Khi chọn một biến áp điện, cách nhiệt thường được thảo luận như thể đó là một thông số duy nhất. Trong thực tế, thiết kế cách nhiệt biến áp liên quan đếnhai khía cạnh khác nhau về cơ bản: hiệu suất cách nhiệt và độ bền cách điện.

Phía nhiệt xác định cách hệ thống cách nhiệt chịu được nhiệt độ hoạt động, tăng nhiệt độ, nhiệt độ điểm nóng và lão hóa nhiệt. Phía môi điện xác định liệu biến áp có thể chịu được điện áp tần số công suất, xung sét và các quá điện áp tạm thời khác hay không.

Vì vậy,lớp nhiệt và mức cách điện điện phải được chọn riêng biệt . Nhầm lẫn hai khái niệm này có thể dẫn đến thông số kỹ thuật biến áp không chính xác, chi phí không cần thiết hoặc phối hợp cách nhiệt không đủ.

1. Lớp cách nhiệt biến áp là gì?

Điều khoảnLớp A, E, B, F và Hthường được sử dụng để mô tả phân loại nhiệt của hệ thống cách điện hoặc vật liệu cách điện.

IEC 60085 thiết lập các tiêu chuẩn để đánh giá độ bền nhiệt của vật liệu cách điện và hệ thống cách điện và chỉ định các lớp nhiệt. Quan trọng là tiêu chuẩn phân biệt giữa phân loại nhiệt của vật liệu cách nhiệt và hệ thống cách nhiệt hoàn chỉnh. ([Cửa hàng web IEC] [1])

Các lớp nhiệt tham chiếu điển hình bao gồm:

Nhiệt độ này nênkhôngđược giải thích là giới hạn điểm nóng cuộn quanh biến áp phổ quát.

Một nhà sản xuất biến áp phải đánh giá hệ thống cách nhiệt hoàn chỉnh, thiết kế tăng nhiệt độ, sắp xếp làm mát, điều kiện tải và tiêu chuẩn biến áp áp dụng trước khi xác định nhiệt độ hoạt động được phép.

Lớp nhiệt không tăng nhiệt độ bằng nhau

Sự khác biệt này rất cần thiết.

Ví dụ:

Lớp F LTăngnhiệt độ 100 K

và

Lớp H Tăngnhiệt độ 125 K

Lớp nhiệt mô tả độ bền nhiệt của hệ thống cách nhiệt hoặc vật liệu. Giới hạn tăng nhiệt độ biến áp được chỉ định riêng biệt theo thiết kế biến áp, tiêu chuẩn áp dụng và điều kiện hoạt động.

Đối với biến áp chìm lỏng, IEC 60076-2 đặc biệt giải quyết các yêu cầu tăng nhiệt độ và thử nghiệm tăng nhiệt độ. ([Cửa hàng web IEC] [2])

2. Lớp nhiệt so với mức cách điện điện

Đây là khái niệm quan trọng nhất trong lựa chọn cách nhiệt biến áp.

Vì vậy:

Lớp nhiệt xác định độ bền nhiệt của hệ thống cách điện, trong khi mức cách điện môi điện xác định khả năng cách điện biến áp chịu được căng thẳng điện.

Tăng định mức điện áp biến áp không tự động có nghĩa là lớp nhiệt phải được tăng.

Ví dụ, một biến áp điện chìm dầu điện áp cao có thể sử dụng một hệ thống cách điện dựa trên cellulose thông thường trong khi có mức cách điện cao hơn nhiều so với một biến áp loại khô điện áp thấp.

Đây là hai kích thước thiết kế độc lập.

3. Cách chọn lớp nhiệt biến áp

Lựa chọn lớp nhiệt chính xác nên bắt đầu với điều kiện hoạt động thực tế thay vì chỉ đơn giản là chọn lớp cao hơn.

Quá trình lựa chọn thực tế có thể được chia thành năm bước.

