Durante l'esecuzione di un'operazione mineraria in Australia Occidentale, l'ingegnere elettrico ha avuto un problema nel fornire all'impianto di frantumazione remoto un'alimentazione elettrica appropriata. L'attrezzatura in loco necessitava di alimentazione trifase a 415 V per alimentare i motori del frantoio, alimentazione monofase a 240 V per l'illuminazione e i servizi, oltre a un punto neutro sufficientemente affidabile per il sistema di protezione da guasti a terra. In totale, tre trasformatori – riduttore, ausiliario e di messa a terra – avrebbero rappresentato la soluzione in termini di prestazioni elettriche, ma l'area remota di operazione, le limitazioni di spazio su un skid, così come l'alto costo di trasporto e installazione di trasformatori separati non hanno permesso di utilizzare la soluzione a tre trasformatori. La soluzione stabilita è stata l'uso di un trasformatore di design combinato che ha permesso di integrare le funzioni di trasformazione della tensione e alimentazione ausiliaria. I trasformatori di design combinato sono arrivati in loco come una singola spedizione, hanno richiesto un giorno per l'installazione e hanno funzionato senza problemi per sei anni. La questione di come scegliere il trasformatore combinato del tipo richiesto rappresenta la ricerca di un trasformatore multifunzionale capace di svolgere le funzioni che altrimenti dovrebbero essere soddisfatte separatamente piuttosto che essere in grado di comprendere i tipi di trasformatori combinati disponibili sul mercato e le loro applicazioni, che devono essere prese in considerazione durante la scelta.
Un trasformatore combinato è un trasformatore che svolge due o più funzioni elettriche simultaneamente che altrimenti richiederebbero due trasformatori. I tipi di trasformatori combinati più comunemente utilizzati includono il trasformatore di messa a terra wye-delta, il trasformatore a doppio avvolgimento, il trasformatore a tre avvolgimenti, il trasformatore montato su basamento. .
Il vantaggio dell'uso di trasformatori combinati è nella riduzione dell'ingombro dell'attrezzatura, che porta a una semplificazione dell'installazione e a un numero ridotto di interconnessioni e costi inferiori rispetto al numero di trasformatori. Lo svantaggio del trasformatore combinato è nel fatto che se un trasformatore fallisce, tutte le sue funzioni saranno fuori servizio e che sarà più complicato apportare modifiche ed estensioni nel trasformatore combinato rispetto alle unità separate. La chiave per una specifica di successo è che tutte le funzioni del trasformatore devono essere specificate con precisione e deve essere scelta una certa configurazione che corrisponda ai requisiti, insieme a prove di tipo effettuate da un produttore.
Cos'è un Trasformatore Combinato — e Perché Viene Specificato
Un trasformatore combinato è un trasformatore che combina due o più funzioni elettriche in un'unica unità: riproduzione della tensione, messa a terra, alimentazione ausiliaria, protezione dei circuiti e misurazione. Non è trattato come una categoria di prodotto con un insieme standard di specifiche. È un approccio al design che evita l'installazione di tre trasformatori, ognuno dei quali ha il proprio equipaggiamento, nucleo, innesto, protezione e cablaggio. Invece, gli ingegneri possono avere un trasformatore con tutte le funzioni non di trasformazione della tensione ben adattate. La configurazione più semplice e popolare dei trasformatori combinati utilizzati nell'industria in applicazioni di utilità è un trasformatore di messa a terra wye-delta con un circuito secondario aggiuntivo. L'avvolgimento primario collegato a wye di questo trasformatore ha un punto neutro per la messa a terra del circuito a seconda del tipo di messa a terra. Gli avvolgimenti secondari collegati a delta garantiscono che l'alimentazione ausiliaria trifase venga fornita ai carichi di servizio della stazione, ad esempio per scopi di illuminazione, e altri mezzi per garantire il controllo del funzionamento della rete elettrica. Il trasformatore combinato funziona ora come un trasformatore di messa a terra e un trasformatore di alimentazione ausiliaria, eliminando la necessità di utilizzare due trasformatori aggiuntivi. Per gli ingegneri, l'uso di questi tipi ha il vantaggio di garantire una riduzione dell'area delle sottostazioni o degli impianti di pompaggio o compressione o delle unità remote. Tutto ciò si combina per ridurre l'uso delle fondazioni e dei condotti necessari, oltre a minimizzare il numero di dispositivi di sicurezza e semplificare lo schema di protezione senza i maggiori aumenti nei costi totali dell'attrezzatura fino a 20%–30% rispetto all'opzione di acquistare due trasformatori separatamente.
