Quando chiedi a cinque ingegneri la distinzione tra un trasformatore di potenza e un trasformatore di distribuzione, ottieni cinque risposte diverse. In un progetto, ad esempio, un trasformatore montato su basamento da 2.500 kVA sarà chiamato trasformatore di distribuzione, mentre in un altro progetto quel medesimo pezzo di attrezzatura apparterrà alla categoria dei piccoli trasformatori di potenza. Questo articolo esaminerà le definizioni negli standard, le implicazioni pratiche di quelle definizioni e come identificare la categoria in cui rientra un dato trasformatore in base alla sua targa, classe di raffreddamento o a un'immagine dell'installazione in questione.
In sintesi: Un trasformatore di potenza trasmette corrente ad alta capacità dal livello di trasmissione al livello di sub-trasmissione; i suoi livelli di tensione standard iniziano a 33 kV e superiori con un livello di potenza da 500 kVA a centinaia di MVA, e la sua costruzione opera a capacità massima passando un carico di 90-100%. Al contrario, un trasformatore di distribuzione converte la tensione da media a bassa nella gamma da 35 kVA a 500 kVA con tensione primaria di 11 kV a 35 kV e tensione secondaria del trasformatore di circa 230-480 V, e il suo funzionamento si basa su livelli di carico da 50% a 75% poiché il carico non è costante. L'azienda Subian produce trasformatori immersi in olio della classe di distribuzione e trasformatori di tipo secco, pertanto la sua linea di prodotti consiste principalmente di trasformatori di classe di distribuzione.
Il modo più chiaro per distinguerli: posizione nella catena
Dimentica per un attimo la targa e concentrati sulla posizione dell'unità. L'unità di generazione sale al livello di tensione di trasmissione presso l'impianto di generazione. L'unità di trasmissione trasporta quella tensione attraverso la nazione. Poi, la sub-trasmissione e la distribuzione primaria la riducono gradualmente. Il trasformatore responsabile dell'ultima diminuzione – quello che alimenta un edificio o una strada – è un trasformatore di distribuzione indipendentemente dal suo kVA.
Tutto prima dell'ultima diminuzione, a partire dall'unità di sollevamento del generatore fino alla sottostazione di interconnessione, è un trasformatore di potenza. Non ha un collegamento diretto con alcun consumatore. La luce non diminuisce per una singola persona quando un trasformatore di potenza è attivato; tuttavia, per un'intera regione, sì. Questo singolo fatto riguardo alla sua connessione con gli utenti finali spiega quasi ogni deviazione di design dal ciclo di lavoro all'importanza data alle dimensioni dell'unità.
Tensione e capacità: dove l'industria traccia il confine
IEEE 141 descrive la tradizionale suddivisione della capacità. Secondo essa, la capacità per il tipo di distribuzione si colloca tra 3 e 500 kVA mentre il tipo di potenza copre tutte le capacità a partire da 500 kVA. Allo stesso modo, lo standard IEEE C57.12.00, che stabilisce i requisiti generali per i trasformatori immersi in liquido, ha lo stesso valore di demarcazione per il tipo di trasformatori. Ciò significa che questo rimane lo standard accettato, ma ci sono lievi deviazioni da esso tra i produttori e le aziende che svolgono il lavoro effettivo sul campo.
| Parametro | Trasformatore di potenza | Trasformatore di distribuzione |
|---|---|---|
| Tensione primaria | 33 kV a 765 kV | 11-35 kV (classi statunitensi 15 / 25 / 35 kV) |
| Tensione secondaria | 33 kV a 220 kV presso i nodi di trasmissione | 230-480 V (480/277 V, 208/120 V, 400/230 V) |
| Capacità nominale | Oltre 500 kVA; comunemente 5-500 MVA | 3-500 kVA secondo IEEE 141; fino a 2.500 kVA in pratica |
| Classe di tensione | HV e EHV | MV primario, LV secondario |
| Dove vive | Stazioni di generazione, sottostazioni di trasmissione, interconnessioni | Pali, basi, vani, stanze elettriche interne |
| Chi serve | Reti e servizi pubblici | Utenti finali, edifici, piccola industria |
In questo dominio, la categoria di tensione è vista come lo strumento di identificazione più affidabile. Se la tensione secondaria utilizzata rientra nei range di tensione di utilizzo, stiamo trattando un trasformatore di distribuzione. Al contrario, se entrambi gli avvolgimenti operano a livello di trasmissione, stiamo trattando un trasformatore di potenza, anche se i disegni possono indicarlo come molto piccolo.
