Во время проведения горных работ в Западной Австралии у электрического инженера возникла проблема обеспечения удаленного дробильного завода соответствующим электроснабжением. Оборудование на месте нуждалось в трехфазном питании 415 В для питания двигателей дробилки, однофазном питании 240 В для освещения и удобств, а также в надежной нейтральной точке для системы защиты от замыкания на землю. В общей сложности три трансформатора – понижающий, вспомогательный и заземляющий – представляли бы решение с точки зрения электрической производительности, но удаленная зона эксплуатации, ограниченное пространство на скиде, а также высокие транспортные и установочные расходы на отдельные трансформаторы не позволили использовать решение с тремя трансформаторами. Установленным решением стал трансформатор комбинированного дизайна, который позволил интегрировать функции преобразования напряжения и вспомогательного электроснабжения. Трансформаторы комбинированного дизайна прибыли на место одной поставкой, установка заняла один день, и они работали безупречно в течение шести лет. Вопрос о том, как выбрать комбинированный трансформатор требуемого типа, представляет собой поиск многофункционального трансформатора, способного выполнять функции, которые в противном случае должны были бы выполняться отдельно, а не понимание типов комбинированных трансформаторов, доступных на рынке, и их применения, что должно быть учтено при выборе.
Комбинированный трансформатор – это один трансформатор, который одновременно выполняет две или более электрических функций, которые в противном случае потребовали бы два трансформатора. Наиболее часто используемые типы комбинированных трансформаторов включают заземляющий трансформатор звезда-дельта, трансформатор с двойной обмоткой, трехобмоточный трансформатор, трансформатор с установкой на подставке. .
Преимущество использования комбинированных трансформаторов заключается в сокращении занимаемой площади оборудования, что приводит к упрощению установки, уменьшению количества соединений и снижению стоимости по сравнению с количеством трансформаторов. Недостатком комбинированного трансформатора является тот факт, что если один трансформатор выйдет из строя, все его функции будут недоступны, и что в комбинированном трансформаторе будет сложнее вносить изменения и расширения, чем для отдельных единиц. Ключом к успешной спецификации является то, что все функции трансформатора должны быть точно указаны, и должна быть выбрана определенная конфигурация, которая будет соответствовать требованиям, наряду с типовыми испытаниями, проведенными производителем.
Что такое комбинированный трансформатор и почему его специфицируют.
Комбинированный трансформатор — это трансформатор, который объединяет две или более электрических функций в одном устройстве: воспроизведение напряжения, заземление, вспомогательное питание, защита цепей и измерение. Он не рассматривается как категория продукта с установленным набором спецификаций. Это подход к проектированию, который позволяет избежать установки трех трансформаторов, каждый из которых имеет свое собственное оборудование, сердечник, ввод, защиту и проводку. Вместо этого инженеры могут использовать один трансформатор со всеми функциями, не связанными с преобразованием напряжения, хорошо подходящими для этого. Самая простая и популярная конфигурация комбинированных трансформаторов, используемых в промышленности и коммунальных приложениях, — это трансформатор заземления типа звезда-дельта с дополнительной вторичной цепью. Первичная обмотка этого трансформатора, соединенная по схеме звезда, имеет нейтральную точку для заземления цепи в зависимости от типа заземления. Вторичные обмотки, соединенные по схеме дельта, обеспечивают подачу трехфазного вспомогательного питания на нагрузки станции, например, для освещения, а также другие средства обеспечения контроля функционирования электрической сети. Комбинированный трансформатор теперь работает как трансформатор заземления и трансформатор вспомогательного питания, устраняя необходимость в использовании двух дополнительных трансформаторов. Для инженеров использование этих типов имеет преимущество в обеспечении уменьшения площади подстанций или насосных или компрессорных установок или удаленных устройств. Все это позволяет сократить использование фундамента и необходимого кабеля, а также минимизировать количество защитных устройств и упростить схему защиты без значительного увеличения общих затрат на оборудование до 20%–30% по сравнению с вариантом покупки двух трансформаторов отдельно.