Bước 1: Xác định loại biến áp và hệ thống cách nhiệt

Đầu tiên xác định xem biến áp là:

• Ngâm dầu khoáng sản

• Đầy ester

• Nhựa đúc loại khô

• Loại khô cách nhiệt không khí

• Một thiết kế chuyên nghiệp khác

Hệ thống cách nhiệt sau đó nên được đánh giá là một hệ thống hoàn chỉnh thay vì bằng tên của một vật liệu cách nhiệt.

Máy biến áp chìm dầu

Máy biến áp chìm dầu khoáng thông thường thường sử dụng hệ thống cách nhiệt dựa trên cellulose. Giấy nâng cấp nhiệt và các công nghệ cách nhiệt nhiệt cao khác cũng có thể được sử dụng khi thiết kế đòi hỏi hiệu suất nhiệt được cải thiện.

Đối với biến áp sử dụng vật liệu cách nhiệt nhiệt độ cao, IEC 60076-14 đặc biệt giải quyết các cân nhắc thiết kế, thử nghiệm và tải. ([Cửa hàng web IEC] [2])

Do đó, tốt hơn là xác địnhhệ thống cách nhiệt hoàn chỉnh và hiệu suất nhiệt của nóthay vì chỉ nói rằng một biến áp dầu là "Class A".

Máy biến áp loại khô

Hệ thống cách nhiệt lớp F và lớp H được sử dụng rộng rãi trong biến áp loại khô hiện đại.

Sự lựa chọn thích hợp phụ thuộc vào:

• Nhiệt độ môi trường

• Tải hồ sơ

• Điều kiện làm mát

• Nhiệt độ tăng cần thiết

• Yêu cầu quá tải

• Xây dựng hệ thống cách nhiệt

• Môi trường cài đặt

Tiêu chuẩn IEEE cũng phân biệt các yêu cầu biến áp loại khô và thử nghiệm từ các yêu cầu biến áp chìm lỏng. ([IEEE Xplore] [3])

4. Xem xét nhiệt độ môi trường và hồ sơ tải

Nhiệt độ môi trường là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong lựa chọn biến áp nhiệt.

Một biến áp hoạt động liên tục ở nhiệt độ xung quanh 45°C có biên nhiệt ít hơn đáng kể so với một biến áp hoạt động ở 25°C, ngay cả khi cả hai đều có cùng công suất định danh.

Các điều kiện sau đây nên được xác định trong thông số kỹ thuật:

Các tải hài hòa xứng đáng được chú ý đặc biệt. Bộ chỉnh sửa, ổ đĩa tần số biến, biến tần quang điện và các tải điện tử điện khác có thể tạo ra dòng điện không sinusoidal và mất mát biến áp bổ sung.

IEEE C57.110 cung cấp các phương pháp để đánh giá khả năng biến áp khi cung cấp dòng tải không sinusoidal và áp dụng cho cả biến áp chìm lỏng và loại khô trong phạm vi của nó. ([IEEE Xplore] [4])

5. Cách đánh giá nhiệt độ điểm nóng cuộn

Cáccuộn quanh nhiệt độ điểm nóngquan trọng hơn đối với lão hóa nhiệt độ so với nhiệt độ cuộn dây trung bình.

Một khái niệm kỹ thuật đơn giản là:

Nhiệt độ điểm nóng = Nhiệt độ môi trường + các thành phần tăng nhiệt độ liên quan + trợ cấp điểm nóng

Tuy nhiên, điều này nênkhôngđược coi là một tính toán phổ quát sử dụng một gradient điểm nóng cố định.

Nhiệt độ điểm nóng thực tế phụ thuộc vào:

• Xây dựng biến áp

• Hình học cuộn dây

• Phân phối tổn thất

• Phương pháp làm mát

• Mức tải

• Tuần hoàn dầu hoặc tuần hoàn không khí

• Đặc điểm nhiệt của hệ thống cách nhiệt

IEEE có hướng dẫn chuyên dụng để xác định nhiệt độ điểm nóng nhất trong cả các ứng dụng biến áp lỏng và loại khô. Ví dụ, IEEE C57.134 giải quyết các phương pháp để xác định nhiệt độ điểm nóng nhất cuộn quanh trạng thái ổn định trong biến áp loại khô. ([IEEE Xplore] [5])

Đối với các biến áp chìm lỏng, thiết kế tăng nhiệt độ nên được đánh giá theo các yêu cầu áp dụng và phương pháp thử nghiệm của IEC 60076-2 hoặc các yêu cầu IEEE tương ứng.

