Trasformatori di potenza aumentare o diminuire tensione e corrente grandezza in un sistema di alimentazione. Questa trasformazione si verifica a causa del principio di induzione di Faraday e della variazione di giri di ampere (o giri di avvolgimento). Si noti, la potenza trasferita rimane la stessa (meno poche perdite di nucleo e rame).
- Trasformatore Design
- Core design
- Qual è lo scopo del nucleo del trasformatore?
- Qual è la differenza tra trasformatore di tipo core e shell?
- Perché il trasformatore di tipo shell è migliore del trasformatore di tipo core?
- Disegno di avvolgimento
- Come sono progettati gli avvolgimenti del trasformatore?
- In che modo l’interleaving degli avvolgimenti del trasformatore aiuta?
- Come viene applicato l’isolamento agli avvolgimenti del trasformatore?
- Boccola design
- Qual è lo scopo di una boccola sul trasformatore?
- Design del commutatore di carico
- Qual è lo scopo di un commutatore di carico?
- Cosa contiene il commutatore di carico?
- Tank design
- Progettazione del sistema di raffreddamento
- Come viene gestito il calore all’interno del serbatoio?
- Qual è lo scopo di un serbatoio conservatore?
- Può il trasformatore funzionare oltre la sua valutazione della targhetta?
- Collegamento dell’avvolgimento del trasformatore
- Vantaggi del trasformatore Wye-ground Wye-ground
- Svantaggi del trasformatore Wye-ground Wye-ground
- Vantaggi del trasformatore Delta Wye-ground
- Svantaggi del trasformatore Delta Wye-ground
- Delta terziario e la sua applicazione
- Come la messa a terra del trasformatore influisce sulla progettazione del sistema di alimentazione
- Sommario
Trasformatore Design
Un trasformatore di potenza contiene 6 componenti chiave.
- Nucleo
- Avvolgimento
- Boccole
- Commutatore di carico
- Serbatoio
- Raffreddamento
Come ingegnere di potenza, comprendere il design dei componenti significa che è possibile specificare correttamente i trasformatori.
Core design
Qual è lo scopo del nucleo del trasformatore?
Il nucleo funge da intermediario. Poiché gli avvolgimenti primari e secondari sono isolati elettricamente, il nucleo supporta il processo di induzione fornendo un percorso per il flusso magnetico per spostarsi dall’avvolgimento primario al secondario. Per sostenere questa missione, deve eseguire due cose giuste– Ridurre al minimo le perdite di flusso.
Ciò viene realizzato utilizzando fogli laminati di acciaio laminato a freddo orientato al grano (CRGO).
Qual è la differenza tra trasformatore di tipo core e shell?
I fogli laminati sono formati in un tipo di nucleo o tipo di shell. Osserva le loro differenze nelle immagini qui sotto.
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Trasformatore di tipo core. Si noti come gli avvolgimenti incapsulano il nucleo (fogli laminati). -
Un altro trasformatore di tipo core a 5 arti.
Perché il trasformatore di tipo shell è migliore del trasformatore di tipo core?
Il trasformatore di tipo shell, sebbene costoso da realizzare (a causa del materiale aggiuntivo) è migliore del tipo core per i seguenti motivi
1. Fornisce alta corrente di corto circuito capacità di resistere. Essenzialmente, i fogli laminati di metallo attorno agli avvolgimenti lo rinforzano quando si flettono o si torcono durante il cortocircuito.
2. Gli arti esterni forniscono un percorso aggiuntivo per il flusso di perdite. Senza questa via di fuga, come nel tipo core, si verifica un surriscaldamento locale.
3. Può sopportare meglio un aumento di tensione a causa degli avvolgimenti del disco interleaved (spiegato di seguito).
Disegno di avvolgimento
Come sono progettati gli avvolgimenti del trasformatore?
Gli avvolgimenti conducono corrente. Come tale, è possibile aumentare la tensione indotta aumentando le spire attorno al nucleo e diminuire la tensione diminuendo le spire.
Per avvolgimenti primari e secondari, l’impiego di un conduttore trasposto in continuo (CTC) fornisce un’elevata stabilità meccanica (a causa del modo in cui i campi magnetici si annullano). Per avvolgimenti terziari o stabilizzanti, viene utilizzato il conduttore di rame piatto.
