درجة حرارة البيئة + مكونات ارتفاع درجة الحرارة ذات الصلة + بدل النقطة الساخنة

ومع ذلك، ينبغي أنلايُعامل كحساب عالمي باستخدام تدرج نقطة ساخنة ثابتة واحدة.

تعتمد درجة حرارة النقطة الساخنة الفعلية على:

• بناء المحولات

• هندسة التلف

• توزيع الخسائر

• طريقة التبريد

• مستوى التحميل

• تداول الزيت أو تداول الهواء

• الخصائص الحرارية لنظام العزل

لدى IEEE توجيهات مخصصة لتحديد درجة حرارة النقطة الأكثر حرارة في كل من تطبيقات المحولات المملوءة بالسائل والنوع الجاف. على سبيل المثال ، تعالج IEEE C57.134 منهجيات تحديد درجة حرارة النقطة الأكثر حرارة في محولات النوع الجاف. ([IEEE Xplore] [5])

بالنسبة للمحولات المغمورة بالسائل ، يجب تقييم تصميم ارتفاع درجة الحرارة وفقًا للمتطلبات المعمول بها وطرق الاختبار لـ IEC 60076-2 أو متطلبات IEEE المقابلة.

نهج هندسي أفضل

بدلاً من القول:

45°C + 115 K + 8 K = 168°C → وبالتالي فإن الفئة H مطلوبة

النهج الهندسي الصحيح هو:

أقصى درجة حرارة محيطة → ملف تعريف التحميل → نموذج حراري المحول → ارتفاع درجة الحرارة → درجة حرارة النقطة الساخنة → القدرة الحرارية لنظام العزل → عمر الخدمة المطلوب

إذا كانت درجة حرارة النقطة الساخنة المحسوبة أو المختبرة مفرطة، فإن الحلول الممكنة تشمل:

• زيادة قدرة المحول

• تقليل التحميل المستمر

• تحسين التبريد

• تقليل الخسائر

• تحسين تصميم الملف

• اختيار نظام عزل مناسب

• استخدام تكنولوجيا العزل عالية درجة الحرارة حيث مبرر

لذلك،الترقية من الفئة F إلى الفئة H هي حل واحد ممكن فقط ، وليس متطلبا تلقائيا.

6. النظر في الشيخوخة الحرارية وعمر الخدمة

يتدهور عزل المحول تدريجيا تحت الضغوط الحرارية والكهربائية والبيئية.

بالنسبة للعديد من أنظمة العزل التقليدية ، غالبا ما تستخدم زيادة 10°C في درجة حرارة العزلقاعدة الإبهاملتوضيح تسارع الشيخوخة الحرارية. ومع ذلك، تعتمد شيخوخة العزل الفعلية على نظام العزل الكامل وعوامل مثل:

• درجة الحرارة

• الرطوبة

• الأكسجين

• مواد العزل

• حالة الزيت

• تحميل الملف الشخصي

• مدة التشغيل

وبالتالي فإن المقتبس عادة "قاعدة 10°C" يجب أن تعامل على أنها تقريب هندسي بدلا من معادلة عمر عالمية.

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب عمر خدمة طويل، يجب على مواصفات المحول تحديد ملف تعريف الحمل المتوقع وظروف التشغيل بدلاً من مجرد مطالبة فئة حرارية أعلى.

7. متى يجب عليك النظر في درجة حرارية أعلى؟

قد تكون فئة حرارية أعلى مناسبة عندما يتعرض المحول لظروف حرارية صعبة.

وتشمل العوامل النموذجية:

درجة حرارة محيطية عالية

ومن الأمثلة على ذلك ما يلي:

• منشآت الصحراء

• البيئات الاستوائية

• غرف كهربائية ضعيفة الهواء

• محطات فرعية مغلقة

• محطات فرعية حاويات

التحميل الزائد المتكرر

إذا كان من المتوقع أن يعمل المحول فوق الحمل المسمى لفترات كبيرة ، يجب تقييم التصميم الحراري وفقًا لملف التحميل الفعلي.

