Quegli ingegneri che hanno partecipato a gare per trasformatori possono testimoniare come ci si sente a confrontare due offerte riguardo all'aspetto, mentre sono assolutamente diverse per quanto riguarda la qualità: grado dell'acciaio del nucleo, design dell'avvolgimento, serraggio e isolamento. La connessione delta-stella del trasformatore è solo una parte del lavoro svolto. Ciò che è altrettanto importante è il modo in cui è costruito. Il presente documento spiega tutte le caratteristiche costruttive dei trasformatori delta-stella, come disposizione del nucleo e degli avvolgimenti, disposizione dei manicotti, cambiatori di presa, sistema di raffreddamento e design del serbatoio, consentendo così di avere una visione dell'offerta presentata.
Una risposta a questa domanda è la seguente. Il trasformatore delta-stella è composto da tre bobine HV collegate in delta e tre bobine LV collegate in stella disposte concentricamente attorno a un nucleo laminato in acciaio al silicio orientato al grano. Il trasformatore include anche un punto neutro LV, tre manicotti HV, quattro terminali LV, un cambiavalute off-circuito/on-load e il sistema di raffreddamento (il tipo a olio utilizza ONAN/ONAF e il tipo secco utilizza AN/AF). Le migliori caratteristiche della costruzione includono il serraggio stretto delle giunzioni del nucleo smussato, il rinforzo degli avvolgimenti dimensionato assialmente e radialmente per le forze di cortocircuito, isolamento classificato per BIL (tensione d'impulso da fulmine) della classe di tensione richiesta e il processo di essiccazione sottovuoto.
Panoramica della costruzione
Un trasformatore delta-stella è composto da due parti, la parte attiva e la parte di involucro. La parte attiva è costituita dall'assemblaggio nucleo-avvolgimento che è composto da un nucleo di trasformatore a tre rami (può essere richiesto un trasformatore a cinque rami per applicazioni di potenza maggiori), così come i tre avvolgimenti HV collegati in delta e i tre avvolgimenti LV collegati in stella insieme al cambiavalute e all'isolamento dei conduttori. L'involucro è costituito da un serbatoio (nel caso di un trasformatore immerso in olio) con radiatori di raffreddamento o alette, manicotti, sistema di conservazione dell'olio e dispositivi di protezione, oppure da un involucro ventilato con terminali (nel caso di trasformatori solidi). Nei trasformatori immersi in olio, la parte attiva è essiccata sottovuoto e impregnato di olio minerale che svolge la funzione di isolamento e raffreddamento. Nei trasformatori di tipo secco, gli avvolgimenti sono versati sottovuoto in resina epossidica eliminando così completamente l'uso del sistema a olio. Le connessioni delta e stella sono realizzate nel trasformatore e esternamente solo tre manicotti HV e tre terminali LV con un neutro o quattro terminali LV sono visibili sul lato LV.
| Componente | Costruzione tipica | Funzione |
|---|---|---|
| Nucleo | Laminazioni GOES, giunzioni smussate, sezione trasversale scalonata | Percorso di flusso a bassa perdita |
| Avvolgimento LV (stella) | Rame, avvolgimento elicoidale o a strati, posizione interna | Trasporta corrente LV, fornisce neutro |
| Avvolgimento HV (delta) | Rame, avvolgimento a strati o a disco, posizione esterna | Trasporta tensione di linea, forma anello delta |
| Barriere di isolamento | Carta di cellulosa / epossidica, dimensionata per BIL | Resistenza dielettrica |
| Commutatore di derivazione | Off-circuito ±2×2.5%, o OLTC | Regolazione del rapporto di tensione |
| Serbatoio / involucro | Acciaio saldato, sigillato o conservatore (olio); involucro ventilato (secco) | Protezione, raffreddamento, contenimento dell'olio |
Il nucleo: grado dell'acciaio, giunzioni e serraggio
Il fattore più grande quando si tratta di perdita di potenza e produzione di rumore è la qualità del nucleo. I nuclei moderni sono realizzati in acciaio al silicio orientato a grano (GOES) realizzati in gradi come 27ZH95 o 23ZH85 o anche in metallo amorfo per una migliore efficienza. Il grado indica il tipo di acciaio utilizzato e indica quanto è spesso l'acciaio e l'efficienza di perdita poiché un numero più basso significa meno perdita in un chilogrammo. Le lamiere hanno un taglio smussato lungo i bordi, riducendo così il grado di perdita e la corrente prodotta dagli angoli. Le lamiere devono anche essere assemblate in modo da somigliare a una forma circolare per minimizzare l'area occupata durante l'avvolgimento. L'ultima fase consiste nel garantire che il nucleo sia fissato nel modo corretto. Il nucleo può essere troppo allentato e creare vibrazioni, o troppo stretto e quindi danneggiare l'isolamento.