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Continua recepita direttore del CTC -
Piatto conduttore di rame -
Trasformatore avvolgimento girare metodo. Strati e avvolgimenti elicoidali comunemente usati per avvolgimenti terziari. Avvolgimenti a disco comunemente usati negli avvolgimenti primari e secondari.
In che modo l’interleaving degli avvolgimenti del trasformatore aiuta?
Sebbene gli avvolgimenti possano essere semplicemente filati elicoidalmente attorno al nucleo, l’interleaving delle spire (vedi immagine) crea mini-condensatori che aiutano ad abbattere l’impulso di tensione in ingresso e seppellirlo negli avvolgimenti. L’inserimento di un filo di schermatura (rame piatto) tra le spire è un altro metodo per canalizzare l’impulso.
Come viene applicato l’isolamento agli avvolgimenti del trasformatore?
Per canalizzare la corrente, ogni centimetro di rame è isolato in carta (kraft): turn-to-turn, tra avvolgimento LV e core, tra avvolgimento HV e LV, tra avvolgimento HV e core.
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Avvolgimento secondario su lamiere laminate del nucleo metallico -
Notare l’isolamento tra le spire, tra le bobine e tra bobina e telaio (in alto). Inoltre, notare il filo dello scudo.
Boccola design
Qual è lo scopo di una boccola sul trasformatore?
Le boccole forniscono un percorso per il flusso di corrente dal conduttore eccitato (ad alta tensione) agli avvolgimenti all’interno del serbatoio (senza energizzare il serbatoio). Dovresti occuparti di due punti di contatto. Uno, in alto, dove atterra il conduttore. L’isolante in porcellana mantiene l’altezza libera da fase a terra. In secondo luogo, all’interno della boccola, i mini-condensatori creati da carta e pellicola mantengono il gioco (i condensatori abbattono la tensione). Questo tipo di boccola è chiamato boccola di capacità o condensatore. Questo è tipico per i trasformatori a tensioni HV, EHV, & UHV. A tensioni medie e sotto le boccole di resina (a secco) sono un’alternativa.
Design del commutatore di carico
Qual è lo scopo di un commutatore di carico?
Quando il carico aumenta o diminuisce, la tensione alla sottostazione diminuisce o aumenta rispettivamente. Per mantenere stabile la tensione, è possibile aggiungere o rimuovere il numero di giri di avvolgimento (ricordare che l’aggiunta di giri secondari aumenta la tensione o viceversa). Questa è la funzione di un commutatore a carico-stabilizzare la tensione variando le spire. Gli avvolgimenti OLTC rimangono nel serbatoio principale (attorno al nucleo) mentre l’operatore e i suoi accessori si montano in un compartimento separato.
Cosa contiene il commutatore di carico?
Ci sono centinaia di volt di differenza di potenziale tra ogni rubinetto all’interno del trasformatore. Quindi, quando si effettua o si interrompe una connessione a rubinetto, l’arco viene gestito dagli interruttori a vuoto. Quando si collega due posizioni di rubinetto, la differenza di potenziale guida la corrente circolante. L’autotrasformatore preventivo agisce come un induttore, limitando l’in-rush associato alla corrente circolante. Questo è il tuo tipo reattivo OLTC. Un’altra variante è l’OLTC resistivo.
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interruttori di Vuoto (bianco bottiglie) sul LTC -
Toccare meccanismo di cambio di -
Preventiva autotrasformatore regola la corrente in corsa quando tocca a cavallo tra due posizioni
Tank design
Tank design è dove si ottiene creativo, per supportare i requisiti di posizione e di progetto. È possibile specificare boccole su qualsiasi lato, installare sistemi di raffreddamento, ridurre il suono utilizzando un pannello serbatoio unico, scegliere condotti bus di fase isolati-condotti bus segregati o non segregati,ecc.
Un’altra decisione di progettazione critica è quella di scegliere un trasformatore trifase a 1 fase o uno a 3 fasi. I trasformatori di step-up del generatore nelle grandi centrali elettriche, i trasformatori nelle sottostazioni EHV seguono il percorso a tre fasi.
Tre trasformatori a 1 fase hanno ciascuna banca isolata dall’altra e quindi offrono continuità di servizio quando una banca fallisce. Un singolo trasformatore a 3 fasi, di tipo core o shell, non funzionerà nemmeno con una banca fuori servizio. Questo trasformatore a 3 fasi, tuttavia, è più economico da produrre, ha un ingombro ridotto e funziona relativamente con maggiore efficienza.