Другие конфигурации комбинированных трансформаторов, используемые помимо трансформатора с двойной обмоткой с интегрированным OLTC, который может использоваться, если первичное напряжение изменяется, являясь хорошим решением для длинных линий электропередачи, тем самым автоматически регулируя напряжение; трехобмоточный трансформатор, кроме того, что имеет одну первичную и две вторичные обмотки на разных уровнях напряжения, обеспечивает питание двух независимых наборов нагрузок через трансформатор без взаимного влияния; трансформатор, установленный на подставке, с интегрированным распределительным устройством и измерением используется для строительства стандартных подземных распределительных станций в жилых районах. Для получения обзора полного ассортимента типов и конфигураций трансформаторов, доступных для этих и других приложений, смотрите каталог продукции на Субиан Электрик, который включает комбинированные трансформаторы, трансформаторы заземления, распределительные трансформаторы и специальные силовые трансформаторы.
Как указать напряжение, кВА и требования к заземлению для комбинированного трансформатора
Спецификация комбинированный трансформатор правильно требует от покупателя определения каждой электрической функции, которую трансформатор должен выполнять, и предоставления производителю конкретных значений — напряжений, номинальных мощностей в кВА, импеданса, метода заземления, повышения температуры и применимого стандарта — для каждой функции. Ключевые параметры, которые должны быть включены в спецификацию, суммированы в таблице ниже для наиболее распространенной конфигурации комбинированного трансформатора: трансформатор заземления звезда-дельта с вспомогательной вторичной мощностью.
| Параметр | Что это определяет | Как это указать |
|---|---|---|
| Напряжение первичной системы | Напряжение между фазами системы, к которой будет подключена первичная обмотка трансформатора. Это определяет класс напряжения трансформатора, его рейтинг BIL и уровень изоляции первичных обмоток и вводов. | Укажите номинальное напряжение системы и максимальное напряжение системы. Для системы с напряжением 4,160 вольт укажите “4,160 В номинальное, 4,800 В максимальное”. Рейтинг BIL должен быть указан на основе ожидаемой молниезащиты и условий переключения системы — обычно 60 кВ BIL для системы с напряжением 4,160 вольт, 95 кВ BIL для системы с напряжением 13,800 вольт. |
| Заземляющий кВА и нейтральный ток | Тепловая мощность заземляющей (звездной) обмотки. Это не то же самое, что и вспомогательная мощность в кВА. Рейтинг заземляющего кВА определяет, сколько тока короткого замыкания трансформатор может выдержать и как долго. | Укажите непрерывный нейтральный ток (ток, который нейтраль может выдерживать непрерывно при нормальных, несбалансированных условиях — обычно небольшое значение, 5–10% от полного тока нагрузки системы) и кратковременный нейтральный ток (ток, который нейтраль может выдерживать в течение времени короткого замыкания — обычно 10 секунд, 30 секунд или 1 минута). Например: “Непрерывный нейтральный ток: 10 А. Кратковременный нейтральный ток: 200 А в течение 10 секунд.” |
| Вспомогательная мощность кВА и напряжение | Мощность, которую дельтовая вторичная обмотка будет передавать на нагрузки вспомогательного питания. Это стандартный трехфазный, трехпроводный выход. | Укажите рейтинг кВА и вторичное напряжение. Например: “Вспомогательная мощность: 150 кВА, 480 В, трехфазный, трехпроводный.” Рейтинг кВА должен быть определен на основе расчета нагрузки для вспомогательных нагрузок, с запасом на будущее увеличение. |
| Импеданс | Импеданс трансформатора определяет падение напряжения под нагрузкой и величину тока короткого замыкания. Более низкий импеданс приводит к более высокому току короткого замыкания и лучшему регулированию напряжения, но к более высокой нагрузке по току короткого замыкания на downstream оборудовании. | Укажите импеданс в процентах от базы заземляющего кВА. Для системы с сопротивлением заземления импеданс обычно составляет 4–6%. Импеданс должен быть согласован с заземляющим резистором и схемой защитной релейной защиты. Проконсультируйтесь с электрическим инженером, если система включает несколько источников или параллельные трансформаторы. |
