Una volta aperto un trasformatore di distribuzione, le uniche cose che vedrai all'interno sono metalli (acciaio, alluminio o rame), carta, olio, porcellana, ecc. Vedrai anche alcuni dispositivi che servono esclusivamente a proteggere il trasformatore da qualsiasi cosa possa andare storto. Se consideri i trasformatori che durano trenta anni e quelli che si guastano dopo quattro, va notato che gli elementi costruttivi di entrambe queste macchine non differiscono, ma ciò che cambia realmente è la qualità dei loro elementi costruttivi e la loro precisione di misurazione. La guida che stai per leggere ti dirà cosa troverai in un trasformatore e quali funzioni svolgono tutti questi elementi. Conoscerai anche i fattori di soddisfazione degli acquisti di trasformatori e come determinare se un trasformatore è stato realizzato male o è di alta qualità.
All'interno di un trasformatore, c'è un nucleo in acciaio laminato, un avvolgimento a bassa tensione e un avvolgimento ad alta tensione, oltre a un sistema di isolamento composto da carta, cartone pressato e olio (il tipo secco utilizza resina epossidica invece dell'olio). Il cambiavalute del trasformatore mostra i conduttori attraverso il serbatoio. Un radiatore è una parte del serbatoio, c'è un conservatorio con un respiratore in gel di silice, c'è un relè Buchholz, un sistema di rilascio della pressione e termometri. È il nucleo che determina le perdite a vuoto, gli avvolgimenti determinano le perdite di carico e la resistenza ai cortocircuiti; l'isolamento determina la vita utile del trasformatore e gli accessori mostrano le condizioni del produttore.
I Sei Sistemi All'interno di un Trasformatore
Utilizzare l'approccio del pensiero sistemico è utile per comprendere il resto dell'articolo perché ha un'operazione unica e un modo specifico di eseguire i test.
- Il sistema del magnete include il nucleo laminato, che svolge la funzione di trasferimento di energia e conversione della tensione.
- Il sistema elettrico è composto dagli avvolgimenti a bassa e alta tensione, dalle loro connessioni e dalle connessioni che vengono effettuate all'interno di essi.
- La funzione dielettrica è quella di prevenire il flusso di corrente elettrica e mantenere le proprietà dielettriche.
- Il sistema meccanico è composto dal meccanismo per pressare il nucleo, dal telaio degli avvolgimenti e dal serbatoio con gli avvolgimenti.
- La funzione di trasferimento del calore consiste nei dispositivi di raffreddamento, nei ventilatori, nel sistema di circolazione dell'olio e nei dispositivi di misurazione della temperatura.
- I sistemi di controllo e protezione sono composti da relè Buchholz, sensori per pressione, temperatura e analisi dei gas.
Il Nucleo: Dove Si Decide la Perdita a Vuoto
Il nucleo è composto da una serie di sottili pezzi di acciaio impilati l'uno sopra l'altro che sono quasi sempre realizzati in acciaio al silicio orientato a grano laminato a freddo, CRGO. L'orientamento del grano è importante perché il flusso magnetico si muove lungo la direzione della laminazione, che corrisponde al modo in cui il nucleo è fabbricato. Il contenuto di silicio, che è compreso tra 3 e 4%, aumenta la resistività consentendo la soppressione delle correnti parassite, e lo spessore della laminazione fa il resto del lavoro.