Progettazione del sistema di raffreddamento
Come viene gestito il calore all’interno del serbatoio?
Il flusso di corrente nell’avvolgimento in rame genera calore. La corrente turbolenta & corrente eccitante nel nucleo genera calore. L’olio minerale estrae questo calore. Normalmente, il flusso naturale di convezione dell’olio rimuove il calore: l’olio caldo sale verso l’alto -> si sposta nei radiatori -> l’olio si raffredda, si deposita e si sposta nel serbatoio principale -> l’olio si riscalda di nuovo e sale (ripetizioni del processo).
Per migliorare il raffreddamento, collegare un banco di ventilatori ai radiatori o agli scambiatori di calore. Per migliorare ulteriormente, forzare il movimento dell’olio (attraverso il serbatoio o gli avvolgimenti) utilizzando le pompe.
Poiché l’olio può raccogliere umidità / ossigeno / detriti, la conservazione dell’olio o il sistema di filtrazione aiuta a prolungare la vita di un trasformatore.
Qual è lo scopo di un serbatoio conservatore?
L’olio si espande e si contrae con il carico del trasformatore. Poiché il serbatoio è sigillato e sotto vuoto, il volume dell’olio è controllato da due metodi.
Metodo 1: Utilizzare un serbatoio conservatore. Il serbatoio principale viene completamente riempito. L’olio in eccesso si riversa in questo serbatoio.
Metodo 2: Il serbatoio principale non è completamente riempito (ma il nucleo e gli avvolgimenti sono sommersi). Una “coperta” di gas azoto riempie il vuoto in alto. Mentre l’olio si espande, il gas viene rilasciato. Mentre si contrae, una bottiglia di azoto esterna riempie il gas.
Può il trasformatore funzionare oltre la sua valutazione della targhetta?
La capacità di potenza dei trasformatori è limitata dalla valutazione termica. Ciò significa che il trasformatore può essere azionato oltre la sua valutazione di MVA finchè la temperatura del suo olio superiore rimane all’interno dell’aumento di temperatura 65ºC sopra la temperatura ambiente (vedi la norma di IEEE C57.12.00-2015). Ad esempio, se la temperatura ambiente è 45ºC, il trasformatore può essere spinto a un valore inferiore a 45ºC + 65ºC = 110ºC.
Il sovraccarico prolungato del trasformatore non è raccomandato a causa della saturazione del suo nucleo (perdite più elevate), perdita di aspettativa di vita e deterioramento dell’isolamento degli avvolgimenti.
Collegamento dell’avvolgimento del trasformatore
Una volta che le bobine sono a posto, i tre avvolgimenti primari e tre avvolgimenti secondari possono essere legati sia come delta che come wye (o star). Una di queste impostazioni è mostrata di seguito.
Anche se può sembrare che tu stia cortocircuitando legando un’estremità della bobina a terra neutra (in una stella) e legando una bobina all’altra (in un delta), questo non è il caso. Queste connessioni funzionano a causa della legge di Lenz.
L’uso di qualsiasi combinazione: delta-stella, stella-delta, stella-stella o delta-delta ha un enorme impatto sulla progettazione del sistema di alimentazione. Quindi la scelta della connessione è fondamentale.
Vantaggi del trasformatore Wye-ground Wye-ground
- Offre risparmi sull’isolamento, portando a risparmi sui costi del trasformatore.
- Phasing semplificato cioè non si verifica alcun sfasamento-semplifica il parallelismo del trasformatore.
Svantaggi del trasformatore Wye-ground Wye-ground
- Le armoniche (frequenze indesiderate) si propagano attraverso il trasformatore, causando potenzialmente interferenze radio.
- La corrente di sequenza zero scorre attraverso il trasformatore.
- I guasti esterni line-to-ground scatteranno il trasformatore (se la connessione neutra consente il back-in della corrente di guasto, quindi in una zona di protezione differenziale, l’ingresso di corrente non è lo stesso della corrente in uscita).
- C’è la possibilità di caricare le fasi in modo diverso portando ad un sistema ad alta tensione sbilanciato.