Một cách tiếp cận kỹ thuật tốt hơn

Thay vì nói:

Từ: 45°C + 115 K + 8 K = 168°C → Class H là cần thiết

Cách tiếp cận kỹ thuật chính xác là:

Nhiệt độ môi trường tối đa → tải hồ sơ → mô hình nhiệt biến áp → tăng nhiệt độ cuộn dây → nhiệt độ điểm nóng → khả năng nhiệt hệ thống cách nhiệt → Tuổi thọ cần thiết

Nếu nhiệt độ điểm nóng được tính toán hoặc kiểm tra quá mức, các giải pháp có thể bao gồm:

• Tăng công suất biến áp

• Giảm tải liên tục

• Cải thiện làm mát

• Giảm tổn thất

• Tối ưu hóa thiết kế cuộn dây

• Chọn một hệ thống cách nhiệt phù hợp

• Sử dụng công nghệ cách nhiệt nhiệt độ cao khi có lý do

Vì vậy,Nâng cấp từ Class F sang Class H chỉ là một giải pháp có thể, không phải là yêu cầu tự động.

6. Xem xét lão hóa nhiệt và tuổi thọ

Cách nhiệt biến áp dần dần xấu đi dưới căng thẳng nhiệt, điện và môi trường.

Đối với nhiều hệ thống cách nhiệt thông thường, sự gia tăng nhiệt độ cách nhiệt 10°C thường được sử dụng như mộtquy tắc thumbđể minh họa sự lão hóa nhiệt đẩy nhanh. Tuy nhiên, sự lão hóa cách nhiệt thực tế phụ thuộc vào hệ thống cách nhiệt hoàn chỉnh và các yếu tố như:

• Nhiệt độ

• Độ ẩm

• oxy

• Vật liệu cách nhiệt

• Điều kiện dầu

• Tải hồ sơ

• Thời gian hoạt động

Vì vậy, thông thường trích dẫn "Quy tắc 10°C" nên được coi là một cách tiếp cận kỹ thuật thay vì một phương trình suốt đời phổ quát.

Đối với các ứng dụng đòi hỏi tuổi thọ dài, thông số kỹ thuật biến áp nên xác định hồ sơ tải dự kiến ​​và điều kiện hoạt động thay vì chỉ đơn giản yêu cầu một lớp nhiệt cao hơn.

7. Khi nào bạn nên xem xét một lớp nhiệt cao hơn?

Một lớp nhiệt cao hơn có thể phù hợp khi biến áp được tiếp xúc với điều kiện nhiệt đòi hỏi.

Các yếu tố điển hình bao gồm:

Nhiệt độ môi trường cao

Ví dụ bao gồm:

• Cài đặt sa mạc

• Môi trường nhiệt đới

• Phòng điện thông gió kém

• Các trạm phụ đóng cửa

• Trạm phụ container

Quá tải thường xuyên

Nếu biến áp dự kiến hoạt động trên tải trọng định mức trong một thời gian đáng kể, thiết kế nhiệt nên được đánh giá theo hồ sơ tải thực tế.

Tải trọng hài hòa

Động cơ công nghiệp, máy chỉnh sửa, trung tâm dữ liệu, bộ chuyển đổi năng lượng tái tạo và tải không tuyến tính khác có thể làm tăng tổn thất biến áp và sưởi ấm.

Làm mát giới hạn

Đối với biến áp loại khô, thông gió phòng không đủ có thể ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ hoạt động thực tế.

Yêu cầu hoạt động đặc biệt

Khai thác mỏ, luyện kim, vận chuyển đường sắt, năng lượng tái tạo và các ứng dụng khác có thể yêu cầu thiết kế nhiệt và cách nhiệt tùy chỉnh.

Tuy nhiên, các điều kiện này không tự động có nghĩa là lớp H phải được chọn. Nhà sản xuất nên đánh giá thiết kế nhiệt đầy đủ trước.