الأحمال التناغمية

قد تزيد محركات الأقراص الصناعية والمصححات ومراكز البيانات ومحولات الطاقة المتجددة وغيرها من الأحمال غير الخطية من خسائر المحولات والتدفئة.

تبريد محدود

بالنسبة للمحولات الجافة ، يمكن أن يؤثر التهوية غير الكافية في الغرفة بشكل كبير على درجة حرارة التشغيل الفعلية.

متطلبات تشغيل خاصة

قد تتطلب التعدين والمعادن والنقل بالسكك الحديدية والطاقة المتجددة وغيرها من التطبيقات تصاميم حرارية وعزل مخصصة.

ومع ذلك، لا تعني هذه الشروط تلقائيا أنه يجب اختيار الفئة H. يجب على الشركة المصنعة تقييم التصميم الحراري الكامل أولا.

8. لا ينبغي حل الظروف البيئية بواسطة الفئة الحرارية وحدها

هناك خطأ شائع آخر هو افتراض:

بيئة قاسية → فئة H العزل

هذا ليس بالضرورة صحيحاً.

تتطلب المشاكل البيئية المختلفة تدابير هندسية مختلفة.

على سبيل المثال، قد تتطلب الرطوبة العالية حماية الرطوبة المناسبة واختيار نظام العزل، ولكن ببساطة التغيير من الفئة F إلى الفئة H لا يحل المشكلة تلقائيا.

وبالمثل، يؤثر الارتفاع العالي على كل من التصميم الحراري والكهربائي، لذلك يجب النظر إليه بشكل منفصل بدلاً من التعامل معه كمسألة درجة حرارية وحدها.

9. حدد مستوى العزل العازل بشكل منفصل

بعد إنشاء التصميم الحراري ، يجب اختيار مستوى العزل العازل للمحول بشكل منفصل.

العملية الأساسية هي:

الجهد النظامي → أعلى الجهد للمعدات (أم) → تنسيق العزل → AC تحمل → نبض البرق → نبض التبديل عند الاقتضاء

بالنسبة لمحولات الجهد المتوسط والعالي ، قد تشمل المعلمات العازلة المهمة:

• الطاقة تردد تحمل الجهد

• نبضات البرق تحمل الجهد (LI أو LIWV)

• التبديل النبض تحمل الجهد (SI أو SIWV) ، عند الاقتضاء

• تنسيق العزل الداخلي

• التصريحات الخارجية

• مسافات الزحف

IEC 60076-3 تغطي على وجه التحديد مستويات عزل المحولات واختبارات العزل والفراغات الخارجية ذات الصلة. لذلك ، فهو مرجع أكثر دقة بكثير لهذا الجزء من مواصفات المحول من مجرد الإشارة إلى سلسلة IEC 60076 العامة.

اعتبارات التطبيق النموذجية

اتصال الخط العلوي

تنسيق عزل نبضات البرق مهم بشكل خاص بسبب التعرض للتوترات الزائدة في الغلاف الجوي.

محول متصل بالكابل

بيئة الجهد الزائد تختلف عن اتصال الخط الجوي وينبغي تقييمها بناء على تكوين الشبكة الفعلي.

محول متصل بنظام المعلومات الجغرافية

وقد تتطلب الظواهر العابرة السريعة وواجهة محول نظام المعلومات الجغرافية الفعلية مراعاة إضافية.

النقطة المهمة هي:

لا ينبغي استخدام فئة المحول الحرارية كبديل عن تنسيق العزل العازل.

10. يجب التحقق من التصميم الحراري والتصميم العازل بشكل منفصل

لذلك يجب أن تحتوي مواصفات المحولات المصممة بشكل جيد على قسمين مستقلين.

هذا الفصل يجعل المواصفات التقنية أكثر وضوحاً ويقلل من خطر اختيار نظام عزل يستند فقط إلى فئة الجهد أو درجة الحرارة.

11. اختبارات عزل المحولات والتحقق

وينبغي أيضا تقسيم برنامج الاختبار إلى التحقق الحراري والكهربائي.