Altre configurazioni di trasformatori combinati utilizzate oltre al trasformatore a doppio avvolgimento con un OLTC integrato che può essere utilizzato se la tensione primaria cambia, essendo una buona soluzione per lunghe linee di alimentazione, quindi regolando automaticamente la tensione; il trasformatore a tre avvolgimenti, oltre ad avere un avvolgimento primario e due secondari a diversi livelli di tensione, fornisce alimentazione a due set indipendenti di carichi attraverso il trasformatore senza influenzarsi a vicenda; il trasformatore montato su basamento con apparecchiature di manovra e misurazione integrate è utilizzato per costruire le stazioni di distribuzione sotterranee standard nelle aree residenziali. Per una panoramica dell'intera gamma di tipi e configurazioni di trasformatori disponibili per queste e altre applicazioni, vedere il catalogo prodotti a Subian Elettrico, che include trasformatori combinati, trasformatori di messa a terra, trasformatori di distribuzione e trasformatori di potenza speciali.
Come specificare la tensione, il kVA e i requisiti di messa a terra per un trasformatore combinato
Specificare un trasformatore combinato correttamente richiede all'acquirente di definire ogni funzione elettrica che il trasformatore deve svolgere e di fornire al produttore i valori specifici — le tensioni, le valutazioni kVA, l'impedenza, il metodo di messa a terra, l'aumento di temperatura e lo standard applicabile — per ciascuna funzione. I parametri chiave che devono essere inclusi nella specifica sono riassunti nella tabella sottostante per la configurazione di trasformatore combinato più comune: il trasformatore di messa a terra wye-delta con un secondario di potenza ausiliaria.
| Parametro | Cosa Definisce | Come Specificarlo |
|---|---|---|
| Tensione del sistema primario | La tensione linea-a-linea del sistema a cui l'avvolgimento primario del trasformatore sarà collegato. Questo determina la classe di tensione del trasformatore, la sua valutazione BIL e il livello di isolamento degli avvolgimenti primari e delle boccole. | Indica la tensione nominale del sistema e la tensione massima del sistema. Per un sistema a 4.160 volt, specificare “4.160 V nominale, 4.800 V massima.” La BIL dovrebbe essere specificata in base all'ambiente di fulmini e sovratensioni di commutazione previsto per il sistema — tipicamente 60 kV BIL per un sistema a 4.160 volt, 95 kV BIL per un sistema a 13.800 volt. |
| kVA di messa a terra e corrente neutra | La capacità termica dell'avvolgimento di messa a terra (wye). Questo non è lo stesso del kVA di potenza ausiliaria. La valutazione kVA di messa a terra determina quanto corrente di guasto a terra il trasformatore può sopportare e per quanto tempo. | Specificare la corrente neutra continua (la corrente che il neutro può trasportare continuamente in condizioni normali e sbilanciate — tipicamente un valore ridotto, 5–10% della corrente di carico totale del sistema) e la corrente neutra a breve termine (la corrente che il neutro può trasportare per la durata di un guasto a terra — tipicamente 10 secondi, 30 secondi o 1 minuto). Ad esempio: “Corrente neutra continua: 10 A. Corrente neutra a breve termine: 200 A per 10 secondi.” |
| kVA di potenza ausiliaria e tensione | La potenza che l'avvolgimento secondario delta fornirà ai carichi del servizio stazione. Questo è un output standard trifase, tre fili. | Indica la valutazione kVA e la tensione secondaria. Ad esempio: “Potenza ausiliaria: 150 kVA, 480 V, trifase, tre fili.” La valutazione kVA dovrebbe essere determinata da un calcolo del carico per i carichi del servizio stazione, con un margine per la crescita futura. |
| Impedenza | L'impedenza del trasformatore determina la caduta di tensione sotto carico e l'entità della corrente di guasto a terra. Un'impedenza più bassa risulta in una corrente di guasto a terra più alta e una migliore regolazione della tensione, ma un dovere di corrente di guasto più elevato sull'attrezzatura a valle. | Specificare l'impedenza come percentuale sulla base kVA di messa a terra. Per un sistema a messa a terra resistiva, l'impedenza è tipicamente 4–6%. L'impedenza dovrebbe essere coordinata con il resistore di messa a terra e lo schema di relè di protezione. Consultare un ingegnere elettrico se il sistema include più fonti o trasformatori in parallelo. |