Ciclo di lavoro ed efficienza: la differenza che costa realmente denaro
Le persone sottovalutano quasi completamente l'importanza delle perdite di ferro e rame. Le perdite di ferro (a vuoto) si verificano continuamente 24 ore al giorno, e le perdite di rame (a carico) dipendono istantaneamente dal quadrato della corrente. I trasformatori di potenza lavorano molto vicino alle loro valutazioni di targa in modo continuo, ecco perché il progettista equilibra le perdite di rame e ferro al carico massimo e rende la densità di flusso sufficientemente alta per ridurre il nucleo. I trasformatori di distribuzione lavorano continuamente ma forniscono energia solo durante le ore di punta, ecco perché il progettista lavora per minimizzare le perdite di ferro e accetta il fatto che le perdite di rame prevarranno al carico massimo. L'efficienza del trasformatore di distribuzione si attesta intorno a 50%-75%.
Perciò, l'efficienza ordinaria calcolata mediante il carico completo è totalmente errata per il dispositivo di distribuzione. L'efficienza su tutta la giornata calcolata come totale delle uscite energetiche per 24 ore diviso per il totale delle entrate energetiche del trasformatore è l'opzione migliore per questa situazione. Il trasformatore da 100kVA che ha 300W di perdite di ferro e 1.200W di perdite di rame a carico completo può dimostrare 98.7% di efficienza su tutta la giornata nonostante l'efficienza istantanea fluttuante.
Ecco perché la potenza e la sua corretta dimensione sono di massima importanza nel lato della distribuzione rispetto a quanto normalmente previsto. Se l'unità è sovradimensionata, le perdite di ferro operano sull'unità che non funziona mai. Se il trasformatore è sottodimensionato, le perdite di rame comportano penalità ad ogni picco. Il profilo di carico, non solo la domanda di picco, è ciò che dovrebbe guidare la selezione dei kVA, e un corretto calcolo del carico di solito porterà a un'unità più piccola di quanto suggerisca il carico connesso.
Differenze di design che puoi vedere e misurare
Avvicinandosi a un trasformatore, si possono vedere i molti elementi di design. I trasformatori di potenza sono grandi contenitori riempiti d'olio dotati di conservatori, radiatori, respiratori e, a volte, di più metodi di raffreddamento, a partire dal raffreddamento naturale noto come ONAN, e passando a ONAF, OFAF o OFWF a seconda del carico e della temperatura circostante. Quale di queste due famiglie si utilizza è spesso deciso dalla posizione dell'unità piuttosto che dal carico, perché i trasformatori immersi in olio e i trasformatori di tipo secco hanno obblighi di separazione antincendio e di manutenzione completamente diversi.
| Aspetto del design | Trasformatore di potenza | Trasformatore di distribuzione |
|---|---|---|
| Classe di raffreddamento | ONAN / ONAF / OFAF / OFWF, a volte acqua | ONAN o di tipo secco (AN/AF) |
| Densità di flusso | Maggiore, funzionando vicino al ginocchio della curva B-H | Minore, scambiato contro l'efficienza giornaliera |
| Commutatore di derivazione | Cambio di derivazione sotto carico (OLTC) comune, spesso ±8 passi o più | Cambio di derivazione fuori circuito (OCTC), tipicamente ±2 × 2.5% |
| Impedenza (%Z) | Selezionato per coordinazione dei guasti e stabilità della rete, spesso 8-20% | Selezionato per limitare la corrente di guasto e controllare la caduta di tensione, comunemente 2.5-7.5% |
| Protezione | Protezione differenziale, relè Buchholz, DGA, integrazione SCADA | Fusibili HV, arrestatori di sovratensione, manometro, occasionalmente rilevamento remoto |
| Massa | Decine a centinaia di tonnellate su fondazioni permanenti | Montabile su palo o su base, occasionalmente sotto 100 kg di tipo secco |
| Vita utile tipica | 25-40 anni | 15-25 anni |
La prima di queste righe tratta del cambio di derivazione: un OLTC significa che il trasformatore può controllare la tensione mentre è energizzato, il che è utile se un'unità deve controllare il profilo di tensione nell'intera regione. Per il trasformatore di distribuzione sarà impostato al momento della messa in servizio e poi dimenticato, poiché nessuno vorrebbe disconnettere un quartiere solo per regolare il cambio durante il carico di picco. La riga successiva discute l'impedenza. Il suo valore è scelto in modo che la corrente di guasto che raggiunge l'apparecchiatura di servizio del cliente sia limitata. Questo è anche il motivo per cui %Z per unità da 500 kVA è tipicamente inferiore a quello per lo stesso trasformatore di potenza.
