При выборе мощного трансформатора изоляция часто обсуждается так, будто это один параметр. На самом деле, конструкция изоляции трансформатора включаетдва принципиально разных аспекта: теплоизоляционные характеристики и прочность диэлектрической изоляции.

Тепловая сторона определяет, как изоляционная система выдерживает рабочую температуру, повышение температуры, температуру горячих точек и термическое старение. Диэлектрическая сторона определяет, может ли трансформатор выдерживать мощно-частотное напряжение, импульс молнии и другие переходные перенапряжения.

Поэтому,термический класс и уровень диэлектрической изоляции должны быть выбраны отдельноСмешание этих двух концепций может привести к неправильным спецификациям трансформатора, ненужным затратам или недостаточной координации изоляции.

1. Что такое класс изоляции трансформатора?

УсловияКлассы A, E, B, F и HОни обычно используются для описания термической классификации электроизоляционных систем или изоляционных материалов.

IEC 60085 устанавливает критерии оценки тепловой стойкости электроизоляционных материалов и систем электроизоляции и присвоения тепловых классов. Важно отметить, что в стандарте проводится различие между термической классификацией изоляционных материалов и термической классификацией полных изоляционных систем. ([Веб-магазин IEC][1])

Типичные эталонные термические классы включают:

Эти температуры должнынетследует интерпретировать как универсальные границы горячих точек обмотки трансформатора.

Производитель трансформатора должен оценить полную изоляционную систему, конструкцию с повышением температуры, расположение охлаждения, условия нагрузки и применимый стандарт трансформатора перед определением допустимой рабочей температуры.

Термический класс не равный повышению температуры

Это различие крайне важно.

Например:

Класс F КлассF Повышениетемпературы 100 K

и

Класс H КлассH Повышениетемпературы 125 K

Термический класс описывает тепловую стойкость изоляционной системы или материала. Ограничения повышения температуры трансформатора определяются отдельно в соответствии с конструкцией трансформатора, применимыми стандартами и условиями эксплуатации.

Для погруженных в жидкость трансформаторов IEC 60076-2 специально отвечает требованиям к повышению температуры и испытаниям на повышение температуры. ([Веб-магазин IEC][2])

2. Термический класс против уровня диэлектрической изоляции

Это самая важная концепция при выборе изоляции трансформатора.

Поэтому:

Тепловой класс определяет тепловую выносливость изоляционной системы, в то время как уровень диэлектрической изоляции определяет способность изоляции трансформатора выдерживать электрические напряжения.

Повышение номинального напряжения трансформатора автоматически не означает, что термический класс должен быть увеличен.

Например, высоковольтный трансформатор мощности, погруженный в масло, может использовать обычную изоляционную систему на основе целлюлозы, имея гораздо более высокий уровень диэлектрической изоляции, чем низковольтный трансформатор сухого типа.

Это два независимых дизайнерских измерения.

3. Как выбрать термический класс трансформатора

Правильный выбор термического класса должен начаться с фактических условий работы, а не просто с выбора более высокого класса.

Практический процесс отбора можно разделить на пять этапов.

Шаг 1: Определите тип трансформатора и изоляционную систему

Прежде всего определите, является ли трансформатор:

• Минеральное масло-погруженное

• наполненный эстером

• Литая смола сухого типа

• Воздушно изолированный сухой тип

• Другой специализированный дизайн

Затем изоляционную систему следует оценивать как полную систему, а не по названию одного изоляционного материала.

Масляные трансформаторы

Трансформаторы, погруженные в минеральное масло, обычно используют изоляционные системы на основе целлюлозы. Тепломодернизированная бумага и другие технологии высокотемпературной изоляции также могут использоваться, когда конструкция требует улучшения тепловых характеристик.

Для трансформаторов, использующих высокотемпературные изоляционные материалы, IEC 60076-14 конкретно рассматривает соображения конструкции, испытания и нагрузки. ([Веб-магазин IEC][2])

Поэтому лучше указатьполная изоляционная система и ее тепловые характеристикивместо того, чтобы просто сказать, что маслянный трансформатор является «классом А».

Трансформаторы сухого типа

Изоляционные системы класса F и класса H широко используются в современных сухих трансформаторах.

Соответствующий выбор зависит от:

• Температура окружающей среды

• Профиль загрузки

• Условия охлаждения

• Необходимое повышение температуры

• Требования к перегрузке

• Строительство изоляционной системы

• Установка среды

Стандарты IEEE также различают требования к сухому типу трансформатора и испытания от требований к погруженному в жидкость трансформатору. ([IEEE Xplore][3])

4. Рассмотрите температуру окружающей среды и профиль нагрузки

Температура окружающей среды является одним из наиболее важных факторов при выборе теплового трансформатора.

