Temperaturanstieg des Transformators: Grenzwerte, Berechnung und Kühlanleitung

Anstieg der Transformatortemperaturist eines dieser technischen Details, die auf dem Papier einfach aussehen können, im realen Betrieb jedoch von großer Bedeutung sind. Jeder Transformator erzeugt Wärme, wenn er unter Spannung steht und eine Last trägt. Die Herausforderung besteht darin, diese Wärme effizient abzuleiten und den Kern, die Wicklungen, die Isolierung und das Öl innerhalb ihres vorgesehenen Temperaturbereichs zu halten.

Dies wird besonders wichtig bei einemÖltransformator-. Transformatorenöl dient nicht nur der elektrischen Isolierung. Es leitet auch Wärme von den aktiven Teilen ab und überträgt sie an den Tank, die Kühler und die Umgebungsluft.

Wenn Ingenieure also darüber sprechenTemperaturanstieg von Öltransformatoren-Sie betrachten wirklich das gesamte thermische System - Transformatorverluste, Ölzirkulation, Kühlausrüstung, Umgebungsbedingungen, Tankdesign und tatsächliche Belastung.

Temperaturanstieg und Temperatur von Transformatoren

Zunächst lohnt es sich, einen gemeinsamen Punkt zu klären:TransformatortemperaturUndTemperaturanstieg des Transformatorssind nicht dasselbe.

Die Transformatortemperatur ist die tatsächliche Temperatur einer Komponente, beispielsweise der Wicklung, des oberen Öls, des Kerns oder des Tanks. Temperaturanstieg istder Unterschied zwischendieser Temperatur und der angegebenen Umgebungs- oder Referenztemperatur.

In einfachen Worten:

Transformatortemperatur=Umgebungstemperatur + Temperaturanstieg

Wenn die Umgebungstemperatur beispielsweise 30 Grad beträgt und der Anstieg der oberen Öltemperatur 55 K beträgt, beträgt die ungefähre obere Öltemperatur 85 Grad.

Natürlich ist ein echter Transformator nicht ganz so einfach. Verschiedene Teile arbeiten bei unterschiedlichen Temperaturen. Die Wicklungstemperatur ist normalerweise höher als die des umgebenden Öls, und ein kleiner Bereich der Wicklung kann viel heißer werden als die durchschnittliche Wicklungstemperatur. Dieser Bereich mit den höchsten-Temperaturen wird als bezeichnetkurviger Hotspot.

Aus diesem Grund berücksichtigt die thermische Auslegung von Transformatoren mehr als nur einen Temperaturmesswert.

Standards für den Temperaturanstieg von Transformatoren

Die Anforderungen an den Temperaturanstieg hängen von der geltenden Norm, dem Transformatordesign, dem Isolationssystem, der Kühlmethode und den Betriebsbedingungen ab.

IEC 60076-2legt Anforderungen für Temperaturanstiegstests für in Flüssigkeiten-eingetauchte Transformatoren fest. DerIEEE C57Die Serie ist ebenfalls weit verbreitet, insbesondere für Transformatoranwendungen in Nordamerika.

Für ein bestimmtes Projekt ist es immer besser, die geltende Norm und Projektspezifikation zu prüfen, als einfach einen Temperaturwert von einem anderen Transformator zu kopieren.

Tabelle mit den Temperaturanstiegsgrenzen für Transformatoren

Für herkömmliche flüssigkeitseingetauchte Transformatorkonstruktionen umfassen häufig verwendete Werte aus IEC 60076-2 Folgendes:

Diese Zahlen sind nützliche technische Referenzen, sollten jedoch nicht als universelle Grenzwerte für jeden Transformator betrachtet werden. Die tatsächlichen Anforderungen können je nach Isolierflüssigkeit, Isoliersystem, Kühlanordnung, Transformatorspezifikation und geltender Norm variieren.

Und es gibt noch einen weiteren Punkt, den man leicht übersieht:Der Temperaturanstieg ist keine absolute Temperatur.

Die Tabelle ist nur eine einfache Illustration. Die tatsächliche Betriebstemperatur des Transformators hängt von der Last, den Kühlbedingungen, der Wärmeverteilung und dem thermischen Design des Herstellers ab.

IEEE-Transformatorpraktiken unterscheiden auch zwischen Designs mit unterschiedlichen durchschnittlichen Wicklungstemperaturanstiegen, einschließlich häufig verwendeter Designs55 GradUnd65 GradEntwürfe für in Mineralöl-Öl- getauchte Transformatoren. Auch hier sollten die garantierten technischen Daten des Herstellers die endgültige Referenz für ein bestimmtes Projekt sein.