| Proprietà | Cosa vedrai in una specifica |
|---|---|
| Spessore della laminazione | 0,23 mm, 0,27 mm o 0,30 mm, occasionalmente 0,35 mm |
| Grado | M3 / M4 / M5 convenzionali, o gradi ad alta induzione come 23HP85 |
| Perdita del nucleo | 0,85 a 1,40 W/kg a 1,7 T, 50 Hz, a seconda del grado |
| Fattore di impilamento | 95% a 98% |
| Tipo di giunto | Giunto a gradini, angolo di 45°, con sbavatura mantenuta a 10-20 µm |
| Rivestimento superficiale | Rivestimento isolante C5 o C6 secondo IEC 60404-1 |
Due righe sono di importanza commerciale. In termini di perdite del nucleo, possiamo dire che passando da un nucleo di uso generale di circa 1,30 W/kg di peso per uno spessore di 0,30 mm a un nucleo di alta qualità di 0,85 W/kg di peso per uno spessore di 0,23 mm si traduce in una riduzione di un terzo della perdita a vuoto in un trasformatore. Un trasformatore che funziona 8.760 ore all'anno beneficia molto della differenza, anche se non può essere vista dall'esterno del serbatoio.
Un'altra riga importante è relativa al giunto. Un giunto a gradini con sbavatura minimizzata facilita la riduzione del gap che significa una corrente di eccitazione più bassa, rumore, così come perdite parassite. Le prestazioni di un nucleo realizzato con un giunto a testa e taglio ruvido, tuttavia, sembrano le stesse ma sono notevolmente peggiori.
Gli avvolgimenti: Rame, Alluminio e i Giunti Tra
I trasformatori di distribuzione sono progettati in modo tale che l'avvolgimento LV sia posizionato più vicino al nucleo e l'avvolgimento HV sia situato più lontano, il che serve a risparmiare spazio isolante tra l'avvolgimento e il nucleo e a facilitare il prelievo dell'avvolgimento. L'avvolgimento è realizzato in rame o alluminio sotto forma di filo rotondo o piatto.
La ragione dietro a questa sostituzione è piuttosto semplice anche se spesso fraintesa. La conducibilità elettrica del rame è 100% IACS, la conducibilità dell'alluminio è di circa 61%, il che significa che per realizzare un avvolgimento in alluminio con la stessa resistenza dovrebbe essere circa 1,6 volte più grande in sezione trasversale. Poiché l'alluminio è anche molto più leggero, l'avvolgimento finale è significativamente più leggero e un trasformatore completamente in alluminio pesa molto meno del suo equivalente in rame con le stesse specifiche. Questa differenza di peso è uno dei test sul campo più rapidi per gli acquirenti.
L'aspetto principale che cambia non è l'efficacia di un dispositivo correttamente costruito, che varia solo di pochi decimi di percento a carico massimo, ma i giunti. Il giunto tra l'avvolgimento in alluminio e quello in rame o tra due avvolgimenti in alluminio deve avere il proprio rivestimento di ossido rimosso e sigillato, altrimenti causerà problemi di riscaldamento. Oggi è considerata una prassi standard utilizzare la stagnatura, piastre di transizione bimetalliche, saldatura ultrasonica e, se il budget lo consente, utilizzare una classe di isolamento più alta nel design del dispositivo per garantire l'affidabilità termica del design del dispositivo.
Per le unità di distribuzione immerse nell'olio nella gamma da 11 kV a 33 kV, questa è la parte del design in cui un'offerta bassa di solito appare per prima, ed è utile leggere la descrizione fornita dal fornitore della loro gamma di trasformatori di distribuzione immersi nell'olio prima di confrontare i prezzi, perché la formulazione riguardante il materiale dell'avvolgimento e il metodo di giunzione è raramente accidentale.
Isolamento e Olio: Le Parti Che Falliscono Lentamente
Il materiale isolante di un trasformatore è la combinazione di carta kraft e pressboard trattati con olio, e l'aspettativa di vita dipende dalla temperatura e dal contenuto di umidità. Questa è praticamente l'intera storia dell'affidabilità in una riga.
La carta non fallisce bruscamente. Si depolimerizza, causando una perdita di resistenza meccanica, e il grado di polimerizzazione diminuisce da 1.000 della carta nuova a 200 o meno alla fine della vita. I prodotti dell'invecchiamento includono composti di furano, e per questo motivo l'analisi del furano viene eseguita come indicatore di fine vita, oltre all'acqua che elabora.