8. Điều kiện môi trường không nên được giải quyết bằng lớp nhiệt một mình

Một sai lầm phổ biến khác là giả định:

Môi trường khắc nghiệt → Cách nhiệt lớp H

Điều này không nhất thiết phải đúng.

Các vấn đề môi trường khác nhau đòi hỏi các biện pháp kỹ thuật khác nhau.

Ví dụ, độ ẩm cao có thể yêu cầu bảo vệ độ ẩm thích hợp và lựa chọn hệ thống cách nhiệt, nhưng chỉ cần thay đổi từ lớp F sang lớp H không tự động giải quyết vấn đề.

Tương tự như vậy, độ cao ảnh hưởng đến cả thiết kế nhiệt và dielectric, vì vậy nó nên được xem xét riêng biệt thay vì được coi là một vấn đề lớp nhiệt một mình.

9. Chọn mức cách điện riêng biệt

Sau khi thiết kế nhiệt được thiết lập, mức cách điện môi biến áp nên được chọn riêng biệt.

Quá trình cơ bản là:

Điện áp hệ thống → Điện áp cao nhất cho thiết bị (Um) → Phối hợp cách nhiệt → AC chịu đựng → Xuộn sét → Chuyển đổi xung khi áp dụng

Đối với biến áp điện áp trung bình và cao, các thông số môi điện quan trọng có thể bao gồm:

• Điện áp chịu được tần số điện

• Điện áp chống lại xung sét (LI hoặc LIWV)

• Điện áp chống xung chuyển đổi (SI hoặc SIWV), nếu áp dụng

• Phối hợp cách nhiệt nội bộ

• Giải phóng bên ngoài

• Khoảng cách creepage

IEC 60076-3 đặc biệt bao gồm mức cách nhiệt biến áp, thử nghiệm dielectric và khoảng trống bên ngoài liên quan. Do đó, nó là một tham khảo chính xác hơn nhiều cho phần này của thông số kỹ thuật biến áp hơn là chỉ trích dẫn dòng IEC 60076 chung.

Các cân nhắc ứng dụng điển hình

Kết nối đường dẫn trên đầu

Phối hợp cách nhiệt xung sét đặc biệt quan trọng vì tiếp xúc với quá điện áp khí quyển.

Máy biến áp kết nối cáp

Môi trường quá điện áp khác với kết nối đường hàng không và nên được đánh giá dựa trên cấu hình mạng thực tế.

Máy biến áp kết nối GIS

Các hiện tượng tạm thời nhanh chóng và giao diện biến áp GIS thực tế có thể đòi hỏi sự cân nhắc bổ sung.

Điểm quan trọng là:

Lớp nhiệt biến áp không nên được sử dụng như một sự thay thế cho sự phối hợp cách điện điện.

10. Thiết kế nhiệt và thiết kế điện áp phải được xác minh riêng biệt

Do đó, một thông số kỹ thuật biến áp được thiết kế tốt nên chứa hai phần độc lập.

Cách tách này làm cho thông số kỹ thuật rõ ràng hơn nhiều và giảm nguy cơ lựa chọn một hệ thống cách nhiệt chỉ dựa trên lớp điện áp hoặc nhiệt độ.

11. Kiểm tra cách nhiệt biến áp và xác minh

Chương trình thử nghiệm cũng nên được chia thành xác minh nhiệt và dielectric.

Xác minh nhiệt

Tùy thuộc vào loại biến áp và tiêu chuẩn áp dụng, điều này có thể bao gồm:

• Thử nghiệm tăng nhiệt độ

• Xác minh tăng nhiệt độ cuộn dây

• Đánh giá nhiệt độ điểm nóng

• Đánh giá khả năng tải

Đối với biến áp chìm lỏng, IEC 60076-2 cung cấp khuôn khổ tăng nhiệt độ và phương pháp thử nghiệm có liên quan. ([Cửa hàng web IEC] [2])

Xác minh dielectric

Tùy thuộc vào thiết kế và thông số kỹ thuật của biến áp, các thử nghiệm có thể bao gồm:

• Kiểm tra điện áp ứng dụng

• Kiểm tra điện áp cảm ứng

• Thử nghiệm xung sét

• Đo phóng một phần khi áp dụng

• Đo kháng cách nhiệt theo quy định

Các thử nghiệm này xác minh hiệu suất môi điện và không nên nhầm lẫn với xác minh lớp nhiệt.