Alterung des Isoliermaterials und Temperaturanstieg

Die Temperatur hat einen direkten Einfluss auf die Alterung der Transformatorisolierung.

Wenn die Isolierung über einen längeren Zeitraum bei erhöhten Temperaturen betrieben wird, beschleunigt sich der Alterungsprozess im Allgemeinen. Sowohl feste Isolierungen als auch Isolieröl können durch dauerhafte thermische Belastung beeinträchtigt werden.

Derkurviger Hotspotverdient besondere Aufmerksamkeit. Ein Transformator kann eine akzeptable durchschnittliche Wicklungstemperatur haben, während ein lokaler Bereich deutlich heißer läuft.

Ein gutes Transformatordesign versucht, diese Hotspots unter Kontrolle zu halten. Die richtige Wicklungsgeometrie, die Ölströmungswege, die Leiterauswahl und die Kühlkapazität spielen alle eine Rolle.

Gewichtete durchschnittliche Umgebungstemperatur

Umgebungstemperaturist ein weiterer Faktor, der nicht außer Acht gelassen werden sollte.

Ein Transformator, der bei demselben Temperaturanstieg betrieben wird, weist offensichtlich eine höhere absolute Temperatur auf, wenn er in einer heißen Umgebung installiert wird.

Dies ist besonders relevant in tropischen Regionen, geschlossenen Umspannwerken und Industrieanlagen, wo die Umgebungstemperaturen über längere Zeiträume hoch bleiben können.

Ingenieure müssen möglicherweise saisonale Temperaturen, Installationshöhe, Belüftung, Sonneneinstrahlung und in der Nähe befindliche Geräte berücksichtigen.

Mit anderen Worten: Derselbe Transformator kann sich in zwei Installationsumgebungen sehr unterschiedlich verhalten, selbst wenn der Nenntemperaturanstieg identisch ist.

Transformatorheizung und -kühlung

Ein Transformator erzeugt Wärme hauptsächlich durchKernverlust, Wicklungsverlust und Streulastverlust.

Kernverluste sind hauptsächlich mit Hysterese und Wirbelströmen im Magnetkern verbunden. Wicklungsverluste hängen hauptsächlich mit dem Leiterwiderstand zusammen, während zusätzliche Streuverluste in Wicklungen, Tankwänden, Klemmen und anderen metallischen Komponenten auftreten können.

Für einen in Öl getauchten Transformator sieht der grundlegende Wärmeübertragungspfad wie folgt aus:

Kern und Wicklungen → Transformatoröl → Tank/Kühler → Umgebungsluft

Wenn der Transformator das thermische Gleichgewicht erreicht, wird die im Inneren erzeugte Wärme durch die nach außen abgegebene Wärme in etwa ausgeglichen.

Methoden zur Wärmeableitung von Transformatoren

In einem Transformator arbeiten mehrere Wärmeübertragungsmechanismen zusammen.

Für einen kleinen oder mittelgroßen Transformator kann eine natürliche Kühlung ausreichend sein. Mit zunehmender Transformatorleistung steigt jedoch auch die Menge an Wärme, die abgeführt werden muss. Hier kommen größere Kühlerblöcke, Lüfter, Pumpen oder eine gezielte Ölzirkulation ins Spiel.

Kühlmethoden für Transformatoren

Für Öltransformatoren-werden üblicherweise mehrere Kühlanordnungen verwendet.

ONAN-Kühlung bleibt eine beliebte Wahl, da sie relativ einfach und zuverlässig ist. Es müssen weniger Hilfskomponenten gewartet werden, was bei vielen Installationen ein echter Vorteil ist.

Bei größeren Transformatoren können Lüfter zur Erhöhung der Kühlleistung hinzugefügt werden. Sehr große Leistungstransformatoren verwenden möglicherweise eine erzwungene -Ölzirkulation, um eine kontrolliertere Wärmeübertragung zu ermöglichen.

Heizung und Kühlung von Öltransformatoren-

Transformatorölist das Herzstück des thermischen Systems in einem Öltransformator-.

Da der Kern und die Wicklungen Wärme erzeugen, wird das umgebende Öl wärmer. Warmes Öl wird weniger dicht und bewegt sich auf natürliche Weise nach oben, während sich kühleres Öl nach unten bewegt. Dadurch entsteht eine Zirkulation im Transformator.

So funktioniert die ONAN-Kühlung im Wesentlichen.

Das erhitzte Öl erreicht schließlich den Tank undHeizkörper, wo seine Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird.