Трансформатор, работающий непрерывно при температуре окружающей среды 45°C, имеет значительно меньшую тепловую маржу, чем трансформатор, работающий при температуре 25°C, даже если оба имеют одну и ту же номинальную мощность.

Во время спецификации должны быть определены следующие условия:

Особое внимание заслуживают гармонические нагрузки. Исправители, приводы переменной частоты, фотоэлектрические инверторы и другие мощно-электронные нагрузки могут производить несинусоидные токи и дополнительные потери трансформатора.

IEEE C57.110 предоставляет методы оценки способности трансформатора при подаче несинусоидных нагрузочных токов и применяется как к погруженным в жидкость, так и к сухим трансформаторам в рамках его сферы применения. ([IEEE Xplore][4])

5. Как оценить температуру горячей точки обмотки

Втемпература горячей точки обмоткиважнее для термического старения, чем средняя температура обмотки.

Упрощенная инженерная концепция:

Температура горячих точек = температура окружающей среды + соответствующие компоненты повышения температуры + допустимое количество горячих точек

Однако это должнонетрассматривается как универсальный расчет с использованием одного фиксированного градиента горячей точки.

Фактическая температура горячей точки зависит от:

• Строительство трансформатора

• Геометрия намота

• Распределение потерь

• Метод охлаждения

• Уровень нагрузки

• Циркуляция масла или циркуляция воздуха

• Тепловые характеристики изоляционной системы

IEEE имеет специальные руководства для определения температуры самых горячих точек как в жидкостном наполнении, так и в сухом типе трансформаторов. Например, в IEEE C57.134 рассматриваются методологии определения температуры горячей точки обмотки в стабильном состоянии в сухих трансформаторах. ([IEEE Xplore][5])

Для погруженных в жидкость трансформаторов конструкция повышения температуры должна оцениваться в соответствии с применимыми требованиями и методами испытания IEC 60076-2 или соответствующими требованиями IEEE.

Лучший инженерный подход

Вместо того чтобы сказать:

45°C + 115 K + 8 K = 168°C → Поэтому требуется класс H

Правильный инженерный подход:

Максимальная температура окружающей среды → профиль нагрузки → термическая модель трансформатора → повышение температуры обмотки → температура горячей точки → тепловая способность изоляционной системы → требуемый срок службы

Если рассчитанная или испытанная температура горячей точки чрезмерна, возможные решения включают:

• Увеличение мощности трансформатора

• Снижение непрерывной нагрузки

• Улучшение охлаждения

• Снижение потерь

• Оптимизация конструкции обмотки

• Выбор подходящей изоляционной системы

• Использование технологии высокотемпературной изоляции, когда это обосновано

Поэтому,Переход из класса F в класс H является только одним возможным решением, а не автоматическим требованием.

6. Рассмотрите термическое старение и срок службы

Изоляция трансформатора постепенно ухудшается при тепловых, электрических и экологических напряжениях.

Для многих обычных изоляционных систем увеличение температуры изоляции на 10°C часто используется в качествеПравило пальцадля иллюстрации ускоренного термического старения. Однако фактическое старение изоляции зависит от полной изоляционной системы и таких факторов, как:

• Температура

• влажность

• кислород

• Изоляционный материал

• Состояние масла

• Профиль загрузки

• Продолжительность работы

Поэтому обычно цитируемые «Правило 10°C» следует рассматривать как инженерное приближение, а не универсальное уравнение жизни.

Для приложений, требующих длительного срока службы, спецификация трансформатора должна определять ожидаемый профиль нагрузки и рабочие условия, а не просто требовать более высокого теплового класса.

7. Когда вы должны рассмотреть более высокий термический класс?

Высший термический класс может быть подходящим, когда трансформатор подвергается жестким термическим условиям.

Типичные факторы включают:

Высокая температура окружающей среды

Примеры включают:

• Пустынные установки

• Тропическая среда

• Плохо вентилируемые электрические помещения

• Закрытые подстанции

• Контейнерные подстанции

Частая перегрузка

Если ожидается, что трансформатор будет работать выше номинальной нагрузки в течение значительного периода времени, тепловая конструкция должна быть оценена в соответствии с фактическим профилем нагрузки.

Гармонические нагрузки

Промышленные приводы, исправители, центры обработки данных, преобразователи возобновляемых источников энергии и другие нелинейные нагрузки могут увеличить потери трансформатора и нагрева.

Ограниченное охлаждение

Для сухих трансформаторов неадекватная вентиляция помещения может существенно повлиять на фактическую рабочую температуру.

Специальные оперативные требования

Горнодобывающая промышленность, металлургия, железнодорожный транзит, возобновляемая энергия и другие приложения могут потребовать индивидуальных конструкций теплоизоляции.