Tipi e sottoclassi su ciascun lato
Nessuna delle categorie è monolitica e le sottoclassi ti dicono a cosa serve l'unità prima di leggere un singolo valore. Montato su basamento e tipo secco trasformatore di distribuzione Le configurazioni rappresentano la grande maggioranza delle richieste industriali e commerciali, quindi queste sono le due righe da conoscere bene.
| Classe | Tipi comuni | Uso tipico |
|---|---|---|
| Potenza | Trasformatore elevatore di generatore (GSU) | Aumenta l'uscita del generatore alla tensione di trasmissione |
| Autotransformatore di trasmissione | Interconnette due livelli di tensione di trasmissione | |
| Trasformatore di interconnessione / sistema di sottostazione | Riduce la trasmissione a sottotrasmissione | |
| Distribuzione | Montato su palo (sopraelevato) | Aree residenziali con linee aeree; IEEE C57.12.20 |
| Montato su basamento | Distribuzione sotterranea suburbana e commerciale; IEEE C57.12.34 | |
| Sott'acqua / in pozzetto | Sotterraneo urbano, soggetto a inondazioni | |
| Tipo secco | Uso interno — ospedali, centri dati, sale elettriche in altezza |
La riga dei trasformatori di tipo secco è anche importante. Non c'è olio da accendere in primo luogo e non è necessaria alcuna bunding, rendendo i trasformatori di distribuzione di tipo secco i migliori candidati per l'uso interno dove un trasformatore riempito di liquido dovrebbe rispettare le norme di separazione antincendio. Tuttavia, lo svantaggio è il livello di rumore e il fatto che i trasformatori di tipo secco sono per lo più destinati a valori inferiori nella stessa area. Pertanto, di solito è il codice edilizio e non l'ingegnere a decidere di utilizzare un trasformatore di tipo secco piuttosto che uno riempito di liquido.
Normative e test: cosa cambia con la classe
Le classi hanno le stesse origini, anche se i loro contenuti differiscono l'uno dall'altro. IEEE C57.12.00 tratta i requisiti di base per i trasformatori liquidi. IEEE C57.12.10 è destinato ai trasformatori di potenza mentre IEEE C57.12.20 è destinato ai trasformatori aerei e IEEE C57.12.34 è destinato ai trasformatori montati su basamento. A livello internazionale, il ruolo di questi documenti è svolto da IEC 60076 e gli standard ANSI/IEEE vengono citati in caso di coinvolgimento delle utility americane.
Ci sono due azioni normative che possono essere intraprese riguardo a un'attrezzatura di distribuzione che sono molto raramente affrontate nel caso della specifica del trasformatore di potenza. La prima è la regolamentazione dell'efficienza energetica; negli USA le normative sull'efficienza energetica del DOE si applicano all'attrezzatura di distribuzione e il motivo è che è necessario indicare le perdite a vuoto e a carico testate con le relative tolleranze. Quella formulazione trasforma una scheda di specifiche del trasformatore in un documento contrattuale piuttosto che in un opuscolo, e le cifre di perdita garantite sono ciò contro cui viene misurato il test di fabbrica. Un altro vantaggio è che la produzione delle unità di distribuzione avviene in serie in modo che siano soggette alla stessa conformità per tutti gli usi, a differenza di dover sottoporsi a diverse verifiche in loco. Questo porta al fatto che è molto più importante ottenere il certificato di test piuttosto che ricevere un opuscolo di marketing.