L'olio svolge tre compiti contemporaneamente: isolamento, trasferimento di calore dalle avvolgimenti ai radiatori e reporting delle condizioni. Il nuovo olio minerale deve avere una tensione di rottura di almeno 30 kV testata su uno spazio di 2,5 mm, e un livello di umidità di decine di parti per milione può ridurre questo valore della metà. Per questo motivo, il test dell'olio è il modo più economico di diagnosi, ed è anche per questo che il trasformatore che ha una bella vernice e olio umido può comunque guastarsi.
In caso di un'unità di tipo secco, il sistema dielettrico è diverso, e anche il modo di guasto cambia. La colata in epox di avvolgimenti viene eseguita con il limite di scarica parziale solitamente a 10 pC o meno secondo IEC 60076-11, e anche una colata con vuoti può superare il test di frequenza di potenza ma continuerà a scaricarsi durante il funzionamento fino a quando non si verifica il tracking.
Il Cambiatore di Tappo
I trasformatori di distribuzione solitamente utilizzano un cambiatore di tappo fuori circuito, che è un tipo di interruttore manuale che modifica il trattamento degli avvolgimenti ad alta tensione del trasformatore in alcuni passaggi, che sono solitamente pari a circa ±5% in passaggi di circa 2.5%. Il cambiatore di tappo è impostato nella fase di commissioning per corrispondere alla tensione efficace in termini generali in modo che sia coperto e non necessiti di manutenzione.
I trasformatori progettati per applicazioni di tipo maggiore e di trasmissione sono progettati per utilizzare il tipo di cambiatore di tappo in carico, che consente di cambiare i tappo del trasformatore con la tensione che passa attraverso il cambiatore di tappo. La differenza nel carico di manutenzione è sostanziale, ed è trattata in questa spiegazione del cambiatore di tappo in carico e cosa fa.
Una nota pratica: i reclami per “bassa tensione all'estremità del feeder” sono spesso dovuti a un cambiatore di tappo lasciato sul tappo sbagliato e questo dovrebbe essere il primo controllo da effettuare prima di incolpare l'utility.
Serbatoio, Conservatore, Dispositivo di Ventilazione e Relè Buchholz
Oltre a immagazzinare olio, il serbatoio contiene anche la parte core-and-coil del trasformatore, protegge contro guasti interni, fornisce una superficie di raffreddamento e supporta le guarnizioni e gli accessori.
L'area di raffreddamento è fornita da radiatori o lamiere ondulate con ventilatori installati per il raffreddamento forzato in un'unità più grande. Sopra il serbatoio, c'è un conservatore che è un piccolo serbatoio che contiene il volume di espansione dell'olio. Il conservatore assicura che il serbatoio principale sia pieno e che le guarnizioni e la parte superiore dell'avvolgimento siano immerse nell'olio nella gamma di temperatura da -20 °C a + 50 °C.
Il disidratatore si trova alla fine della catena. Consiste in gel di silice che assorbe l'umidità dall'aria che riempie il serbatoio quando l'olio si raffredda. Il cambiamento da blu a rosa è probabilmente l'unico segno della condizione dell'olio.
Il relè Buchholz è un elemento della tubazione tra il serbatoio e il conservatore. I relè hanno due parti: una che reagisce all'accumulo lento di gas e la seconda che reagisce all'ondata di olio verso il conservatore quando si verifica l'onda di pressione causata dal guasto. Come il disidratatore e il relè lavorano insieme è descritto in questa nota sulle funzioni principali del disidratatore e del relè gas.
Il dispositivo di rilascio della pressione è l'ultima linea. Se un arco genera gas più velocemente di quanto il Buchholz possa reagire, il PRD si solleva e sfiata, idealmente lontano da dove si trovano le persone.
