変圧器の温度上昇: 制限、計算および冷却ガイド

変圧器の温度上昇これは、紙の上では単純に見えても、実際の運用では非常に重要な技術的な詳細の 1 つです。すべての変圧器は、通電されて負荷がかかると熱を発生します。課題は、熱を効率的に排出し、コア、巻線、絶縁体、オイルを設計温度範囲内に保つことです。

これは、次の場合に特に重要になります。油入変圧器-。変圧器油は電気絶縁を提供するだけではありません。また、作動部品から熱を奪い、タンク、ラジエーター、周囲の空気に熱を伝えます。

したがって、エンジニアが次のことについて話すとき、油入変圧器の温度上昇-彼らは、熱システム全体 - の変圧器損失、オイル循環、冷却装置、周囲条件、タンク設計、実際の負荷を実際に調べています。

変圧器の温度上昇と温度

まず、1 つの共通点を明確にする価値があります。変圧器の温度そして変圧器の温度上昇同じものではありません。

変圧器温度は、巻線、上部オイル、コア、タンクなどのコンポーネントの実際の温度です。温度上昇は、間の違いその温度と指定された周囲温度または基準温度。

簡単に言うと:

変圧器温度=周囲温度 + 温度上昇

たとえば、周囲温度が 30 度で、最高油温の上昇が 55 K である場合、おおよその最高油温は 85 度です。-

もちろん、実際の変圧器はそれほど単純ではありません。異なる部品は異なる温度で動作します。巻線の温度は通常、周囲のオイルよりも高く、巻線の狭い領域が平均巻線温度よりもはるかに高くなる場合があります。この最高温度領域は、曲がりくねったホットスポット.

このため、トランスの熱設計では、複数の温度測定値を考慮する必要があります。

変圧器の温度上昇基準

温度上昇要件は、適用される規格、変圧器の設計、絶縁システム、冷却方法、動作条件によって異なります。-

IEC 60076-2液浸変圧器の-温度上昇試験-の要件を示します。のIEEE C57シリーズも、特に北米の変圧器用途に広く使用されています。

特定のプロジェクトについては、別の変圧器から温度数値を単純にコピーするのではなく、該当する規格とプロジェクトの仕様を確認することをお勧めします。

変圧器温度上昇制限表

従来の液浸変圧器設計の場合、一般的に参照される IEC 60076-2 の値には次のものが含まれます。{0}

これらの数値はエンジニアリングの参考として役立ちますが、すべての変圧器に対する普遍的な制限として扱うべきではありません。実際の要件は、絶縁液体、絶縁システム、冷却装置、変圧器の仕様、および適用される規格によって異なる場合があります。

そして、見落としがちな点がもう 1 つあります。温度上昇は絶対温度ではない.

表は単なる説明図です。変圧器の実際の動作温度は、負荷、冷却条件、熱分布、およびメーカーの熱設計によって異なります。

IEEE 変圧器の慣行では、一般的に使用されるものを含め、巻線の平均温度上昇が異なる設計も区別されます。55度そして65度鉱油-浸漬変圧器-の設計。したがって、繰り返しになりますが、メーカーが保証する技術データは、特定のプロジェクトの最終参考資料となる必要があります。

断熱材の劣化と温度上昇

温度は変圧器の絶縁劣化に直接影響します。

断熱材が高温で長期間動作すると、一般に劣化プロセスが加速します。固体絶縁体と絶縁油は両方とも、継続的な熱応力の影響を受ける可能性があります。

の曲がりくねったホットスポット特に注目に値します。変圧器の平均巻線温度は、局所的な領域がかなり高温になっても許容できる場合があります。

優れたトランス設計では、これらのホットスポットを制御しようとします。適切な巻線の形状、オイルの流路、導体の選択、冷却能力がすべて影響します。

加重平均周囲温度

周囲温度も見逃せない要素です。

同じ温度上昇で動作する変圧器は、高温環境に設置されると明らかに絶対温度が高くなります。

これは、周囲の温度が長期間にわたって高温に維持される可能性がある熱帯地域、密閉された変電所、産業施設に特に当てはまります。

エンジニアは、季節の気温、設置高度、換気、日射量、および近くの機器を考慮する必要がある場合があります。

言い換えれば、たとえ定格温度上昇が同じであっても、同じ変圧器は 2 つの設置環境ではまったく異なる動作をする可能性があります。

変圧器の加熱と冷却

変圧器は主に次のような熱を発生します。鉄損、巻線損、浮遊負荷損.