Однако эти условия автоматически не означают, что класс H должен быть выбран. Производитель должен сначала оценить полную тепловую конструкцию.

8. Условия окружающей среды не должны быть решены только термическим классом

Еще одна распространенная ошибка заключается в том, что:

Сурогая среда → Изоляция класса H

Это не обязательно правильно.

Различные экологические проблемы требуют различных инженерных мер.

Например, высокая влажность может потребовать надлежащей защиты от влаги и выбора изоляционной системы, но просто переход с класса F на класс H не решает проблему автоматически.

Аналогичным образом, высокая высота влияет как на тепловую, так и на диэлектрическую конструкцию, поэтому ее следует рассматривать отдельно, а не рассматривать как проблему теплового класса в одиночку.

9. Выберите уровень диэлектрической изоляции отдельно

После установления термической конструкции уровень диэлектрической изоляции трансформатора должен быть выбран отдельно.

Основным процессом является:

Системное напряжение → Наибольшее напряжение для оборудования (Ум) → Координация изоляции → AC выдерживать → Молниевый импульс → Импульс переключения, где это применимо

Для трансформаторов среднего и высокого напряжения важные диэлектрические параметры могут включать:

• Мощность-частота выдерживать напряжение

• Молниевые импульсы выдерживают напряжение (LI или LIWV)

• Выдержательное напряжение импульса переключения (SI или SIWV), где это применимо

• Координация внутренней изоляции

• Внешние разрешения

• Расстояния по повозу

IEC 60076-3 конкретно охватывает уровни изоляции трансформатора, диэлектрические испытания и связанные с ними внешние пробелы. Поэтому это гораздо более точная ссылка на эту часть спецификации трансформатора, чем просто ссылка на общую серию IEC 60076.

Типичные соображения применения

Воздушное соединение

Координация изоляции импульсов молнии особенно важна из-за воздействия атмосферного перенапряжения.

Кабельный трансформатор

Среда перенапряжения отличается от воздушного соединения и должна быть оценена на основе фактической конфигурации сети.

ГИС-подключенный трансформатор

Быстрые переходные явления и фактический интерфейс ГИС-трансформатора могут потребовать дополнительного рассмотрения.

Важным моментом является:

Термический класс трансформатора не должен использоваться в качестве замены координации диэлектрической изоляции.

10. Термическая конструкция и диэлектрическая конструкция должны быть проверены отдельно

Поэтому хорошо разработанная спецификация трансформатора должна содержать два независимых раздела.

Такое разделение делает техническую спецификацию гораздо более четкой и снижает риск выбора изоляционной системы, основанной исключительно на классе напряжения или температуры.

11. Испытания и проверка изоляции трансформатора

Программа испытаний также должна быть разделена на тепловую и диэлектрическую проверку.

Термическая проверка

В зависимости от типа трансформатора и применимого стандарта, это может включать:

• Испытание на повышение температуры

• Проверка повышения температуры обмотки

• Оценка температуры горячих точек

• Оценка грузоспособности

Для погруженных в жидкость трансформаторов IEC 60076-2 обеспечивает соответствующие рамки повышения температуры и методы испытания. ([Веб-магазин IEC][2])

Диэлектрическая проверка

В зависимости от конструкции и спецификации трансформатора испытания могут включать:

• Испытание напряжения

• Испытание индуцированного напряжения

• Испытание импульса молнии

• Измерение частичного разряда, когда это применимо

• Измерения сопротивления изоляции, как указано

Эти испытания проверяют диэлектрические характеристики и не следует путать с проверкой термического класса.

Для трансформаторов сухого типа IEEE C57.12.91 предоставляет методы испытаний для испытаний, указанных применимыми стандартами трансформаторов сухого типа и спецификациями пользователя. ([IEEE Xplore][6])

12. Практические примеры выбора изоляции трансформатора

Вместо использования простого правила, такого как «высокая температура = класс H», рассмотрите полное приложение.

Пример 1: Традиционный распределительный трансформатор, погруженный в масло

Условия:

• 10/0.4 kV

• Температура окружающей среды в установленных стандартных условиях

• Стабильная нагрузка

• Низкое содержание гармонии

• Применение обычного распределения

Можно использовать обычную изоляционную систему на основе целлюлозы. Фактические пределы повышения температуры и нагрузки должны быть установлены в соответствии с применимым стандартом трансформатора и конструкцией производителя.

Пример 2: внутренний трансформатор из литой смолы

Условия:

• 10/0.4 kV

• Коммерческое здание

• Нормальная температура окружающей среды

• Умеренные изменения нагрузки

Система изоляции класса F может быть подходящей, если полная тепловая конструкция соответствует требуемым требованиям к повышению температуры и сроку службы.