Đối với biến áp loại khô, IEEE C57.12.91 cung cấp các phương pháp thử nghiệm cho các thử nghiệm được chỉ định bởi các tiêu chuẩn biến áp loại khô áp dụng và thông số kỹ thuật người dùng. ([IEEE Xplore] [6])

12. Ví dụ lựa chọn cách nhiệt biến áp thực tế

Thay vì sử dụng một quy tắc đơn giản như “nhiệt độ cao = lớp H”, hãy xem xét ứng dụng hoàn chỉnh.

Ví dụ 1: Máy biến áp phân phối chìm dầu thông thường

Điều kiện:

• 10/0.4 kV

• Nhiệt độ môi trường trong các điều kiện tiêu chuẩn được chỉ định

• Tải trọng ổn định

• Nội dung hài hòa thấp

• Ứng dụng phân phối thông thường

Một hệ thống cách nhiệt dựa trên cellulose thông thường có thể phù hợp. Giới hạn tăng nhiệt độ và tải thực tế nên được thiết lập theo tiêu chuẩn biến áp áp dụng và thiết kế nhà sản xuất.

Ví dụ 2: Máy biến áp nhựa đúc trong nhà

Điều kiện:

• 10/0.4 kV

• Tòa nhà thương mại

• Nhiệt độ môi trường bình thường

• Thay đổi tải trọng trung bình

Hệ thống cách nhiệt lớp F có thể phù hợp nếu thiết kế nhiệt hoàn chỉnh đáp ứng các yêu cầu tăng nhiệt độ và tuổi thọ cần thiết.

Ví dụ 3: Máy biến áp loại khô trong phòng điện nhiệt độ cao

Điều kiện:

• Nhiệt độ môi trường cao

• Giới hạn thông gió

• Thay đổi tải trọng đáng kể

• Thiết bị sản xuất hài hòa

Trước tiên, nhà sản xuất nên tính toán hiệu suất nhiệt thực tế. Tùy thuộc vào nhiệt độ điểm nóng kết quả và tuổi thọ cần thiết, giải pháp có thể liên quan đến công suất cao hơn, làm mát cải thiện, tăng nhiệt độ giảm hoặc hệ thống cách nhiệt nhiệt độ cao hơn.

Ví dụ 4: Máy biến áp điện áp cao

Một biến áp điện áp cao làmkhôngtự động yêu cầu một lớp nhiệt cao hơn chỉ vì điện áp của nó cao hơn.

Mức cách điện điện của nó phải được chọn theo phối hợp điện áp và cách điện hệ thống, trong khi thiết kế nhiệt của nó phải được xác định độc lập.

Đây là một trong những nguyên tắc quan trọng nhất trong lựa chọn cách nhiệt biến áp.

13. Lỗi lựa chọn cách nhiệt biến áp phổ biến

Sai lầm 1: Điện áp cao hơn có nghĩa là lớp nhiệt cao hơn

Không đúng.

Điện áp chủ yếu ảnh hưởng đến sự phối hợp cách điện, trong khi lớp nhiệt liên quan đến độ bền nhiệt.

Sai lầm 2: Lớp H luôn tốt hơn lớp F

Không nhất thiết.

Một lớp nhiệt cao hơn có thể không cần thiết nếu biến áp đã đáp ứng các yêu cầu tăng nhiệt độ, điểm nóng và tuổi thọ cần thiết.

Cách tiếp cận chính xác là chọn hệ thống cách nhiệt theo điều kiện hoạt động thực tế.

Sai lầm 3: Lớp nhiệt trực tiếp xác định sự gia tăng nhiệt độ

Không đúng.

Lớp nhiệt và giới hạn tăng nhiệt độ biến áp có liên quan nhưng không thể trao đổi được.