Einen großen Einfluss auf diesen Prozess hat die Transformatorbelastung. Wicklungsverluste sind ungefähr proportional zum Quadrat des Stroms:

Pcu ∝ I²

Das bedeutet, dass ein relativ geringer Anstieg des Stroms zu einem viel größeren Anstieg der Wicklungsverluste führen kann.

Dies ist ein vereinfachter Vergleich. Tatsächliche Transformatorverluste sind komplizierter, da sich der Leiterwiderstand mit der Temperatur ändert und zusätzliche Streuverluste vorhanden sind.

Dennoch ist die Botschaft ziemlich klar: Eine anhaltende Überlastung kann schnell zu einem thermischen Problem werden.

Temperaturanstieg von in Öl-eingetauchten Transformatorwicklungen

DerTemperaturanstieg von in Öl-transformierten Wicklungenist einer der Schlüsselparameter bei der thermischen Auslegung von Transformatoren.

Die Wicklungstemperatur wird durch Leitermaterial, Wicklungswiderstand, Stromdichte, Wicklungsgeometrie, Ölströmungskanäle, Isolationsanordnung, Kühlmethode und Last beeinflusst.

Außerdem ist die Temperatur nicht gleichmäßig über die gesamte Wicklung verteilt. In einigen Gebieten wird es von Natur aus heißer als in anderen, und der Ort mit der höchsten -Temperatur wird zum gewundenen Hot Spot.

Eine vereinfachte Beziehung ist:

Hot{0}}Spot-Temperatur=Umgebungstemperatur + oberer-Ölanstieg + Wicklungs--zu-Öltemperaturgradient

Die eigentliche Berechnung ist aufwändiger und hängt von der Transformatorkonstruktion und der geltenden Norm ab.

Technische Berechnungsmethoden für Ölfluss und Temperaturanstieg in Wicklungen

Ingenieure können den Ölfluss und die Wicklungstemperatur von Transformatoren mithilfe von analytischen Berechnungen, thermischen Modellen und, bei größeren oder komplexeren Transformatoren, rechnergestützter Fluiddynamik (CFD) bewerten.

Zu den Hauptparametern gehören:

Ein gutes Ölflussdesign-ist von entscheidender Bedeutung. Wenn das Öl nicht richtig durch eine Wicklung zirkuliert, können sich örtlich heiße Stellen entwickeln, selbst wenn die Gesamttemperatur des Transformators akzeptabel erscheint.

Bei großen Leistungstransformatoren kann die CFD-Analyse Ingenieuren dabei helfen, ungleichmäßige Ölflüsse, Temperaturgradienten und potenzielle Hotspot-Standorte zu erkennen, bevor der Transformator hergestellt wird.

Wärmeableitung von Transformatoröltanks

Der Transformatoröltank ist nicht nur ein Behälter für das Öl. Es ist auch Teil des Kühlsystems.

Nachdem es die Wärme vom Kern und den Wicklungen absorbiert hat, überträgt das Öl diese Wärme auf die Tankwände. Die Tankoberfläche gibt die Wärme dann an die Umgebung ab.

Größere Transformatoren erfordern normalerweise Heizkörper, um zusätzliche Wärmeübertragungsfläche bereitzustellen.

Konvektionswärmeableitung

Konvektion ist eine der Hauptarten, mit denen ein Transformator Wärme abgibt.

Wenn die Tankoberfläche wärmer wird als die Umgebungsluft, erwärmt sich die Luft in der Nähe, wird weniger dicht und steigt auf. Dann strömt kühlere Luft zur Tankoberfläche.

Dadurch entsteht eine natürliche Luftzirkulation und die Wärme wird vom Transformator abgeführt.

Bei der Zwangsluftkühlung erhöhen Lüfter den Luftstrom über die Kühleroberflächen. Dies ist besonders nützlich, wenn der Transformator unter hoher Last betrieben wird.

Strahlung

Auch der Transformatorkessel und die Heizkörper geben Wärme durch Wärmestrahlung ab.

Die Menge der abgestrahlten Wärme hängt von der Oberflächentemperatur, dem Emissionsgrad, der exponierten Fläche und den Umgebungsbedingungen ab.

Strahlung alleine funktioniert nicht. In der Praxis wirken Strahlung und Konvektion zusammen und beide tragen zur Gesamtwärmeableitung des Transformators bei.

Temperaturanstieg von Rohrtransformator-Öltanks

Rohrförmige Transformatoröltanks verwenden röhrenförmige Strukturen, um die externe Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern.

Der grundlegende thermische Pfad bleibt bestehen:

Aktive Teile → Öl → Rohrtank → Umgebungsluft

Insbesondere bei selbstgekühlten Transformatoren kann eine größere Kühlfläche die Wärmeableitung verbessern.