التحقق الحراري

اعتمادا على نوع المحول والمعيار المعمول به، قد يشمل هذا:

• اختبار ارتفاع درجة الحرارة

• التحقق من ارتفاع درجة الحرارة

• تقييم درجة الحرارة في النقاط الساخنة

• تقييم قدرة التحميل

بالنسبة للمحولات المغمورة بالسائل، توفر IEC 60076-2 إطار ارتفاع درجة الحرارة وأساليب الاختبار ذات الصلة. ([متجر الويب IEC] [2])

التحقق من العزل الكهربائي

اعتمادا على تصميم المحول والمواصفات، قد تشمل الاختبارات:

• اختبار الجهد المطبق

• اختبار الجهد المحفز

• اختبار نبضات البرق

• قياس التفريغ الجزئي عند الاقتضاء

• قياسات مقاومة العزل كما هو محدد

هذه الاختبارات تتحقق من الأداء العازل ولا ينبغي الخلط بينها وبين التحقق من الفئة الحرارية.

بالنسبة للمحولات الجافة ، توفر IEEE C57.12.91 طرق اختبار للاختبارات المحددة بموجب معايير المحولات الجافة المعمول بها ومواصفات المستخدم. ([IEEE Xplore] [6])

12. أمثلة عملية على اختيار عزل المحول

بدلا من استخدام قاعدة بسيطة مثل "درجة حرارة عالية = فئة H"، فكر في التطبيق الكامل.

مثال 1: محول توزيع تقليدي مغمر بالزيت

شروط:

• 10/0.4 kV

• درجة الحرارة المحيطة ضمن الظروف القياسية المحددة

• حمولة مستقرة

• محتوى هارموني منخفض

• تطبيق التوزيع التقليدي

قد يكون نظام عزل تقليدي قائم على السليلوز مناسباً. يجب تحديد حدود ارتفاع درجة الحرارة والحمل الفعلية وفقًا لمعيار المحول المعمول به وتصميم المصنع.

مثال 2: محول الراتنج الصب الداخلي

شروط:

• 10/0.4 kV

• مبنى تجاري

• درجة حرارة المحيط العادية

• اختلاف الحمل المعتدل

قد يكون نظام العزل من الفئة F مناسبا إذا كان التصميم الحراري الكامل يلبي متطلبات ارتفاع درجة الحرارة وعمر الخدمة المطلوبة.

مثال 3: محول من النوع الجاف في غرفة كهربائية عالية درجة الحرارة

شروط:

• درجة حرارة محيطية عالية

• التهوية المحدودة

• اختلاف كبير في الحمل

• معدات إنتاج الهرمونية

يجب على الشركة المصنعة أولاً حساب الأداء الحراري الفعلي. اعتمادا على درجة حرارة النقطة الساخنة الناتجة وعمر الخدمة المطلوب ، قد يتضمن الحل قدرة أعلى ، أو تحسين التبريد ، أو خفض ارتفاع درجة الحرارة ، أو نظام عزل درجة حرارة أعلى.

مثال 4: محول طاقة عالية الجهد

محول الجهد العالي يفعللاتتطلب تلقائيا فئة حرارية أعلى ببساطة لأن الجهد أعلى.

يجب اختيار مستوى العزل العازل وفقا لجهد النظام وتنسيق العزل ، في حين يجب تحديد تصميمه الحراري بشكل مستقل.

هذا هو واحد من أهم المبادئ في اختيار عزل المحولات.

13. أخطاء اختيار عزل المحول الشائعة

الخطأ 1: الجهد العالي يعني درجة حرارية أعلى

غير صحيح

يؤثر الجهد في المقام الأول على تنسيق العزل العازل ، في حين أن الفئة الحرارية تتعلق بالمتانة الحرارية.

الخطأ الثاني: الفئة H دائما أفضل من الفئة F

ليس بالضرورة

قد تكون فئة حرارية أعلى غير ضرورية إذا كان المحول يفي بالفعل بمتطلبات ارتفاع درجة الحرارة المطلوبة والنقاط الساخنة وعمر الخدمة.

النهج الصحيح هو اختيار نظام العزل وفقا لظروف التشغيل الفعلية.