Sai lầm 4: Nhiệt độ cuộn dây trung bình giống như nhiệt độ điểm nóng

Không đúng.

Điểm nóng cuộn có thể cao hơn đáng kể so với nhiệt độ cuộn trung bình, và nhiệt độ điểm nóng là quan trọng để đánh giá lão hóa nhiệt.

Sai lầm 5: Một lớp nhiệt cao hơn giải quyết mọi điều kiện môi trường khắc nghiệt

Không đúng.

Độ ẩm, bụi, sương mù muối, ô nhiễm hóa chất và độ cao đòi hỏi các cân nhắc thiết kế riêng của họ.

Lỗi 6: Lớp nhiệt cách nhiệt xác định BIL

Không đúng.

Mức cách nhiệt xung sét là một phần của thiết kế cách nhiệt môi điện và nên được chọn theo tiêu chuẩn điều phối cách nhiệt và biến áp dụng.

14. Danh sách kiểm tra lựa chọn cách nhiệt biến áp

Trước khi hoàn thành thông số kỹ thuật của biến áp, hãy xác minh sau:

15. Tiêu chuẩn nào nên được xem xét?

Các tiêu chuẩn chính xác phụ thuộc vào loại biến áp và thị trường mục tiêu, nhưng sau đây là các tài liệu tham khảo quan trọng khi phát triển một thông số kỹ thuật biến áp quốc tế:

IEC 60085Đánh giá nhiệt và chỉ định cách điện. Nó thiết lập các tiêu chuẩn để đánh giá độ bền nhiệt của vật liệu cách điện và hệ thống cách điện. ([Cửa hàng web IEC] [1])

IEC 60076-2Máy biến áp điện, Phần 2: Sự gia tăng nhiệt độ cho máy biến áp chìm lỏng. ([Cửa hàng web IEC] [2])

IEC 60076-3Máy biến áp điện, Phần 3: Mức cách nhiệt, thử nghiệm môi điện và khoảng trống bên ngoài.

IEC 60076-14 - Máy biến áp điện chìm lỏng sử dụng vật liệu cách nhiệt nhiệt độ cao. ([Cửa hàng web IEC] [2])

Đối với các dự án Bắc Mỹ, các tiêu chuẩn IEEE / ANSI áp dụng nên được lựa chọn theo loại biến áp và yêu cầu dự án. Ví dụ, IEEE C57.12.01 bao gồm các yêu cầu chung cho phân phối loại khô và biến áp điện, trong khi IEEE C57.110 giải quyết khả năng biến áp với dòng tải không sinusoidal. ([IEEE Xplore] [3])

Kết luận

Chọn cách nhiệt biến áp chính xác không bao giờ nên giảm xuống chỉ đơn giản là chọnLớp A, B, F hoặc H.

Quá trình lựa chọn đáng tin cậy nên tách ra hai câu hỏi thiết kế độc lập:

Thiết kế nhiệt

Nhiệt độ môi trường → Load → Làm mát → Nhiệt độ tăng → Nhiệt độ điểm nóng → Lưu hóa nhiệt → Tuổi thọ

và

Thiết kế dielectric

Điện áp hệ thống → Um → Phối hợp cách nhiệt → AC chịu đựng → LI / BIL → SI khi áp dụng

Lớp nhiệt mô tả độ bền nhiệt của hệ thống cách điện, trong khi mức cách điện môi điện xác định khả năng chịu đựng căng thẳng điện của nó. IEC 60085, IEC 60076-2, IEC 60076-3 và IEC 60076-14 giải quyết các phần khác nhau của quá trình thiết kế này thay vì cung cấp một "lớp cách nhiệt biến áp" duy nhất cho mỗi ứng dụng. ([Cửa hàng web IEC] [1])

Do đó, đối với người mua và kỹ sư biến áp, cách tiếp cận tốt nhất không phải là chọn lớp cách nhiệt cao nhất, mà là xác định hệ thống cách nhiệt, hiệu suất nhiệt và mức cách nhiệt môi điện theo điện áp thực tế, tải trọng, môi trường và điều kiện dịch vụ.