Soluzione completa di miglioramento delle prestazioni per i trasformatori di trasmissione: ottimizzazione del raffreddamento e riduzione delle perdite nel circuito magnetico

1. Contesto e sfide

Con la continua crescita dei carichi elettrici e le sempre più stringenti esigenze di operatività stabile della rete, i trasformatori di trasmissione affrontano gravi sfide riguardanti l'efficienza operativa, il controllo del riscaldamento e la affidabilità a lungo termine. Temperature operative elevate accelerano l'invecchiamento dei materiali isolanti, riducono la durata degli impianti e aumentano il rischio di guasti. Le elevate perdite nel circuito magnetico (principalmente perdite di ferro e di rame) riducono l'efficienza dell'utilizzo dell'energia, portando a costi operativi inutili. Per affrontare le due principali questioni comuni nei trasformatori di trasmissione - riscaldamento eccessivo e perdite significative nel circuito magnetico - è stata formulata questa soluzione complessiva.

2. Obiettivi della soluzione

• Ridurre significativamente le temperature operative: Controllare la temperatura del olio superiore e la temperatura dei punti caldi delle bobine entro margini di funzionamento sicuri.
• Ridurre efficacemente le perdite nel circuito magnetico: Concentrarsi sulla riduzione delle perdite a vuoto (perdite di ferro) e delle perdite a carico (perdite di rame), migliorando l'efficienza operativa complessiva.
• Migliorare la affidabilità operativa: Ridurre i tassi di guasto causati da sovrariscaldamento e perdite eccessive, prolungando la vita utile del trasformatore.
• Ottimizzare il costo totale del ciclo di vita: Migliorare l'efficienza economica del trasformatore attraverso risparmi energetici e una frequenza di manutenzione ridotta.

3. Misure di mitigazione chiave

Questa soluzione adotta una strategia integrata di "controllo delle perdite alla fonte + miglioramento della capacità di dissipazione del calore + gestione precisa delle condizioni":

3.1 Ottimizzazione e aggiornamento del sistema di raffreddamento, miglioramento dell'efficienza di dissipazione del calore (risoluzione del riscaldamento)

• Utilizzare metodi di raffreddamento ad alta efficienza:
• Raffreddamento forzato ad aria (OFAF/ODAF): Aggiornare i trasformatori attualmente raffreddati naturalmente ad aria (ONAN) o raffreddati ad aria forzata (ONAF), o equipaggiare nuove unità con ventilatori assiali ad alte prestazioni. Selezionare ventilatori efficienti, a basso rumore e resistenti alle intemperie combinati con un controllo intelligente dell'aria (ad esempio, avvio/fermata automatica in base alla temperatura o regolazione tramite variatore di frequenza) per migliorare significativamente l'efficienza della convezione dell'aria sulle superfici dei radiatori e rimuovere rapidamente il calore.
• Raffreddamento forzato ad olio e acqua (OFWF): Prioritario per trasformatori di capacità ultra-elevata, unità con fattori di carico elevati o quelle che operano in ambienti ad alta temperatura. Equipaggiati con pompe ad olio ad alta efficienza e scambiatori di calore a placche per sfruttare l'elevata capacità calorifica specifica dell'acqua per uno scambio efficiente di calore. Richiede sistemi di trattamento dell'acqua di supporto (per prevenire la formazione di incrostazioni e la corrosione) e meccanismi di garanzia della affidabilità (ad esempio, circuiti d'acqua duali, pompe di riserva).
• Raffreddamento assistito da tubi termici: Installare moduli di tubi termici in punti critici sui radiatori per condurre e dissipare in modo efficiente il calore dei punti caldi locali attraverso il principio di cambiamento di fase.
• Ottimizzare la struttura e la disposizione dei radiatori:
• Utilizzare radiatori con area superficiale aumentata (ad esempio, radiatori a lamelle, pannelli) e progettazioni di percorsi di flusso ottimizzate.
• Garantire percorsi di flusso lisci per i mezzi di raffreddamento (aria o acqua), eliminare restrizioni locali del flusso e migliorare l'uniformità della dissipazione del calore.
• (Per il raffreddamento ad aria) Ottimizzare la posizione dei ventilatori e il design dei condotti per garantire una copertura uniforme dell'aria sui radiatori, minimizzando le zone morte.
• Controllo intelligente del raffreddamento:
• Regolare automaticamente l'output del sistema di raffreddamento (velocità/numero di ventilatori, portata della pompa ad olio) in base al monitoraggio in tempo reale della temperatura dell'olio, della temperatura delle bobine e della temperatura ambiente. Realizza un raffreddamento su richiesta, garantendo l'efficacia della dissipazione del calore mentre si minimizza il consumo di energia degli apparecchi ausiliari.

3.2 Ottimizzazione dei materiali e della struttura del nucleo, riduzione delle perdite di ferro (controllo delle perdite magnetiche del nucleo)

• Selezionare materiali ad alte prestazioni per il nucleo:
• Prioritariamente, utilizzare lastre di acciaio silicio laminato a freddo ad alta permeabilità e a bassa perdita unitaria (ad esempio, acciaio HiB) o materiali più avanzati come leghe amorfe (offrono vantaggi significativi per la riduzione delle perdite a vuoto).
• Controllare rigorosamente lo spessore, la piattezza e la qualità del rivestimento isolante delle lastre di acciaio silicio per minimizzare le perdite di isteresi e le perdite di corrente turbolenta.
• Ottimizzare il progetto e i processi di fabbricazione del nucleo:
• Implementare tecniche di sovrapposizione a gradini per minimizzare la riluttanza magnetica nelle giunzioni, riducendo ulteriori perdite di ferro.
• Controllare con precisione il fattore di impilamento e la forza di serraggio per garantire una distribuzione uniforme del percorso magnetico e evitare saturazioni locali eccessive.
• (Applicazione di tecnologie avanzate) Esplorare tecniche come la scribatura laser (Laser Scribbling) per ulteriormente ottimizzare la struttura del dominio magnetico del materiale.
• Ottimizzare i metodi di messa a terra del nucleo e lo schermo per ridurre le perdite parassite nei componenti strutturali.