Avvolgimenti: disposizione Delta e Wye
Gli avvolgimenti sono disposti in schemi concentrici su ciascuno dei lati: gli avvolgimenti LV si trovano più vicini al nucleo, mentre gli avvolgimenti HV sono posizionati all'esterno con barriere di isolamento nella direzione assiale e radiale a seconda della classe di tensione. L'avvolgimento LV, che comprende il neutro e la connessione wye, è solitamente in forma elicoidale o a strati realizzato in rame (o alluminio nei modelli a basso costo), mentre l'avvolgimento HV si trova in forme a strati o a disco realizzate in rame. La connessione delta è realizzata per collegare insieme gli avvolgimenti HV. Il loop è il percorso della corrente per il terzo armonico e la corrente di sequenza zero. La connessione wye collega le tre estremità dell'avvolgimento LV con un punto neutro comune collegato al terminale neutro. Il materiale utilizzato nell'avvolgimento è importante poiché il rame ha una resistenza inferiore e una migliore resistenza ai cortocircuiti rispetto all'alluminio della stessa sezione trasversale, anche se costa da 10% a 20% in più sulla parte attiva.
Sistema di isolamento e BIL
L'isolamento consente all'apparecchiatura di sopportare picchi di commutazione, tensione di frequenza di rete e impulsi di fulmine. Le unità a isolamento in olio utilizzano carta di cellulosa avvolta attorno ai loro conduttori come barriere; sono immerse in olio minerale. Al contrario, le unità di tipo secco impiegano materiali isolanti realizzati in vetro impregnato di epossidico o mica. Il parametro principale dell'isolamento è chiamato BIL (livello di isolamento di base) che rappresenta la massima tensione impulsiva richiesta affinché una macchina funzioni correttamente. Il BIL dipende dalle classi di tensione: il BIL per le unità classificate per un funzionamento a 12 kV è pari a 95 kV, il sistema classificato per 24 kV necessita di un BIL non inferiore a 125-170 kV, mentre il BIL richiesto per i sistemi classificati per 36 kV può variare tra 170 kV e 250 kV. Le distanze tra gli avvolgimenti LV e HV, le distanze di creep per i manicotti e l'isolamento ai bordi delle bobine soddisfano i requisiti BIL. Tuttavia, gli apparecchi costruiti utilizzando un'adeguata distanza di isolamento potrebbero superare il test di routine, anche se potrebbero fallire il test impulsivo, quindi i test dielettrici descritti nella IEC 60076-3 includono test impulsivi per tutte le unità che possono resistere al livello di isolamento designato.
| Tensione di sistema HV | Requisito tipico di BIL | Test tipico di frequenza di rete |
|---|---|---|
| Classe 12 kV | 95 kV | 28 kV |
| Classe 17,5 kV | 125 kV | 38 kV |
| Classe 24 kV | 125–170 kV | 50 kV |
| Classe 36 kV | 170–250 kV | 70 kV |
| Classe 52 kV | 250–325 kV | 95 kV |
Serbatoio, Manicotti e Terminali
Il serbatoio immerso in olio è un contenitore metallico, che è dotato di un elemento di conservazione saldato e di un indicatore di livello del liquido o di uno sigillato ermeticamente con un cuscino di gas. Il serbatoio ha manicotti ad alta tensione, manicotti a bassa tensione, il cambiavalute, l'indicatore di temperatura dell'olio, la valvola di sfogo della pressione, così come valvole di drenaggio e campionamento. Pareti corrugate a forma di dardo, radiatori di raffreddamento aggiuntivi e piastre di alettatura vengono utilizzati per raffreddare l'olio. Una corretta costruzione del serbatoio richiede la saldatura di giunti critici in tutta la loro lunghezza. Dovrebbe essere sabbiato e verniciato con un buon rivestimento protettivo. Infine, il serbatoio deve essere testato riguardo alla pressione interna per confermare la sua tenuta.