コア損失は主に磁気コア内のヒステリシスと渦電流に関連しています。巻線損失は主に導体抵抗に関連しますが、追加の浮遊損失が巻線、タンク壁、クランプ、その他の金属部品で発生する可能性があります。

油入変圧器の場合、基本的な熱伝達経路は次のようになります。{0}{1}

コアと巻線 → 変圧器油 → タンク/ラジエーター → 周囲の空気

変圧器が熱平衡に達すると、変圧器内部で発生する熱と外部に放出される熱がほぼ平衡になります。

変圧器の放熱方法

変圧器内では、いくつかの熱伝達メカニズムが連携して動作します。-

小型または中型の変圧器の場合は、自然冷却で十分な場合があります。ただし、変圧器の容量が増加すると、除去する必要がある熱の量も増加します。そこで、より大きなラジエーターバンク、ファン、ポンプ、またはオイルの指向循環が登場します。

変圧器の冷却方法

油入変圧器にはいくつかの冷却装置が一般的に使用されています。{0}

ONAN 冷却は比較的シンプルで信頼性が高いため、依然として人気のある選択肢です。保守が必要な補助コンポーネントが少なくなるため、多くの設置において大きな利点となります。

より大きな変圧器の場合は、冷却能力を高めるためにファンを追加できます。非常に大型の電力変圧器では、より制御された熱伝達を提供するために強制オイル循環を使用する場合があります。-

油入変圧器の加熱と冷却-

変圧器油油入変圧器の熱システムの中心です。-

コアと巻線が発熱すると、周囲のオイルが温かくなります。温かいオイルは密度が低くなり、自然に上に移動し、冷たいオイルは下に移動します。これにより、変圧器内に循環が生じます。

これが基本的に ONAN の冷却の仕組みです。

加熱されたオイルは最終的にタンクに到達し、ラジエーター、その熱が周囲の空気に伝達されます。

変圧器の負荷はこのプロセスに大きな影響を与えます。巻線損失は電流の 2 乗にほぼ比例します。

Pcu ∝ I²

つまり、電流が比較的わずかに増加しても、巻線損失が大幅に増加する可能性があります。

これは簡略化した比較です。導体抵抗は温度によって変化し、追加の浮遊損失が存在するため、実際のトランス損失はさらに複雑になります。

それでも、メッセージは非常に明確です。持続的な過負荷はすぐに熱の問題になる可能性があります。

油に浸された変圧器巻線の温度上昇-

の油に浸された変圧器巻線の温度上昇-は変圧器の熱設計における重要なパラメータの 1 つです。

巻線温度は、導体の材質、巻線抵抗、電流密度、巻線の形状、オイルの流路、絶縁配置、冷却方法、負荷の影響を受けます。{0}

温度も巻線全体に均一に分布しません。一部の地域は他の地域よりも自然に高温になり、最高温度の場所が曲がりくねったホットスポットになります。-

単純化した関係は次のとおりです。

ホットスポット温度-= 周囲温度 + 上部-オイル上昇 + ワインディング-から-オイルの温度勾配

実際の計算はさらに複雑で、変圧器の設計と適用される規格によって異なります。

巻線内の油の流れと温度上昇の工学的計算方法

エンジニアは、解析計算、熱モデル、さらに大型またはより複雑な変圧器の場合は数値流体力学 (CFD) を使用して、変圧器の油の流れと巻線の温度を評価できます。

主なパラメータには次のようなものがあります。

適切なオイルの流れ設計が重要です。-オイルが巻線内を適切に循環していないと、変圧器全体の温度が許容範囲内に見えても、局所的なホットスポットが発生する可能性があります。

大型の電力変圧器の場合、CFD 解析は、エンジニアが変圧器の製造前に不均一なオイルの流れ、温度勾配、潜在的なホットスポットの位置を特定するのに役立ちます。{0}}