Пример 3: Трансформатор сухого типа в высокотемпературном электрическом помещении

Условия:

• Высокая температура окружающей среды

• Ограниченная вентиляция

• Значительные изменения нагрузки

• Оборудование для производства гармоний

Производитель должен сначала рассчитать фактическую тепловую эффективность. В зависимости от полученной температуры горячей точки и требуемого срока службы, решение может включать более высокую мощность, улучшенное охлаждение, снижение повышения температуры или более высокотемпературную изоляционную систему.

Пример 4: Трансформатор мощности высокого напряжения

Трансформатор высокого напряжения делаетнетавтоматически требуют более высокого теплового класса просто потому, что его напряжение выше.

Уровень его диэлектрической изоляции должен быть выбран в соответствии с системным напряжением и координацией изоляции, в то время как его тепловая конструкция должна определяться независимо.

Это один из важнейших принципов выбора изоляции трансформатора.

13. Общие ошибки выбора изоляции трансформатора

Ошибка 1: Высшее напряжение означает более высокий термический класс

Неправильно.

Напряжение в первую очередь влияет на координацию диэлектрической изоляции, в то время как термический класс относится к тепловой выносливости.

Ошибка 2: класс H всегда лучше, чем класс F

Не обязательно.

Высший термический класс может быть ненужен, если трансформатор уже отвечает требуемым требованиям к повышению температуры, горячей точке и сроку службы.

Правильным подходом является выбор изоляционной системы в соответствии с фактическими условиями эксплуатации.

Ошибка 3: Термический класс непосредственно определяет повышение температуры

Неправильно.

Термический класс и пределы повышения температуры трансформатора связаны, но не взаимозаменяются.

Ошибка 4: Средняя температура обмотки та же, что и температура горячих точек

Неправильно.

Горячая точка обмотки может быть значительно выше средней температуры обмотки, и температура горячей точки важна для оценки термического старения.

Ошибка 5: Высший термический класс решает все суровые условия окружающей среды

Неправильно.

Влажность, пыль, соляный туман, химическое загрязнение и высота требуют собственных конструкционных соображений.

Ошибка 6: термический класс изоляции определяет BIL

Неправильно.

Уровень изоляции молнии является частью конструкции диэлектрической изоляции и должен быть выбран в соответствии с применимым стандартом координации изоляции и трансформатора.

14. Контрольный список выбора изоляции трансформатора

Перед завершением спецификации трансформатора проверьте следующее:

15. Какие стандарты следует учитывать?

Точные стандарты зависят от типа трансформатора и целевого рынка, но следующие важные ссылки при разработке международной спецификации трансформатора:

IEC 60085 — Тепловая оценка и обозначение электроизоляции. В нем устанавливаются критерии оценки тепловой стойкости электроизоляционных материалов и изоляционных систем. ([Веб-магазин IEC][1])

IEC 60076-2Электротранформаторы, часть 2: Повышение температуры для трансформаторов, погруженных в жидкость. ([Веб-магазин IEC][2])

IEC 60076-3Электротранформаторы, часть 3: Уровни изоляции, диэлектрические испытания и внешние пробелы.

IEC 60076-14 — Силовые трансформаторы, погруженные в жидкость, с использованием высокотемпературных изоляционных материалов. ([Веб-магазин IEC][2])

Для североамериканских проектов применимые стандарты IEEE/ANSI должны быть выбраны в соответствии с типом трансформатора и требованиями проекта. Например, IEEE C57.12.01 охватывает общие требования для сухого типа распределения и трансформаторов мощности, в то время как IEEE C57.110 касается возможностей трансформатора с несинусоидными нагрузочными токами. ([IEEE Xplore][3])

Вывод

Точный выбор изоляции трансформатора никогда не должен сводиться к простому выборуКласс А, В, F или H.

Надежный процесс отбора должен отделять два независимых вопроса проектирования:

Термическая конструкция

Температура окружающей среды → Load → Охлаждение → Повышение температуры → Температура горячей точки → Термическое старение → Срок службы

и

Диэлектрическая конструкция

Системное напряжение → Um → Координация изоляции → AC выдерживать → Ли/Бил → SI где применимо

Термический класс описывает тепловую выносливость изоляционной системы, в то время как уровень диэлектрической изоляции определяет ее способность выдерживать электрическое напряжение. IEC 60085, IEC 60076-2, IEC 60076-3 и IEC 60076-14 рассматривают различные части этого процесса проектирования, а не предоставляют один «класс изоляции трансформатора» для каждого приложения. ([Веб-магазин IEC][1])

Поэтому для покупателей трансформаторов и инженеров лучшим подходом является не выбор самого высокого класса изоляции, а указание системы изоляции, тепловой производительности и уровня диэлектрической изоляции в соответствии с фактическим напряжением, нагрузкой, окружающей средой и условиями обслуживания.