3.3 Ottimizzazione del progetto e dei processi di avvolgimento, riduzione delle perdite di rame (controllo chiave delle perdite magnetiche)

• Ottimizzare la struttura e il progetto elettromagnetico dell'avvolgimento:
• Calcolare con precisione la distribuzione degli ampere-giri, ottimizzare la sezione trasversale del conduttore (ad esempio, utilizzando cavi continuamente trasposti - CTC o cavi trasposti autoadesivi - TTC) per minimizzare le correnti circolanti e le perdite di corrente turbolenta.
• Scegliere ragionevolmente il materiale del conduttore (rame senza ossigeno ad alta conducibilità) e la densità di corrente, riducendo efficacemente le perdite di resistenza continua mentre si soddisfano i vincoli di riscaldamento.
• Ottimizzare l'altezza, il diametro e le dimensioni radiali dell'avvolgimento per controllare il flusso di dispersione e ridurre le perdite parassite.
• Processi di fabbricazione avanzati:
• Garantire una compattezza uniforme dell'avvolgimento utilizzando attrezzature di avvolgimento a tensione costante.
• Utilizzare processi avanzati di impregnazione sotto vuoto (VPI) o di colata di resina per garantire un riempimento completo dei vuoti con materiali isolanti, migliorando la conducibilità termica e la resistenza meccanica, quindi aiutando la dissipazione del calore e riducendo le scariche parziali.

3.4 Monitoraggio delle condizioni del circuito magnetico e manutenzione proattiva (gestione a ciclo chiuso, garantendo le prestazioni a lungo termine)

• Implementare un monitoraggio preciso delle condizioni del circuito magnetico:
• Valutare in modo esaustivo la salute del circuito magnetico integrando il monitoraggio online (ad esempio, Analisi dei gas disciolti - DGA, monitoraggio delle scariche parziali ad alta frequenza, monitoraggio della vibrazione/rumore acustico, termografia infrarossa) e il test offline (test periodici di deformazione dell'avvolgimento, test di perdite a vuoto e a carico, test di corrente di messa a terra del nucleo).
• Monitoraggio focalizzato: segni di difetti di messa a terra multipla del nucleo, fluttuazioni anormali delle perdite, sovrariscaldamento degli schermi magnetici e delle strutture di serraggio.
• Stabilire un meccanismo di manutenzione preventiva:
• Sviluppare piani di manutenzione mirati per il circuito magnetico basati sui dati di monitoraggio delle condizioni e sulla storia operativa.
• Ispettioni periodiche della messa a terra del nucleo e della struttura di serraggio: Garantire una messa a terra a singolo punto affidabile, rilevare e correggere prontamente i difetti di messa a terra multipla (che aumentano significativamente le perdite di ferro e causano sovrariscaldamento).
• Ispettioni degli schermi magnetici, delle ganasce e di altri componenti strutturali: Verificare la presenza di allentamenti, sovrariscaldamenti o tracce di scariche; eliminare prontamente le anomalie.
• Durante le ispezioni con sollevamento del nucleo/coperchio, eseguire controlli e manutenzioni focalizzate sulle giunzioni delle lamine del nucleo e sulle condizioni di serraggio.
• Eseguire un'analisi diagnostica approfondita sulle tendenze al rialzo delle perdite anomale per identificare le cause radice e implementare azioni correttive.

4. Benefici attesi

• Riduzione significativa del riscaldamento: Si prevede che le temperature operative (in particolare le temperature dei punti caldi) siano controllate efficacemente, con riduzioni che raggiungono gli obiettivi previsti (ad esempio, 15-25%), alleviando notevolmente lo stress di invecchiamento termico sui materiali isolanti.
• Riduzione efficace delle perdite nel circuito magnetico:
• Perdite di ferro (perdite a vuoto): Si prevede una riduzione del 20-40% attraverso nuovi materiali e processi (particolarmente significativa quando si utilizzano leghe amorfe).
• Perdite di rame (perdite a carico): Si prevede una riduzione del 10-25% attraverso un progetto di avvolgimento ottimizzato.
• Miglioramento dell'efficienza complessiva del 1-3 punti percentuali, fornendo notevoli benefici economici e riduzione delle emissioni di carbonio.
• Miglioramento sostanziale della affidabilità: I rischi di guasto causati da sovrariscaldamento e anomalie del circuito magnetico sono significativamente ridotti, migliorando la disponibilità dell'impianto e prolungando la sua vita utile.
• Ottimizzazione del costo totale del ciclo di vita: Nonostante un potenziale investimento iniziale più elevato (ad esempio, materiali ad alte prestazioni, sistemi di raffreddamento avanzati), i benefici derivanti dai risparmi energetici a lungo termine, dalla riduzione dei costi di manutenzione e dall'estensione della vita utile sono più sostanziali, ottenendo un ritorno sull'investimento (ROI) favorevole.

5. Campo di applicazione

Questa soluzione si applica a trasformatori di trasmissione (potenza) a immersione in olio nuovi e in servizio a livello di tensione di 35 kV e superiore. Misure specifiche possono essere personalizzate e implementate in base alla capacità, al livello di tensione, all'ambiente operativo, all'importanza e alle condizioni attuali del trasformatore.