| Метод заземления | Как нейтральная точка обмотки звезды будет подключена к земле. Метод заземления определяет величину тока короткого замыкания на землю и тип защитной релейной схемы, которая будет использоваться. | Укажите метод заземления и значение заземляющего резистора или реактора. Например: “Заземление через резистор, заземляющий резистор 20 Ом, ограничивающий ток короткого замыкания на землю до 200 А при 4,160 В”. Заземляющий резистор является отдельным устройством, но комбинированный трансформатор должен быть спроектирован для работы с ним. |
| Применимый стандарт | Стандарт, которому должен соответствовать трансформатор при проектировании и испытаниях. Это определяет процедуры испытаний, критерии приемки и документацию, которую должен предоставить производитель. | Укажите IEEE C57.12.01 для трансформаторов сухого типа, IEEE C57.12.00 для трансформаторов с масляным заполнением или IEC 60076 для международных приложений. Если трансформатор будет установлен в конкретной стране, укажите применимый национальный стандарт — например, CSA C9 в Канаде, AS 60076 в Австралии. |
Правило 80% и другие соображения по нагрузке для комбинированного трансформатора
Правило 80% для трансформаторов гласит, что трансформаторы не должны работать непрерывно выше 80% их номинальной мощности KVA, и это правило применяется к комбинированным трансформаторам так же, как и к обычным трансформаторам, но оно должно применяться отдельно для каждой отдельной функции трансформатора. Заземляющая обмотка должна быть спроектирована для непрерывного и кратковременного тока короткого замыкания на землю, который она будет нести в случае возникновения неисправности, и правило 80% не применяется к заземляющей обмотке так же, как к непрерывным нагрузкам, потому что эта обмотка работает только в ненормальных условиях, и кратковременная мощность важнее, чем непрерывный рейтинг. Вспомогательная обмотка должна быть рассчитана на 125% нагрузки, которую она обслуживает, и правило 80% означает, что трансформатор должен работать не выше 80% его вспомогательного номинала KVA. Таким образом, трансформатор, работающий с вспомогательной обмоткой 150 KVA для нагрузок 120 KVA, является приемлемым, но если он используется с вспомогательной обмоткой 150 KVA для нагрузки 150 KVA, он будет недостаточно мощным — он будет нагреваться, изоляция будет стареть быстрее, а срок службы будет сокращаться. Стандарт IEEE C57.96 предоставляет информацию о нагрузке трансформатора и ее взаимосвязи со сроком службы изоляции и температурой как для масляных, так и для сухих трансформаторов, и покупатель, который соблюдает эти требования на этапе проектирования, получит трансформатор, спроектированный для фактической нагрузки.
Эффективность, потери и общая стоимость владения
A комбинированный трансформатор имеет как потери без нагрузки (потери в сердечнике, которые присутствуют, когда трансформатор под напряжением), так и потери нагрузки (потери в обмотках, которые зависят от квадрата тока). Потери нагрузки вспомогательной обмотки являются доминирующим компонентом потерь, когда работают нагрузки служебного питания, а потери заземляющей обмотки незначительны в нормальном режиме работы, поскольку заземляющая обмотка несет только небольшой, несбалансированный нейтральный ток. Покупатель, сравнивающий предложения на комбинированный трансформатор, должен оценить потери, используя формулу капитализации потерь, которая преобразует годовые энергетические потери в приведенные капитальные затраты, и должен сравнить общую оцененную стоимость — цену покупки плюс капитализированную стоимость потерь — а не только цену покупки. Формула: Общая оцененная стоимость = Цена покупки + (A × Потери без нагрузки в ваттах) + (B × Потери нагрузки в ваттах), где A и B — факторы капитализации потерь в долларах за ватт. Фактор A отражает стоимость энергии, которая потребляется непрерывно, 24 часа в сутки, и обычно составляет от $5 до $10 за ватт для промышленных и коммунальных приложений. Фактор B отражает стоимость энергии, которая потребляется под нагрузкой, и обычно составляет от $1 до $3 за ватт. Министерство энергетики США публикует стандартные факторы капитализации потерь для различных типов объектов, и покупатель может использовать эти значения или конкретные значения из своего тарифа на электроэнергию для сравнения предложений на основе общей стоимости. Комбинированный трансформатор с более высокой ценой покупки и более низкими потерями часто будет иметь более низкую общую оцененную стоимость, чем трансформатор с более низкой ценой покупки и более высокими потерями — и разница может быть значительной за 25-35 лет службы.
Часто задаваемые вопросы
Каково правило 80% для трансформаторов?