Qualunque tipo tu stia acquistando, devi richiedere l'elenco dei test di routine secondo le specifiche: rapporto e parametri di relazione di fase, impedenza di cortocircuito (misurazione dell'impedenza), perdite a vuoto, perdite a carico e valori di resistenza di isolamento. Richiedi il certificato di test di routine effettivo che corrisponde al numero di serie anziché un rapporto di test di tipo emesso per la famiglia di prodotti.
Dove il confine si sfuma realmente
Ecco tre punti che rendono la linea da 500 kVA confusa per le persone coinvolte nell'assistenza alla produzione.
Primo, grande distribuzione. Le utility ordinano trasformatori montati su basamento da 1.000, 1.500 o 2.500 kVA in qualsiasi alimentatore di distribuzione. Secondo la definizione IEEE 141, queste unità sono classificate come trasformatori di potenza, ma le loro capacità funzionali, installate e le intenzioni di design dovrebbero suggerire che appartengono alla categoria dei trasformatori di distribuzione. In generale, si può dire che la pratica negli USA è più focalizzata sulla funzionalità che sulla classificazione.
Secondo, trasformatori elevatori nelle strutture di generazione. Ad esempio, un trasformatore da 1.500 kVA che eleva la tensione da 480V a 13,8 kV in una struttura solare può essere sia un trasformatore di potenza che di distribuzione. Dipende tutto dalle specifiche fatte dal cliente riguardo alle caratteristiche operative richieste di un'unità, inclusa la classe di raffreddamento, la presenza di un cambiavalute, il livello di impedenza, ecc.
Terzo, gruppi vettoriali e interconnessione. Una volta che stai parallelo trasformatori, la compatibilità del gruppo vettoriale diventa il vincolo governante indipendentemente dalla classe, quindi due unità di valutazione simile provenienti da classi diverse possono essere elettricamente incompatibili mentre due unità di decenni diversi funzionano felicemente in parallelo. Sbagliare il gruppo vettoriale e la corrente circolante lo troverà, quindi questa è una questione di configurazione, non di classe.
Quale hai realmente bisogno?
Inizia con i requisiti del carico. Se la tensione secondaria corrisponde a quella utilizzata dall'attrezzatura, dovrai utilizzare un trasformatore di distribuzione, il che significa che il processo di selezione sarà un semplice calcolo basato sul profilo del carico, dove attraverso il kVA, si può valutare il carico di picco, la futura crescita del carico e scegliere il sistema di raffreddamento e la soluzione di montaggio. Se su entrambi i lati del trasformatore la tensione è la tensione attuale, allora il trasformatore è considerato un trasformatore di potenza perché lo scopo principale dell'unità è connettere i sistemi piuttosto che adempiere alla sua funzione secondo il carico. Questo significa che il processo di specifica dipenderà dal livello di guasto e dall'impedenza.
Ci sono due errori principali che vengono solitamente commessi durante l'acquisto di un trasformatore: il primo è acquistare un trasformatore sottodimensionato che non è in grado di servire i carichi di picco, e il secondo è acquistare un'unità secondo le specifiche del trasformatore di potenza, quando in realtà è possibile acquistare un trasformatore di distribuzione, che coprirà anche il carico.
Il problema può essere evitato conducendo uno studio approfondito prima di prendere qualsiasi decisione di acquisto.
Subian produce una gamma di prodotti nel segmento delle apparecchiature di distribuzione come trasformatori di distribuzione, trasformatori strumentali e sistemi di messa a terra neutra. L'azienda non ha trasformatori di potenza in magazzino e informeremo i clienti al riguardo in caso di un progetto che ne necessiti uno. Nel caso in cui ci sia la necessità di creare un profilo di carico, soddisferemo questo requisito insieme ai risultati dei test necessari.
FAQ
Quali sono i quattro principali tipi di trasformatori?