| Metodo di messa a terra | Come il punto neutro dell'avvolgimento a stella sarà collegato a terra. Il metodo di messa a terra determina l'entità della corrente di guasto a terra e il tipo di relè di protezione che sarà utilizzato. | Indicare il metodo di messa a terra e il valore del resistore o reattore di messa a terra. Ad esempio: “Messa a terra a resistenza, resistore di messa a terra da 20 ohm, limitando la corrente di guasto a terra a 200 A a 4.160 V.” Il resistore di messa a terra è un dispositivo separato, ma il trasformatore combinato deve essere progettato per funzionare con esso. |
| Norma applicabile | La norma a cui il trasformatore deve essere progettato e testato. Questo determina le procedure di test, i criteri di accettazione e la documentazione che il produttore deve fornire. | Specificare IEEE C57.12.01 per trasformatori di tipo secco, IEEE C57.12.00 per trasformatori riempiti d'olio, o IEC 60076 per applicazioni internazionali. Se il trasformatore sarà installato in un paese specifico, specificare la norma nazionale che si applica — ad esempio, CSA C9 in Canada, AS 60076 in Australia. |
La Regola 80% e Altre Considerazioni sul Carico per un Trasformatore Combinato
La regola 80% per i trasformatori stabilisce che i trasformatori non devono essere operati continuamente sopra l'80% della loro valutazione KVA, e questo si applica ai trasformatori combinati così come ai trasformatori normali, ma deve essere applicato separatamente per ciascuna funzione individuale del trasformatore. L'avvolgimento di messa a terra deve essere progettato per la corrente di guasto a terra continua e a breve termine che porterà in caso di guasto, e la regola 80% non si applica all'avvolgimento di messa a terra nello stesso modo in cui si applica ai carichi continui, perché questo avvolgimento opera solo in condizioni anomale, e la capacità a breve termine è più importante della valutazione continua. L'avvolgimento ausiliario deve essere valutato a 125% del carico che sta servendo, e la regola 80% significa che il trasformatore deve essere operato non oltre l'80% della sua valutazione KVA ausiliaria. Pertanto, un trasformatore che lavora con un avvolgimento ausiliario da 150 KVA per carichi da 120 KVA è accettabile, ma se viene utilizzato con un avvolgimento ausiliario da 150 KVA per un carico da 150 KVA, sarà sottodimensionato — si surriscalderà, l'isolamento invecchierà più rapidamente e la vita operativa diminuirà. La norma IEEE C57.96 fornisce informazioni sul carico dei trasformatori e la sua relazione con la vita dell'isolamento e la temperatura sia per i trasformatori a olio che per quelli a secco, e un acquirente che segue questi requisiti nella fase di progettazione otterrà un trasformatore progettato per il carico effettivo.
Efficienza, Perdite e il Costo Totale di Proprietà
A trasformatore combinato ha sia perdite a vuoto (le perdite nel nucleo, che sono presenti ogni volta che il trasformatore è energizzato) sia perdite di carico (le perdite nel avvolgimento, che variano con il quadrato della corrente). Le perdite di carico dell'avvolgimento di potenza ausiliaria sono il componente di perdita dominante quando i carichi di servizio della stazione sono in funzione, e le perdite dell'avvolgimento di messa a terra sono trascurabili durante il normale funzionamento perché l'avvolgimento di messa a terra trasporta solo la piccola corrente neutra sbilanciata. L'acquirente che sta confrontando le offerte per un trasformatore combinato dovrebbe valutare le perdite utilizzando una formula di capitalizzazione delle perdite che converte le perdite energetiche annuali in un costo di capitale attualizzato, e dovrebbe confrontare il costo totale valutato — prezzo di acquisto più il valore capitalizzato delle perdite — piuttosto che il solo prezzo di acquisto. La formula è: Costo Totale Valutato = Prezzo di Acquisto + (A × Perdita a Vuoto in Watt) + (B × Perdita di Carico in Watt), dove A e B sono i fattori di capitalizzazione delle perdite in dollari per watt. Il fattore A riflette il costo dell'energia che viene consumata continuamente, 24 ore al giorno, ed è tipicamente da $5 a $10 per watt per applicazioni industriali e di utilità. Il fattore B riflette il costo dell'energia che viene consumata sotto carico, ed è tipicamente da $1 a $3 per watt. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti pubblica i fattori standard di capitalizzazione delle perdite per diversi tipi di strutture, e l'acquirente può utilizzare questi valori, o i valori specifici dal proprio tariffario elettrico, per confrontare le offerte su base di costo totale. Un trasformatore combinato con un prezzo di acquisto più alto e perdite inferiori avrà spesso un costo totale valutato inferiore rispetto a uno con un prezzo di acquisto più basso e perdite più elevate — e la differenza può essere sostanziale nel corso di una vita utile di 25-35 anni.