変圧器油タンクの放熱

変圧器油タンクは単なる油の容器ではありません。これも冷却システムの一部です。

オイルはコアと巻線から熱を吸収した後、その熱をタンクの壁に伝えます。タンク表面は熱を周囲環境に放出します。

通常、大型の変圧器には追加の熱伝達領域を提供するラジエーターが必要です。{0}}

対流熱の放散

対流は、変圧器が熱を放出する主な方法の 1 つです。

タンクの表面が周囲の空気よりも暖かくなると、近くの空気が加熱されて密度が低くなり、上昇します。冷たい空気はタンク表面に向かって移動します。

これにより自然な空気循環が生まれ、変圧器から熱が逃げます。

強制空冷では、ファンによってラジエーター表面全体の空気の流れが増加します。{0}これは、変圧器が高負荷で動作している場合に特に役立ちます。

放射線

変圧器タンクとラジエーターも熱放射によって熱を放出します。

放射される熱の量は、表面温度、放射率、露出面積、周囲の状況によって異なります。

放射線は単独では作用しません。実際には、放射と対流が一緒に動作し、両方が変圧器全体の熱放散に寄与します。

管状変圧器油タンクの温度上昇

管状変圧器オイル タンクは、管状構造を使用して外部伝熱面積を増やします。{0}}

基本的な熱経路はそのままです。

作動部品→油→管状タンク→周囲空気

冷却面が大きいと、特に自然冷却変圧器の場合、熱放散が改善されます。

管状変圧器油タンクの温度上昇は、変圧器の負荷、油の循環、管の寸法、管の間隔、周囲温度、タンク周囲の空気の流れによって決まります。

したがって、タンクは、コア、巻線、オイル通路、ラジエーター、周囲の空気とともに、完全な熱システムの一部として設計される必要があります。

変圧器の温度上昇が重要な理由

なぜ気温上昇について議論するのにこれほど多くの時間を費やすのでしょうか?と直接関係があるので、絶縁寿命、変圧器負荷能力、冷却性能、信頼性、耐用年数.

-過度の温度で長期間動作すると、絶縁体の劣化が促進され、熱劣化のリスクが高まる可能性があります。一方、冷却システムが大きすぎると、不必要な設備コストと補助電力消費が増加する可能性があります。

目標は、単にトランスをできるだけ低温にすることではありません。優れたエンジニアリングとは、発熱、熱放散、効率、コスト、信頼性、実際の負荷プロファイルの間で適切なバランスを見つけることです。

現代の電気設備にも特別な注意が必要です。データセンター、可変周波数ドライブ、再生可能エネルギー コンバータ、EV 充電システム、その他の電力電子負荷では、高調波電流が発生する可能性があります。-これらの電流は、変圧器の損失をさらに増加させ、加熱に寄与する可能性があります。

変圧器の温度上昇に影響を与える主な要因

油入変圧器を選択または指定するときは、1 つの温度数値に注目するのではなく、全体的な動作環境を検討する価値があります。{0}

結論

変圧器の温度上昇は、変圧器の設計、テスト、および操作の基本的な部分です。これは、変圧器コンポーネントが基準周囲温度と比較してどの程度高温になるかを示し、変圧器の熱システムの有効性を示す有用な指標となります。

のために油入変圧器-、コアと巻線によって発生した熱は絶縁油に伝達され、冷却システムを通って運ばれ、タンクとラジエーターに伝わり、最終的に対流と放射によって放出されます。

の油入変圧器の温度上昇-変圧器の負荷、周囲温度、巻線の設計、オイルの循環、冷却方法、タンクの構造、利用可能な伝熱面積など、多くの要因によって決まります。-

平均温度が許容範囲内に留まっている場合でも、局所的な過熱により絶縁体の劣化が促進される可能性があるため、巻線のホットスポットには特に注意が必要です。

変圧器メーカー向けヤーウェイトランスフォーマーしたがって、熱設計は製品エンジニアリングの重要な部分です。巻線構成、オイル流路、損失分布、ラジエーター設計、冷却装置、温度上昇テストはすべて連携して行う必要があります。-

変圧器を指定する場合は、該当する変圧器を必ず確認してください。IEC 60076 または IEEE C57 規格、プロジェクト要件、断熱システム、冷却装置、周囲条件、およびメーカーが保証する技術データ。次のような値60K、65K、70K、78Kこれは定義された条件下での基準温度上昇値であり、すべての変圧器に対する普遍的な動作温度制限ではありません。-

結局のところ、優れた熱設計とは原理的に非常にシンプルです。つまり、不必要な熱の生成を減らし、熱を効率的に移動させ、ホットスポットを制御し、変圧器が実際に発生する現実の負荷を確実に処理できるようにすることです。-

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