Cambiavalute: Off-Circuit e On-Load
Il cambiavalute cambia il rapporto di avvolgimento per gestire le variazioni di tensione nella rete. La maggior parte dei trasformatori delta-wye per distribuzione è dotata di un cambiavalute off-circuit con +/–2 x 2.5% punti, che può essere azionato solo quando il trasformatore è spento. Questo dispositivo è semplicemente un meccanismo semplice e affidabile con marcature chiare delle varie posizioni. Trasformatori più grandi o quelli che operano in reti instabili, sono dotati di un cambiavalute on-load (OLTC), che cambia il punto sotto carico lavorando tramite una camera ad arco in olio (nel caso di unità riempite d'olio). Questo meccanismo è molto più complesso e di solito aumenta il prezzo di 10-25% e richiede una certa manutenzione. Nei sistemi delta-wye, i punti sono generalmente collegati con l'avvolgimento delta HV, che ha una corrente minore e un dovere di commutazione più benigno.
Progettazione del sistema di raffreddamento
La quantità di corrente che un dispositivo è in grado di trasportare senza superare i limiti di temperatura consentiti dipende dal raffreddamento. I dispositivi raffreddati ad olio utilizzano il metodo ONAN, in cui l'olio di raffreddamento circola per convezione naturale attraverso ringhiere o alette. Sopra un determinato livello di carico, viene utilizzato il raffreddamento forzato (chiamato ONAF). Questo metodo consente 20-33 %. L'aumento di temperatura di questo tipo di attrezzature è progettato per essere intorno a 60-65 K con la temperatura dell'ambiente di lavoro che è di 40°C. Per i dispositivi di tipo secco, il raffreddamento viene effettuato tramite metodi di aria naturale (AN) e aria forzata (AF) dove viene mantenuta una certa classe di temperatura fornendo raffreddamento.
| Classe di raffreddamento | Descrizione | Effetto di capacità | Uso tipico |
|---|---|---|---|
| ONAN | Immerso in olio, convezione naturale | Valutazione della targhetta | Distribuzione standard |
| ONAF | Ventilatori ad aria forzata immersi in olio | +20–33% | Alto fattore di carico, siti caldi |
| OFAF | Olio e aria forzati | +40–60% | Maggiore potenza nominale |
| AN | Tipo secco, aria naturale | Valutazione della targhetta | Installazioni interne |
| AF | Tipo secco, aria forzata | +20–30% | Carico di picco interno |
Come la costruzione influisce sulle prestazioni e sull'affidabilità
| Caratteristica costruttiva | Effetto sulle prestazioni |
|---|---|
| Nucleo GOES di alta qualità, giunti smussati | Minore perdita a vuoto e corrente di magnetizzazione |
| Avvolgimenti in rame, dimensionamento corretto del conduttore | Minore perdita di carico, migliore resistenza ai cortocircuiti |
| Rigidità radiale e assiale serrata | Resiste alle forze di cortocircuito senza movimento degli avvolgimenti |
| Spazi di isolamento e asciugatura adeguati | Supera i test di impulso, nessun guasto da scarica parziale in servizio |
| Asciugatura sottovuoto e impregnazione con olio | Rimuove l'umidità, estende la vita dell'isolamento |
| Protezione dalla corrosione sul serbatoio | Lunga vita di servizio in atmosfere costiere e industriali |
L'impostazione dell'arrangiamento è confermata nel corso dei test: il rapporto, il gruppo vettoriale e lo spostamento di fase dimostrano la correttezza dell'arrangiamento di connessione delta-stella. Tuttavia, l'efficienza nel lungo periodo è il risultato di un design solido dell'arrangiamento: un'operazione di cortocircuito provoca un impatto di cortocircuito, che è centinaia di volte più forte del peso degli avvolgimenti, e solo la corretta rigidità consente di continuare a utilizzare il trasformatore dopo un guasto.