Domande frequenti
Qual è la regola 80% per i trasformatori?
Secondo la regola 80%, il trasformatore non deve essere caricato continuamente oltre 80% del kVA nominale sulla targhetta; pertanto, questo fornisce margine termico per prevenire l'invecchiamento troppo rapido dell'isolamento e facilita la crescita del carico senza la necessità di installare un trasformatore più grande e offre la possibilità di gestire sovraccarichi a breve termine senza far scattare i dispositivi di protezione del trasformatore. La regola è dedotta dalla guida al caricamento IEEE C57.96 e funge da standard del settore per la dimensione dei trasformatori.
Come faccio a sapere quale trasformatore mi serve?
Per determinare il trasformatore da utilizzare, è necessario annotare tutte le esigenze che il trasformatore potrebbe dover soddisfare e derivare il totale kVA connesso alla fine. Dopo di che, scegliere il trasformatore in base alla posizione—esterno o interno—e se il tipo di trasformatore deve essere di tipo secco o riempito d'olio secondo i requisiti del codice civile. Dopo questo, la potenza del trasformatore da scegliere dovrebbe essere (quella standard) la superiore e il carico effettivo preso in considerazione per non superare la regola 80% riguardante il lavoro continuo del trasformatore. Anche la frequenza dovrebbe essere considerata.
Come scegliere il giusto trasformatore di corrente?
Scegliere il corretto trasformatore di corrente (CT) richiede di determinare la corrente primaria (il carico massimo che il CT deve misurare), la corrente secondaria (un CT ha solitamente una corrente secondaria di 5 A o 1 A per misurazione e protezione), la classe di precisione (definisce l'errore del CT alla corrente nominale e al carico), il carico (impedenza di relè, misuratori e cavi collegati al CT) e le dimensioni fisiche e il tipo di installazione del CT. Inoltre, il CT deve essere classificato per la tensione del sistema elettrico e la corrente di cortocircuito disponibile. È importante menzionare che questo è un dispositivo individuale che è diverso da un trasformatore di potenza combinato.
Come faccio a determinare quale dimensione di trasformatore mi serve?
Per calcolare quanto grande deve essere un trasformatore, è necessario determinare il kVA di tutti i carichi collegati, applicare i fattori di domanda relativi a ogni tipo di carico secondo il NEC o i codici locali, sommare tutti i carichi continui come 125% della potenza nominale e selezionare il kVA standard superiore più vicino al valore calcolato. Le informazioni necessarie per produrre correttamente questo calcolo sono un rapporto di studio del carico, una copia dell'Articolo #220 del NEC e il grafico di classificazione kVA del produttore.
Riferimenti
- IEEE C57.12.01 — Standard per i requisiti generali per trasformatori di distribuzione e potenza di tipo secco. Lo standard fondamentale IEEE per la progettazione, il collaudo e le prestazioni dei trasformatori di tipo secco, inclusi i requisiti per i trasformatori a funzione combinata.
- IEEE C57.96 — Guida per il caricamento di trasformatori di distribuzione e potenza di tipo secco. La guida IEEE che definisce la relazione tra il carico, la temperatura e la vita dell'isolamento, e la fonte della regola di caricamento 80%.
- U.S. Department of Energy — Fattori di capitalizzazione delle perdite per la valutazione dei trasformatori. L'agenzia regolatoria che pubblica i fattori di capitalizzazione delle perdite standard per valutare le offerte sui trasformatori su una base di costo totale di proprietà.
- NFPA 70 (NEC) — Articolo 220 (Calcoli del carico) e Articolo 450 (Trasformatori). The National Electrical Code requirements for load calculation and transformer installation in the United States.
In this case, the complication comes with selecting a combined transformer which requires identifying all the roles that the transformer needs to fulfil, including voltage conversion, grounding, auxiliary power supply, and voltage regulation and then determining the specifications of each role in such detail that the manufacturer will be able to achieve all of them at once. With a properly defined combined transformer you reduce the footprint, the cost of installation and the maintenance of the electrical system as opposed to a set of single-function transformers. However, if you fail the specification process, it means your grounding kVA, auxiliary voltage, and impedance are not mentioned, and the manufacturer will use its default product thus failing to meet your requirements. Subian Electric produces combined transformers for the global market. The kVA of these transformers, their voltages, grounding, and required test documentation make them an attractive offer for a professional buyer.