Vantaggi del trasformatore Delta Wye-ground
- Poiché l’avvolgimento delta intrappola la corrente di sequenza zero, si può presumere che il relè a monte sul trasformatore delta-wye raccolga solo i guasti di terra di alto livello. Ciò consente impostazioni di prelievo molto sensibili. Al contrario, la combinazione wye-wye consente la corrente di sequenza zero attraverso-rendendo difficile valutare la posizione del guasto. In breve, la protezione del relè è migliorata.
Svantaggi del trasformatore Delta Wye-ground
- A causa dello sfasamento associato a questi trasformatori, è necessario prestare maggiore attenzione al design. Potenziali trappole di errore si verificano durante il cablaggio in parallelo e CT.
- Alto costo dell’isolamento che conduce ad un trasformatore costoso.
Ulteriori dettagli sui pro e contro delle varie configurazioni di avvolgimento possono essere trovati nel documento di General Electric intitolato The Whys of the Wyes.
Per catturare i pro di ogni combinazione, un trasformatore di potenza può essere fabbricato con tre serie di avvolgimento (invece di solo due), tipicamente primario-wye, secondario-wye e terziario-delta.
Delta terziario e la sua applicazione
In un trasformatore wye-wye-delta a tre avvolgimenti, l’avvolgimento terziario delta consente di collegare un:
- Condensatore bank – per tensione o rifasamento di potenza
- Reattori – per evitare che la tensione si gonfia (effetto Ferranti) sulle linee EHV in condizioni di carico leggero.
- Trasformatore di servizio stazione-Alimentazione CA per apparecchiature all’interno della sottostazione
- Dal punto di vista della protezione e del controllo, intrappola la corrente a sequenza zero (guasto a terra). Se si inserisce una CT in questo avvolgimento terziario, è possibile misurare questa corrente. Poiché questo avvolgimento intrappola anche le armoniche 3rd, è chiamato avvolgimento stabilizzante.
- I terziari delta inducono una corrente in una sola direzione, indipendentemente da dove si verifica il guasto – lato alto o lato basso. Pertanto, un relè direzionale può essere polarizzato utilizzando il delta terziario CT.
Come la messa a terra del trasformatore influisce sulla progettazione del sistema di alimentazione
Senza entrare in molti dettagli, per risparmiare sui costi e sicurezza, la connessione star è la connessione preferita per la trasmissione ad alta tensione. In questo scenario, il punto comune – il neutro, è collegato a terra o collegato a terra. In questo modo la tensione da fase a neutro o la tensione da fase a terra viene ridotta di un fattore di 1 / sqrt (3). Non otterrai questa riduzione con una connessione delta (senza messa a terra).
Ha senso utilizzare solo un trasformatore delta-star vicino alla stazione di generazione in cui il delta è collegato ai terminali del generatore e la stella è collegata alle linee di trasmissione ad alta tensione. Con il collegamento a terra della stella sul lato ad alta tensione, l’avvolgimento del trasformatore può essere isolato per tensioni inferiori (fase-terra). Anche il sistema di trasmissione avrà un requisito di isolamento inferiore. Questi forniscono enormi risparmi nella progettazione e nella costruzione del sistema di trasmissione.
C’è, tuttavia, uno svantaggio nella messa a terra del neutro del trasformatore. Quando una linea o tutte e tre le linee sul lato stella cortocircuitano a terra, il neutro a terra del trasformatore funge da percorso di ritorno per la corrente di guasto. Queste correnti di guasto, se non eliminate in frazioni di secondo, possono danneggiare gravemente il trasformatore e tutte le apparecchiature ad esso collegate. Le correnti di guasto a terra sono anche ricche di correnti armoniche terze. Le terze armoniche sulla linea di trasmissione interrompono tutti i canali di comunicazione (ad esempio, la trasmissione del vettore di linea elettrica – pilota) nelle vicinanze.
Ma non tutto è perso con la combinazione stella-delta/delta-stella (a causa della messa a terra neutra). La connessione delta offre un’elevata impedenza alle armoniche terze e intrappola la corrente di guasto a terra, impedendole così di propagarsi da un lato all’altro.
Sommario
- Trasformatori Delta-star: applicati a centrali di generazione e centri di carico.
- Trasformatori stella-stella-delta: applicati alle sottostazioni di trasmissione (765kV, 500kV, 345kV).
- Messa a terra il neutro fornisce correnti di guasto a terra più elevate, tuttavia i risparmi sui costi realizzati dai requisiti di isolamento inferiori rendono accettabile la messa a terra neutra.