Bushings e Scatole di Cavi
Il bushing funge da parte che consente alla corrente di entrare in un serbatoio a terra senza causare flashover. È un tipo speciale di isolatore; è realizzato in carta saturata d'olio in porcellana per la media tensione ed è dotato di un nucleo condensatore che equalizza il campo elettrico tra il conduttore e la flangia. È realizzato in porcellana o epoxydica sul lato a bassa tensione, mentre può essere installata anche una scatola di cavi con partizione di fase.
I bushings potrebbero effettivamente guastarsi più frequentemente di quanto si pensi, e le ragioni sono noiose, problemi come porcellana crepata, guarnizioni usurate, terminali troppo serrati e fori di ventilazione bloccati. Controlla prima il bushing durante l'ispezione del trasformatore, poiché una crepa sottile è facile da rilevare e riparare mentre il flashover non lo è.
Cosa Cambia in un Trasformatore di Tipo Secco
In caso di un trasformatore secco, non ci sarà olio, conservatore, respiratore o relè Buchholz utilizzati e l'aria così come l'isolamento solido prenderanno il posto del dielettrico. Gli avvolgimenti sono impregnati e incapsulati da colata in epoxydica, mentre il pacco CRGO funge da nucleo.
È solo una questione di compromesso. Ti liberi del carico di incendio dell'olio e della manutenzione del trasformatore a olio, motivo per cui tali unità sono installate in edifici, ospedali, tunnel e data center. Ma hanno il prezzo di essere più sensibili all'umidità e alla sporcizia perché l'aria ha una resistenza dielettrica inferiore rispetto all'olio e la superficie sporca dell'avvolgimento ha il rischio di diventare un percorso di perdita. La classe di isolamento arriva fino a F o H, mentre il sistema di raffreddamento diventa AN o AF e il test di scarica parziale è di fondamentale importanza.
Se l'applicazione è interna e il rischio di incendio domina, la specifica appare piuttosto diversa rispetto a un'unità a olio, e questa panoramica di trasformatori di distribuzione di tipo secco copre le classi e i codici di raffreddamento in modo più dettagliato.
Come Giudicare un Trasformatore da Ciò che C'è Dentro
Non puoi vedere dentro un serbatoio sigillato, e non ne hai bisogno. Sette punti di controllo coprono la maggior parte del rischio.
| Punto di Controllo | Cosa chiedere | Come appare una cattiva risposta |
|---|---|---|
| Grado del nucleo | Certificato di prova di fabbrica che nomina il grado e lo spessore | “Acciaio al silicio di alta qualità” senza grado |
| Materiale di avvolgimento | Metodo conduttore e giunto dichiarato, più massa dell'unità | Silenzio sul giunto, o massa ben al di sotto dei pari |
| Test di perdita | Perdita a vuoto e a carico misurata rispetto ai valori garantiti | Solo cifre garantite, nessuna misurazione |
| Resistenza al cortocircuito | Rapporto di prova secondo IEC 60076-5, o un calcolo di progetto | L'affermazione che il test è “non necessario” |
| Aumento di temperatura | Risultato del test di tipo secondo IEC 60076-2 | Una cifra calcolata presentata come misurata |
| Condizione dell'olio | Tensione di rottura e umidità alla spedizione | Nessun test dell'olio su un'unità a olio |
| Scarica parziale | Misurazione PD di routine, specialmente su tipo secco | “PD non è richiesto per questa classe” |
L'importanza della misurazione delle perdite è sottolineata. In conformità con IEC 60076-1, le perdite totali massime consentite ammontano a +15%, il che significa che il design che soddisfa questo requisito è più costoso rispetto a quello progettato sul livello medio delle perdite. Pertanto, è consigliabile richiedere i valori effettivi invece di garanzie e condurre il confronto tra le diverse offerte. I metodi di prova stessi sono trattati in questa guida a testare un trasformatore.