الخطأ 3: الفئة الحرارية تحدد ارتفاع درجة الحرارة مباشرة

غير صحيح

الفئة الحرارية وحدود ارتفاع درجة الحرارة المحول مرتبطة ولكنها غير قابلة للتبديل.

الخطأ 4: متوسط درجة حرارة التلف هي نفس درجة حرارة النقطة الساخنة

غير صحيح

يمكن أن تكون نقطة التلف الساخنة أعلى بكثير من متوسط درجة حرارة التلف ، ودرجة حرارة النقطة الساخنة مهمة لتقييم الشيخوخة الحرارية.

الخطأ الخامس: فئة حرارية أعلى تحل كل حالة بيئية قاسية

غير صحيح

تتطلب الرطوبة والغبار والضباب الملحي والتلوث الكيميائي والارتفاع اعتبارات تصميم خاصة بهم.

الخطأ 6: فئة العزل الحراري يحدد BIL

غير صحيح

مستوى عزل نبضات البرق هو جزء من تصميم العزل العازل ويجب اختياره وفقا لتنسيق العزل المعمول به ومعيار المحول.

14. قائمة التحقق من اختيار عزل المحول

قبل وضع الصيغة النهائية لمواصفات المحول، تحقق من ما يلي:

15. ما هي المعايير التي ينبغي النظر فيها؟

تعتمد المعايير الدقيقة على نوع المحول والسوق المستهدفة ، ولكن المراجع التالية مهمة عند تطوير مواصفات المحول الدولية:

IEC 60085 - تقييم حراري وتعيين العزل الكهربائي. ويحدد معايير لتقييم التحمل الحراري لمواد العزل الكهربائي وأنظمة العزل. ([متجر الويب IEC] [1])

IEC 60076-2محولات الطاقة، الجزء الثاني: ارتفاع درجة الحرارة للمحولات المغمورة بالسائل. ([متجر الويب IEC] [2])

IEC 60076-3محولات الطاقة، الجزء الثالث: مستويات العزل واختبارات العزل والفراغات الخارجية.

IEC 60076-14 - محولات الطاقة المغمورة في السوائل باستخدام مواد العزل عالية درجة الحرارة. ([متجر الويب IEC] [2])

بالنسبة لمشاريع أمريكا الشمالية ، يجب اختيار معايير IEEE / ANSI المعمول بها وفقًا لنوع المحول ومتطلبات المشروع. على سبيل المثال، يغطي IEEE C57.12.01 المتطلبات العامة للتوزيع الجاف ومحولات الطاقة، في حين يعالج IEEE C57.110 قدرة المحول مع تيارات التحميل غير الجيوبية. ([IEEE Xplore] [3])

استنتاج

لا ينبغي أبدا تقليل اختيار عزل المحول الدقيق إلى مجرد اختيارالفئة A، B، F أو H.

يجب أن تفصل عملية اختيار موثوقة بين سؤالين تصميم مستقلين:

تصميم حراري

درجة حرارة البيئة → Load → التبريد → ارتفاع درجة الحرارة → درجة حرارة النقطة الساخنة → الشيخوخة الحرارية → عمر الخدمة

و

تصميم عازل كهربائي

الجهد النظامي → Um → تنسيق العزل → AC تحمل → ليه / بيل → SI حيثما ينطبق

تصف الفئة الحرارية التحمل الحراري لنظام العزل ، في حين يحدد مستوى العزل العازل قدرته على تحمل الإجهاد الكهربائي. تتناول IEC 60085 و IEC 60076-2 و IEC 60076-3 و IEC 60076-14 أجزاء مختلفة من عملية التصميم هذه بدلاً من توفير "درجة عزل محول" واحدة لكل تطبيق. ([متجر الويب IEC] [1])

وبالتالي ، بالنسبة لمشتري المحولات والمهندسين ، فإن أفضل نهج ليس اختيار أعلى فئة عزل ، ولكن تحديد نظام العزل والأداء الحراري ومستوى العزل العازل وفقًا للجهد الفعلي والحمل والبيئة وظروف الخدمة.