Come valutare la qualità della costruzione quando si acquista
- Richiesta sul tipo di materiale del nucleo e le misurazioni garantite della perdita a vuoto basate sul rapporto di prova per convalidare con i prezzi di gara.
- Esaminare il tipo di materiale conduttore. Che si utilizzi rame o alluminio, ha un impatto sulle perdite, sulle valutazioni di cortocircuito e sui costi operativi; quindi, è necessario conoscere la sezione trasversale del conduttore e la densità di corrente.
- Verificare che il design di resistenza al cortocircuito sia conforme alla IEC 60076-5, con calcoli o risultati di test per le situazioni di guasto dichiarate.
- Esaminare il livello di isolamento. Confermare che il BIL corrisponda alla tua classe di tensione e che i test di impulso siano incorporati nei test di design.
- Controllare i disegni per le configurazioni degli avvolgimenti, il rinforzo, la struttura del serbatoio e la disposizione delle boccole nel layout dell'attrezzatura prima della produzione.
- Assicurati di aver visto i test. Per progetti di alta importanza, richiedere test di routine osservati o ispezione di terze parti - prontezza dell'appaltatore che invia un segnale di qualità.
Marchi principali e fasce di prezzo
| Marca | Paese | Resistenza costruttiva | Fascia di prezzo indicativa (US$) |
|---|---|---|---|
| ABB | Svizzera/Svezia | Design maturo, ampia portata di test | $4.000–$60.000 |
| Siemens | Germania | Costruzione conforme alla IEC | $3.500–$55.000 |
| Schneider Electric | Francia | Competenza in resina colata di tipo secco | $3.000–$45.000 |
| Hitachi Energy | Svizzera | Parti attive di grado utility | $4.500–$70.000 |
| Eaton | USA | Costruzioni di distribuzione nordamericana | $2.500–$42.000 |
| Jiangsu Subian Energia Elettrica | Cina | Costruzione trasparente, costruzioni personalizzate | $3.000–$45.000 |
I prezzi sono indicativi delle valutazioni di distribuzione e dipendono dal grado del nucleo, dal conduttore, dal BIL e dagli accessori. ABB, Siemens, Schneider Electric, Hitachi Energy ed Eaton stabiliscono il riferimento per la costruzione e hanno disegni e procedure di test equi. Jiangsu Subian Electric Power Co., Ltd si rivolge agli acquirenti che richiedono lo stesso metodo di costruzione a un prezzo inferiore — trasformatori delta-wye prodotti secondo le specifiche IEC 60076 utilizzando nuclei a grano orientato di alta qualità, avvolgimenti in rame, giunti smussati e sottoposti a test completi in fabbrica che coprono test di routine come rapporto, gruppo vettoriale, impedenza, perdite, prestazioni dielettriche e in grado di organizzare test o ispezioni assistite da una terza parte. Subian fornisce disegni e documenti di test inestimabili che offrono un'analisi dettagliata della qualità costruttiva, che è ciò di cui il cliente ha bisogno per confrontare un produttore cinese con uno europeo. Vedi la capacità di produzione su sito web di Subian Electric.
Domande frequenti
Perché si utilizza l'acciaio al silicio a grano orientato nei nuclei dei trasformatori?
La lavorazione dell'acciaio a grano orientato consente di avere proprietà magnetiche di prima classe in una direzione — la direzione di laminazione. Quando si progettano trasformatori, gli ingegneri orientano le laminazioni in modo tale da rendere il flusso del campo magnetico perpendicolare a quella direzione, il che porta a una significativa riduzione della corrente di magnetizzazione e delle perdite a vuoto rispetto all'uso di acciaio non orientato. Giunti smussati correttamente implementati, così come un serraggio stretto, aiutano nell'efficienza e riducono il rumore.