Cosa Non Puoi Vedere e Dovresti Richiedere
Tre costituenti invisibili sono un fattore decisivo per la vita del serbatoio. Sono il serraggio del nucleo, il rinforzo degli avvolgimenti e l'umidità dell'isolamento al sigillo.
La condizione del serraggio del nucleo può essere stimata dai rumori e dalle letture della corrente a vuoto. Se le lamine non sono montate saldamente, il rumore crescerà progressivamente. Il rinforzo degli avvolgimenti può essere valutato con l'aiuto di prove di cortocircuito. Questo rende il tipo di prova eseguita per i prototipi un'informazione più preziosa rispetto a una pila di certificati di qualità non correlati. L'umidità dell'isolamento può essere osservata solo dopo alcuni anni dal processo di sigillatura del serbatoio.
Dovresti richiedere fotografie del nucleo e della bobina prima del riempimento del serbatoio, i dati sulla pressione di serraggio del nucleo e le informazioni sul vuoto e sul riempimento dell'olio. L'azienda che esegue le operazioni sopra menzionate ti fornirà le informazioni richieste senza esitazione. Se l'azienda non può o non vuole fornirle, passerà a un argomento completamente diverso.
FAQ
Quali sono le parti principali all'interno di un trasformatore?
Abbiamo i seguenti componenti: nucleo, avvolgimento LV, avvolgimento HV, isolamento, come carta, pressboard e olio, o isolamento in epoxies nei tipi di trasformatori a secco, cambiavalute, bushing, serbatoio, radiatori, conservatore, respiratore, relè Buchholz, dispositivo di rilascio della pressione e termometri. Nei trasformatori più grandi, abbiamo anche CT bushing e sensori di monitoraggio.
Perché il nucleo è laminato invece di solido?
Per fermare il percorso delle correnti parassite. Un nucleo in acciaio solido permetterebbe il flusso di correnti circolanti significative attraverso il metallo, riscaldandolo e sprecando energia. Strati sottili, isolati l'uno dall'altro da uno strato di rivestimento isolante, costringono quelle correnti in piccoli anelli, riducendo così significativamente le perdite.
Come posso capire se un trasformatore è avvolto in rame o alluminio?
Indaga sulla massa dell'unità con unità comparabili di diversi produttori, controlla la targa dei dati e il rapporto di prova, e richiedi conferma scritta del materiale di avvolgimento. Un avvolgimento in alluminio richiederà una dimensione del conduttore 1,6 volte maggiore, consentendo così all'unità di raggiungere un peso inferiore. Nota che la verifica fisica può avvenire solo su un'unità rotta o smontata.
A cosa serve l'olio all'interno di un trasformatore?
Ci sono tre aspetti: isolamento, trasferimento di calore dagli avvolgimenti ai radiatori e monitoraggio delle condizioni. La tensione di rottura dell'olio e il livello di umidità sono le due principali misure che forniscono informazioni sulle condizioni delle apparecchiature immerse nell'olio.
Riferimenti
- Rex Power Magnetics — Cosa c'è dentro un trasformatore di potenza
- Daelim Transformer — Dentro il trasformatore
- Alta a Bassa Tensione — Guida ai componenti del trasformatore
- Reinhausen — Commutatori a carico e monitoraggio del trasformatore
- Nynas — Tecnologia e test dell'olio per trasformatori
Conclusione
Il trasferimento di potenza avviene attraverso l'acciaio, il conduttore, la carta, l'olio e pochi dispositivi protettivi che fanno parte del trasformatore. Ci sono pochi tipi di componenti che sono comuni nei trasformatori. La differenza è data dal tipo di acciaio utilizzato, dalle misurazioni accurate delle perdite, dalla qualità delle giunzioni e dal fatto che l'unità fosse asciutta quando sigillata. Invia informazioni riguardo alla richiesta, al processo e alle perdite e ti invieremo tutte le specifiche dei trasformatori, inclusi il grado di rivestimento e le specifiche degli avvolgimenti, non solo il prezzo.