Ci sono quattro categorie ben note di trasformatori basate sul loro principio di funzionamento. La classificazione più utile per gli acquirenti segmenta i trasformatori in trasformatore di potenza, trasformatore di distribuzione, trasformatore strumentale (corrente e tensione) e trasformatore a secco. Nella maggior parte dei casi, i progetti industriali coinvolgono l'uso non di trasformatori di potenza ma degli ultimi tre tipi di trasformatore.
Qual è lo scopo di un trasformatore di distribuzione?
Questa fase esegue l'ultima fase di riduzione della tensione prima che l'elettricità raggiunga l'utente finale, poiché riduce la tensione media dal distributore a una tensione di utilizzo come 480/277 V, 208/120 V o 400/230 V. Poiché si collega direttamente ai carichi qui, è progettato per essere efficiente in qualsiasi punto della curva di carico che varia da pochi percento a piena capacità ogni giorno.
Qual è la differenza tra un trasformatore e un alimentatore?
Un trasformatore altera la tensione della corrente alternata (AC) basandosi solo sull'induzione elettromagnetica; non fa nient'altro poiché i trasformatori non forniscono un'uscita regolata o elettricità rettificata, che porta solo a una tensione AC alterata. Un alimentatore impiega un trasformatore o una fase di commutazione insieme a componenti responsabili dei processi di rettificazione, filtraggio e regolazione; pertanto, è in grado di generare elettricità della qualità richiesta per garantire che l'elettronica possa ricevere un segnale di ingresso costante.
Quali sono i diversi tipi di trasformatori di distribuzione?
Le unità aeree sono progettate per essere montate su pali, i tipi montati su basamento per essere utilizzati nelle distribuzioni sotterranee, i tipi a vault o sommersi possono essere impiegati per tali scopi, e i tipi a secco possono essere utilizzati al chiuso. Un altro aspetto è che tutte queste categorie hanno tipi monofase e trifase. Il tipo di montaggio preferito è spesso deciso dalla località, dalle specifiche e dai requisiti per l'unità, così come dalle pratiche dell'utility locale.
Un trasformatore di distribuzione può essere utilizzato come trasformatore di potenza?
Non in modo sicuro mentre si torna indietro. Un'unità di distribuzione non è costruita per le tensioni, le correnti di cortocircuito e l'applicazione di carico continuo delle installazioni di trasmissione. Un errore di progettazione porterà a un'emergenza quando viene utilizzata qui poiché le impedenze e le impostazioni di protezione degli altri elementi non saranno valide.
Un trasformatore di potenza ha sempre un OLTC?
In generale, tuttavia non sempre. Il cambio di tap sotto carico è prevalente poiché i trasformatori di potenza regolano frequentemente lo stato di tensione dell'intera rete. Alcuni unità di interconnessione e di sollevamento del generatore utilizzano cambiatori di tap fuori circuito o rapporti fissi combinati con ulteriore regolazione, rendendo le specifiche OEM l'unica fonte di riferimento certa.
Riferimenti
- IEEE — C57.12.00 Requisiti generali per trasformatori di distribuzione, potenza e regolazione immersi in liquido
- IEEE — C57.12.20 Trasformatori di distribuzione di tipo aereo
- IEEE — C57.12.34 Trasformatori di distribuzione di tipo compartimentato montati su basamento
- IEEE — IEEE 141 Pratica raccomandata per la distribuzione di energia elettrica per impianti industriali
- IEC — IEC 60076 Power Transformers series
- US Department of Energy — Distribution transformer energy conservation standards
- UL Solutions — Transformer listing and certification reference
Conclusione
The simplified interpretation indicates that a:Transmission transformer connects systems at transmission voltages and is tailored for continuous use at full capacity;Distribution transformer completes the final reduction of voltage before distribution and is designed for varied usage;While size provides a decent guide at a level of 500kVA, it is actually voltage category and duty cycles that prove to be the best references in practice.
In most cases, however, the real work of users takes place on the distribution side where the issues behind matching the transformer to load profile, cooling and mounting set-up as well as checking losses against the set efficiency requirements is performed. If you deal with a project of 1,000-2,500 kVA that oversteps the line between the two categories, make sure you get the specification written according to a function rather than type, and demand a routine testing certificate prior to releasing the equipment from the factory.