Come appare fisicamente una costruzione Dyn11?
I tre avvolgimenti ad alta tensione sono disposti in una formazione delta chiusa all'interno del serbatoio, mentre i tre avvolgimenti a bassa tensione condividono una connessione neutra, che viene portata all'esterno per dare origine a un quarto terminale. Una volta che l'avvolgimento è visto esternamente, si nota che sono visibili tre manicotti HV e quattro terminali LV (tre linee e neutro). L'ordine di avvolgimento su ciascuna persona è LV-interno e HV-esterno, dove il cambiavalute si trova sul lato HV.
I trasformatori delta-wye sono immersi in olio o di tipo secco?
Entrambi. Le sottostazioni di distribuzione all'aperto utilizzano sistemi immersi in olio a causa della loro robustezza ed efficienza, mentre quelle interne, sotterranee e sensibili al fuoco preferiscono sistemi di resina colata di tipo secco. La connessione elettrica delta-wye rimane la stessa in entrambi i casi, eccetto per i sistemi di isolamento e raffreddamento.
Qual è la differenza tra avvolgimenti in rame e alluminio nella costruzione?
Il rame ha una resistività inferiore e una maggiore resistenza meccanica rispetto all'alluminio, quindi l'unità avvolta in rame ha perdite inferiori e una capacità di cortocircuito ottimale alla stessa valutazione di capacità. La parte attiva di tale macchina costa circa 10%–20% in più. L'alluminio è utilizzato principalmente per motivi di budget nelle macchine di distribuzione, che sono solitamente scrutinizzate in termini di costo iniziale.
Può Subian fornire disegni di costruzione prima dell'ordine?
Sì. Jiangsu Subian Electric Power offre disegni di disposizione degli elementi, schemi di collegamento e informazioni pertinenti sui componenti chiave come parte della sua proposta tecnica, mentre i disegni di fabbricazione finali possono anche essere ispezionati prima della produzione. In caso di progetti importanti, l'azienda può organizzare revisioni di design pre-produzione e test congiunti.
Riferimenti
- IEC 60076-1 — Trasformatori di potenza: Generale — lo standard normativo per la valutazione, le perdite e i requisiti di costruzione.
- IEC 60076-3 — Livelli di Isolamento e Test Dielettrici — definisce i requisiti BIL e di test dielettrici per classe di tensione.
- IEC 60076-5 — Capacità di Resistere a Cortocircuiti — lo standard per la verifica della resistenza al cortocircuito della costruzione degli avvolgimenti.
- NEMA TP-1 — Efficienza Energetica per Trasformatori di Distribuzione — benchmark di efficienza legato alla qualità della costruzione del nucleo.
- Hitachi Energy — Prodotti per trasformatori — documentazione di riferimento sulla costruzione e i test di un produttore leader.
- UL 1561 — Standard di Sicurezza per Trasformatori di Tipo Secco — standard di sicurezza rilevante per la costruzione in resina colata.
Conclusione
Secondo le caratteristiche di design dei trasformatori delta-stella, non è principalmente la targa che rivela caratteristiche come efficienza, rumore, tolleranza ai guasti e durata del trasformatore, ma le caratteristiche costruttive di tale trasformatore, che includono il grado dell'acciaio del nucleo, giunti smussati, conduttore e disposizione degli avvolgimenti, distanze di isolamento, rinforzi, serbatoio, cambiavalute e raffreddamento. Quando si legge un'offerta tenendo conto di questi parametri e si entra nel processo di gara, le offerte diventano comparabili, non in termini di prezzo, ma rispetto al merito. È necessario seguire il principio di richiedere prove di test IEC 60076 e, se necessario, un test assistito. I trasformatori delta-stella di Jiangsu Subian Electric Power sono costruiti con materiali trasparenti e soddisfano tutti gli standard. Rivedere i disegni di costruzione e i dati di test con il team attraverso il sito ufficiale prima di impegnarsi nel proprio prossimo progetto.