Der Temperaturanstieg eines röhrenförmigen Transformatoröltanks hängt von der Transformatorbelastung, der Ölzirkulation, den Rohrabmessungen, dem Rohrabstand, der Umgebungstemperatur und dem Luftstrom um den Tank herum ab.

Der Tank sollte daher zusammen mit dem Kern, den Wicklungen, den Ölkanälen, den Kühlern und der Umgebungsluft als Teil des gesamten thermischen Systems konzipiert werden.

Warum der Temperaturanstieg von Transformatoren wichtig ist

Warum so viel Zeit damit verbringen, über den Temperaturanstieg zu diskutieren? Weil es einen direkten Zusammenhang mit hatIsolationslebensdauer, Transformatorbelastbarkeit, Kühlleistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer.

Langfristiger Betrieb bei zu hohen Temperaturen kann die Alterung der Isolierung beschleunigen und das Risiko einer thermischen Verschlechterung erhöhen. Andererseits kann ein überdimensioniertes Kühlsystem unnötige Gerätekosten und einen unnötigen Stromverbrauch verursachen.

Das Ziel besteht nicht nur darin, den Transformator so kühl wie möglich zu machen. Bei guter Technik geht es darum, das richtige Gleichgewicht zwischen Wärmeerzeugung, Wärmeableitung, Effizienz, Kosten, Zuverlässigkeit und dem tatsächlichen Lastprofil zu finden.

Auch moderne Elektroinstallationen verdienen besondere Aufmerksamkeit. Rechenzentren, Frequenzumrichter-, Wandler für erneuerbare{{2}Energien, Ladesysteme für Elektrofahrzeuge und andere leistungselektronische Lasten-können Oberschwingungsströme verursachen. Diese Ströme können zusätzliche Transformatorverluste erhöhen und zur Erwärmung beitragen.

Schlüsselfaktoren, die den Temperaturanstieg des Transformators beeinflussen

Bei der Auswahl oder Spezifikation eines Öltransformators- lohnt es sich, die gesamte Betriebsumgebung zu betrachten, anstatt sich auf eine Temperaturzahl zu konzentrieren.

Abschluss

Anstieg der Transformatortemperaturist ein grundlegender Bestandteil des Transformatordesigns, der Prüfung und des Betriebs. Es beschreibt, wie viel heißer eine Transformatorkomponente im Vergleich zur Referenzumgebungstemperatur wird, und liefert einen nützlichen Hinweis auf die Wirksamkeit des thermischen Systems des Transformators.

Für einÖltransformator-Die vom Kern und den Wicklungen erzeugte Wärme wird auf das Isolieröl übertragen, durch das Kühlsystem transportiert, an den Tank und die Kühler weitergeleitet und schließlich durch Konvektion und Strahlung abgegeben.

DerTemperaturanstieg von Öltransformatoren-hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich Transformatorlast, Umgebungstemperatur, Wicklungsdesign, Ölzirkulation, Kühlmethode, Tankkonstruktion und verfügbarer Wärmeübertragungsfläche.

Besondere Aufmerksamkeit verdient der Wicklungs-Hotspot, da örtliche Überhitzung die Alterung der Isolierung beschleunigen kann, selbst wenn die Durchschnittstemperatur innerhalb akzeptabler Grenzen bleibt.

Für Transformatorenhersteller wie z.BYawei-TransformatorDaher ist das thermische Design ein wesentlicher Bestandteil der Produktentwicklung. Wicklungskonfiguration, Ölströmungswege, Verlustverteilung, Kühlerdesign, Kühlausrüstung und Temperaturanstiegstests müssen alle zusammenarbeiten.

Überprüfen Sie bei der Angabe eines Transformators stets die AnwendbarkeitIEC 60076- oder IEEE C57-Standards, Projektanforderungen, Isolationssystem, Kühlanordnung, Umgebungsbedingungen und die vom Hersteller garantierten technischen Daten. Werte wie60 K, 65 K, 70 K und 78 Ksind Referenztemperaturanstiegswerte unter definierten Bedingungen und keine universellen Betriebstemperaturgrenzwerte für jeden Transformator.

Letztendlich ist ein gutes thermisches Design im Prinzip ziemlich einfach: Erzeugen Sie weniger unnötige Wärme, leiten Sie die Wärme effizient ab, halten Sie Hotspots unter Kontrolle und stellen Sie sicher, dass der Transformator die reale Belastung bewältigen kann, der er tatsächlich ausgesetzt ist.

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