Согласно правилу 80%, трансформатор не должен быть непрерывно загружен более чем на 80% от номинального kVA на табличке; следовательно, это обеспечивает тепловой запас, чтобы предотвратить слишком быстрое старение изоляции, а также облегчает рост нагрузки без необходимости установки более крупного трансформатора и предоставляет возможность учитывать кратковременные перегрузки без срабатывания защитных устройств трансформатора. Правило выведено из руководства по загрузке IEEE C57.96 и служит отраслевым стандартом для определения размеров трансформаторов.
Как мне узнать, какой трансформатор мне нужен?
Чтобы определить, какой трансформатор следует использовать, необходимо записать все требования, которые трансформатор должен удовлетворять, и в конечном итоге определить общую подключенную мощность в kVA. После этого выберите трансформатор в зависимости от расположения — на улице или в помещении, а также от того, должен ли трансформатор быть сухим или масляным в соответствии с требованиями гражданского кодекса. После этого номинал выбранного трансформатора должен быть (стандартным) верхним и фактическая нагрузка должна быть учтена, чтобы не превышать правило 80% относительно непрерывной работы трансформатора. Также следует учитывать частоту.
Как выбрать правильный токовый трансформатор?
Выбор правильного токового трансформатора (CT) требует определения первичного тока (максимальный ток нагрузки, который CT должен измерять), вторичного тока (CT обычно имеет вторичный ток 5 A или 1 A для учета и защиты), класса точности (определяет ошибку CT при номинальном токе и нагрузке), нагрузки (импеданс реле, счетчиков и проводов, подключенных к CT) и физических размеров и типа установки CT. Кроме того, CT должен быть рассчитан на напряжение электрической системы и доступный ток короткого замыкания. Важно отметить, что это отдельное устройство, отличное от комбинированного силового трансформатора.
Как мне определить, какой размер трансформатора мне нужен?
Чтобы рассчитать, какой трансформатор вам нужен, необходимо определить кВА всех подключенных нагрузок, применить коэффициенты спроса, относящиеся к каждому типу нагрузки в соответствии с NEC или местными нормами, сложить все постоянные нагрузки как 125% от номинального значения, и выбрать ближайший больший стандартный кВА из рассчитанного значения. Необходимая информация для правильного выполнения этого расчета включает отчет о нагрузках, копию статьи #220 NEC и таблицу номинальных значений кВА производителя.
Ссылки
- IEEE C57.12.01 — Стандарт общих требований для трансформаторов распределения и мощности сухого типа. Основной стандарт IEEE для проектирования, испытаний и работы трансформаторов сухого типа, включая требования к трансформаторам комбинированного назначения.
- IEEE C57.96 — Руководство по нагрузке трансформаторов распределения и силовых трансформаторов сухого типа. Руководство IEEE, которое определяет взаимосвязь между нагрузкой, температурой и сроком службы изоляции, а также источник правила загрузки 80%.
- Министерство энергетики США — Факторы капитализации потерь для оценки трансформаторов. Регулирующий орган, который публикует стандартные факторы капитализации потерь для оценки предложений по трансформаторам на основе общей стоимости владения.
- NFPA 70 (NEC) — Статья 220 (Расчеты нагрузки) и Статья 450 (Трансформаторы). Требования Национального электрического кодекса к расчету нагрузки и установке трансформаторов в Соединенных Штатах.
В данном случае сложность заключается в выборе комбинированного трансформатора, который требует определения всех ролей, которые трансформатор должен выполнять, включая преобразование напряжения, заземление, вспомогательное питание и регулирование напряжения, а затем определения спецификаций каждой роли с такой детализацией, чтобы производитель смог выполнить все их одновременно. С правильно определенным комбинированным трансформатором вы уменьшаете занимаемую площадь, стоимость установки и обслуживание электрической системы по сравнению с набором трансформаторов с одной функцией. Однако, если вы не пройдете процесс спецификации, это означает, что ваши kVA заземления, вспомогательное напряжение и импеданс не указаны, и производитель использует свой стандартный продукт, тем самым не удовлетворяя ваши требования. Subian Electric производит комбинированные трансформаторы для мирового рынка. kVA этих трансформаторов, их напряжения, заземление и необходимая тестовая документация делают их привлекательным предложением для профессионального покупателя.